CN1668827A - 具有双斜型面的切削工具 - Google Patents
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Abstract
一种具有减小了的残留应力的研磨刀片。在一种实施方案中，所述研磨刀片由具有内面(316)的基底(312)形成，所述内面具有中心(318)和环形面，所述环形面(320)具有周边(322)。所述内面从中心向外向下倾斜。在另一种实施方案中，所述研磨刀片由具有支撑面的基底(10)形成，所述支撑面具有内支撑面/台(12)和具有宽度(14)的外台肩，以及从所述支撑台到所述台肩向下倾斜的界面(16)，所述界面具有倾斜角。连续研磨层(8)具有中心，所述中心具有高度、直径，具有高度的周边，所述研磨层与所述基底的内面相接，并且所述周边形成切削刃。
Description
相关申请：本申请要求2002年7月10日递交的美国临时申请序列号No.60/395,181和2002年7月10日递交的美国临时申请序列号No.60/395,182的优先权。
技术领域
本发明涉及研磨刀片(tool inserts)领域。
背景技术
研磨复合件(abrasive compacts)广泛应用于切、铣、磨、钻及其他研磨作业中。研磨颗粒复合件(abrasive particle compacts)是研磨颗粒的聚晶体，所述颗粒如金刚石和/或立方氮化硼(CBN)，彼此结合在一起形成一种整体的、刚性的、高强度的聚晶体。这些组分可以借助于设置在颗粒之间的接合(bonding)介质或者借助于它们的结合(combinations)，以颗粒与颗粒自身结合的关系彼此结合在一起。所述研磨复合件的研磨颗粒含量高，而且存在大量的颗粒与颗粒的直接结合。在升温升压或高温高压(HT/HP)的条件下可制造研磨复合件，在此条件下，所述颗粒，金刚石或CBN，的颗粒结晶稳定。例如参见美国专利No.3,136,615，No.3,141,746，和No.3,233,988。
支撑的研磨颗粒复合件，这里称作复合的(composite)复合件(compact)，是一种研磨颗粒复合件，它与基底材料，如烧结的碳化钨，结合在一起。
研磨复合件易碎，并且，在使用中，它们常常通过结合在烧结的碳化物基底上来得到支撑。这种支撑的研磨复合件在现有技术中，作为复合的研磨复合件是公知的。例如，在美国专利No.3,743,489、No.3,745,623、和No.3,767,371中，对这种型式的复合件作了描述。与支撑物的结合可以在形成所述研磨颗粒复合件时，或者在形成研磨颗粒复合件后进行。复合的研磨复合件可以用来作为例如研磨工具中的加工面。
复合的复合件(composite compact)已经被发现作为钻头中的切削元件的专门应用。在岩石钻探，耐磨损材料的机加工，以及其他要求具有很高的抗研磨性或耐磨损性的作业中使用的钻头，一般由固定在夹持器(holder)上的多个聚晶研磨切削元件构成。美国专利No.4,109,737描述了一种具有碳化钨螺杆(stud)(基底)的钻头，所述基底在切削元件的外表面上具有聚晶金刚石复合件。然后，通常将多个这种切削元件通过压配合安装到钻头顶部的凹座中，比如旋转钻头。这些钻头一般具有在钻探作业时向钻顶和被钻物质之间的界面提供冷却水或冷却流体的装置。一般讲，切削元件包括一个细长的金属碳化物杆(pin)(螺杆)，所述的杆在其一端可以是具有研磨颗粒复合件(例如，聚晶金刚石)的熔结或烧结碳化物(像碳化钨)，以形成复合的复合件。
复合的复合件的制作典型地是通过将烧结碳化物基底放入压制机的容器来完成的。将金刚石颗粒或金刚石颗粒和催化粘接剂的混合物放在基底的顶部，并在HT/HP条件进行压制。以上述方式形成的复合的复合件会遇到许多不足之处。例如，烧结碳化物和金刚石的热膨胀系数和弹性常数是相近的，但不完全相同。因此，在聚晶金刚石复合件(PDC)加热或冷却时，在金刚石层和烧结碳化物基底之间的界面处会产生热致应力，例如，这种应力的大小取决于热膨胀系数和弹性常数的差异。
另一个必须考虑的潜在的不足之处是关于金刚石层中产生的内应力，这种内应力会导致金刚石层破裂。这种应力也是由于烧结碳化物基底的存在而产生的，并且根据烧结碳化物基底和聚晶金刚石层的尺寸，几何形状，以及物理性质来分布。在某些应用中，所述刀具会遭受层裂破坏，这是由超研磨层的外径上的热致轴向残留应力造成的。这些应力降低了工具的有效性，并限制了它们可使用的应用领域。
已经提出了各种各样的PDC结构，其中金刚石/碳化物的界面包含许多非平面特征，例如，脊、槽、或其他凹陷，等等，其目的在于增加机械结合和降低机械和/或热应力。美国专利No.4,784,023公开了一种具有许多变化槽和脊的界面的PDC，所述槽和脊的顶和底基本上与复合件表面平行，并且所述槽和脊的侧边基本垂直于复合件表面。美国专利No.5,351,772提出了在基底上含有径向突起带的各种界面设计。美国专利No.4,972,637提出了一种PDC，其界面含有向烧结碳化物层延伸的分立间隔凹槽，所述凹槽含有研磨材料(例如金刚石)，并排列成一系列行，每个凹槽与相邻的行中和它最近的凹槽错开。美国专利No.5,007,207提出了一种可替换的PDC结构，所述PDC结构在碳化物层中具有许多凹槽，每个凹槽填充金刚石，这些凹槽形成一种螺旋状或同心圆状的图案。
美国专利No.5,605,199提出了一种含有周边区的型面，由倾斜的内表面环绕一个内区域。美国专利No.6,315,652提出了一种研磨刀片(abrasive tool insert)，具有由从中心向周边延伸形成同心环的锯齿图案形成的界面。美国专利No.5,484,330提出了一种锯齿形截面型面，而美国专利No.5,494,777在界面设计中提出了一种向外倾斜的型面。美国专利No.5,743,346提出了一种具有内表面和相对垂线形成5°～85°角的外斜面的界面，其中内表面不是所述外斜面。美国专利No.5,486,137也提出了一种具有外部向下倾斜的界面表面的刀片。美国专利No.5,494,477提出了一种具有外部向下倾斜界面的刀片。美国专利No.5,971,087还提出了各种各样双倾斜界面和三倾斜界面的型面。
在本领域中仍存在将切削工具的金刚石层中的断裂和破碎的敏感性最小化的需求，所述断裂和破碎部分是由残留内应力引起的。因此，极需要提供一种具有较高抗金刚石破碎断裂能力的，并且降低了轴向、径向、和环向应力的聚晶金刚石复合件。递交的本发明就是针对这种切削刀具的。
发明内容
本发明涉及一种研磨刀片，所述研磨刀片包括具有支撑面的基底，所述支撑面包括：内支撑台；宽度为Sw的外台肩；从支撑台到台肩向下倾斜的界面，所述界面具有倾斜角Sa；以及在所述基底支撑面上整体形成的连续研磨层，所述研磨层包括：(a)具有高度Dc的中心；(b)直径Dd；(c)具有高度Dp的周边(periphery)，所述周边与所述台肩相接并且所述周边形成切削刃；其中(i)Sw∶Dd的范围在0和约0.5之间；和(ii)对每个Sa和Sw∶Dd，选择Dc∶Dp，从而减小研磨层中的残留应力。
一方面，本发明涉及由具有内面的基底形成的研磨刀片，所述内面具有中心和环形面，所述环形面具有周边。所述内面以与水平成范围在约5°和30°之间的角度从所述中心向外、向下倾斜。环形面围绕内面，并在周边处终止。环形面从所述内面以与水平成范围在约20°和75°之间的角度向下、向外倾斜。连续研磨层具有中心和形成切削刃的周边，并整体形成在基底上，两者之间被定义为界面(interface)。
本发明还涉及制造具有减小了残留应力的研磨刀片的方法。尤其是，本发明涉及一种形成研磨刀片的方法，该方法起始于提供一种具有内面的基底，所述内面具有中心和环形面，所述环形面具有周边。内面从所述中心以与水平成范围在约5°和30°之间的角度向外、向下倾斜。环形面围绕着内面，并在周边处终止。环形面从内面以与水平成范围在约20°和75°之间的角度向下、向外倾斜。连续研磨层具有中心和形成切削刃的周边，并整体形成在基底上，两者之间被定义为界面。
附图说明
图1是以图解法绘制的PCD刀片的轴向应力与倾斜角和高度比的函数关系；
图2是以图解法绘制的PCD刀片的径向应力与倾斜角和高度比的函数关系；
图3是以图解法绘制的PCD刀片的应力与台肩宽率(shoulder width fraction)的函数关系；
图4是为刀片的正面剖视图，该图示出了刀片的各组成部分：基底，所述基底具有内支撑台、外台肩以及在两者之间向下倾斜的界面；以及具有中心、直径、和周边的连续研磨层；
图5是图4的刀片的支撑体的顶视平面图；
图6是图5的支撑体的透视图；
图7为和图4相似的刀片的正面剖视图，除了所述的支撑体倾坡被轻微地曲线化以外；
图8是图7的支撑体的顶视平面图；
图9是图8的支撑体的透视图；
图10为和图4相似的刀片的正面剖视图，除了所述的内支撑台为同心的槽以外；
图11是图10的支撑体的顶视平面图；
图12是图11的支撑体的透视图；
图13为和图4相似的刀片的正面剖视图，除了内支撑台具有向外形成放射状的通道以外；
图14是图13的支撑体的顶视平面图；
图15是图14的支撑体的透视图；
图16为和图4相似的刀片的正面剖视图，除了所述内支撑台具有平行系列通道以外；
图17是图16的支撑体的顶视平面图；
图18是图17的支撑体的透视图；
图19为和图4相似的刀片的正面剖视图，除了所述内支撑台具有华夫饼干图案的通道以外；
图20是图19的支撑体的顶视平面图；
图21是图20的支撑体的透视图；
图22为和图4相似的刀片的正面剖视图，除了所述内支撑台呈凹面状并且具有向外形成放射状的通道以外；
图23是图22的支撑体的顶视平面图；
图24是图21的支撑体的透视图；
图25为和图4相似的刀片的正面剖视图，除了所述内支撑台具有向下形成放射状矩形脊以外；
图26是图25的支撑体的顶视平面图；
图27是图26的支撑体的透视图；
图28为和图4相似的刀片的正面剖视图，除了所述台肩具有一系列形成放射状突起矩形脊以外；
图29是图28的支撑体的顶视平面图；
图30是图29的支撑体的透视图；
图31是本发明的双斜界面构造的的一个实施方案的透视图；
图32是图31的基底的正面剖视图；
图33是针对具有如图32中描绘的型面的切削刀具元件，以图解显示出应力(MPa)相对于内面角的关系。
具体实施方式
本发明是基于关于在切削刀片中残留应力的几种关系，这些关系一直困扰本领域。在一个实施方案中，申请人已发现了切削刀具的一种独特的几何形状，其中，切削刀具的内部结合了倾斜的型面。在本发明的另一个实施方案中，所述倾斜的型面在所述切削刀具的外缘上结合了一个更陡的倾斜面，进一步降低了表面残留应力。在又一个实施方案中，发现金刚石/基底的界面倾斜角对切削刀片中的总的(overall)残留应力会产生影响，这种特征在现有技术中仍未知晓。在本发明的第四个实施方案中，发现中心金刚石台的厚度和周边厚度之间的高度比在与倾斜角相互作用时会改变总的应力。在再一个实施方案中，发现金刚石台的厚度对总的残留应力具有影响。
在一个实施方案中，通过将烧结碳化物基底制成普通的圆柱状来制造切削刀片或切削工具。烧结金属碳化物基底的组成是常规的，可包括IVB、VB或VIB族金属中的任何金属，在存在有钴、镍、或铁、或其合金的粘合剂的条件下，进行压制和烧结。实施例包括钨(W)、铌(Nb)、锆(Zr)、钒(V)、钽(Ta)、钛(Ti)、钨(Ti)、和铪(Hf)的碳化物。在一个实施方案中，金属碳化物是碳化钨。碳化物基底上的端面可利用任何适宜的切削、研磨、冲压、或侵蚀等方法来形成。
然后，将足量的超研磨材料放置基底上以形成上研磨层。在一个实施方案中，上层是聚晶金刚石(PCD)。在另一种实施方案中，上研磨层含有以下材料中的至少一种，即，合成的或天然的金刚石，立方氮化硼(CBN)，纤锌矿氮化硼，其组合，和类似材料。
在一个实施方案中，聚晶材料层(或金刚石台层)和基质经受充分的压力和温度，使聚晶材料中产生内结晶结合，并形成固体聚晶材料层。在另一个实施方案中，也可利用化学气相沉积在基底上沉积聚晶材料。这可以通过如下过程完成，即，通过利用流化床工艺的化学气相技术，用像钨、钽、铌、或钼和类似物涂布单独的金刚石晶体颗粒。化学气相沉积技术在本领域也是广为知晓的，该技术利用等离子体辅助或加热细丝(filament)的方法。
申请人进行了三维有限元应力分析(“FEA”)，发现对于正常的金刚石切削工具，在金刚石台表面上和接近界面处存在一些高的张应力区。尤其，界面之上的轴向张应力是产生层裂(delamination)的显著因素，金刚石台表面上的高的径向应力可导致中心分裂型破坏。因此，为减小与冲击相关的破坏和改进PCD切削工具的有效工作时间，必须使残留应力最小化。
在本发明的一个实施方案中，所发明的切削刀具具有较长的有效使用寿命，并减小了研磨层中的热致径向和轴向的残留应力。在另一个实施方案中，所发明的切削刀具证明具有增加了的冲击性能和延长了的工作寿命。本发明的这些和其他优点对本领域中的技术人员将是清楚的。
在本发明的一个实施方案中，通过引入向外的倾斜以及在中心金刚石台厚度和周边厚度之间的适当的高度比，轴向、径向、和环向的最大张应力可以被大大降低。对于一个给定的倾斜角Sa，在PCD中心厚度和PCD切削刃(周边)厚度之间存在一个获得最小金刚石台表面应力的优化的高度比范围Dc∶Dp。在图1和图2中作了说明。
图1和图2示出了根据一项FEA研究结果，即最大的表面轴向应力和径向应力取决于倾斜角和高度比的情况。这里没有给出环向应力，因为它远远小于轴向和径向的应力。正如图1和图2中所见到的，最小轴向应力和径向应力的优化范围非常接近。在一个高度比大于约0.25的实施方案中，较大的倾斜角通常导致较小的应力。在另一个实施方案中，最佳倾斜角为在约40°和约50°之间，由于角度较大，导致加工困难。对于一个给定的倾斜角，存在一个相应于使残留张应力最小化的高度比范围。
在本发明的另一个实施方案中，影响切削工具中的残留应力的一个因素是所述金刚石台直径(Dd)中所述台肩宽(Sw)率(fraction)。如图3中说明的，残留应力随着台肩宽率的增加而增加。然而，所述台肩为完成烧结后的修整(finishing)可提供更好的成形能力和挠性。在一个实施方案中，所述台肩宽率范围在约0.02和0.05之间。
除了基底和聚晶金刚石台之间的平坦界面的优化实施方案外，所述界面可以以多种方式变化，以确保最好的结合强度和可加工性。这在以上所列技术中已作了论证。例如，中心界面可以为轻微的凹状或凸状，并且一些非平坦图案可以与向外倾斜的设计相组合。对于切削工具，只要基于本发明的规则来优化向外倾斜的界面，就可以使残留应力最小化。
在本发明的一个实施方案中，切削刀片基于直径范围为约6和30mm之间的圆柱状支撑体。这也是研磨复合件的上表面的名义直径Dd。在另一个实施方案中，研磨颗粒在其周边的高度Dp以厚度计范围为约3和约6mm之间。利用实际的Sw∶Dd比约0.1到约0.5，变换成台肩的宽度Sw，具有的宽度范围为约0.003和约0.083mm之间。
在一个实施方案中，倾斜角Sa的范围为约40°到50°。在这种倾斜角时，Dc∶Dp的范围为约0.1和0.8之间。在第二个实施方案中，Dc∶Dp比的范围为约0.2和0.7之间。在第三个种实施方案中，Dc∶Dp比的范围为约0.3和0.6之间。在第四个实施方案中，Dc∶Dp比的范围为约0.4和0.5之间。
在如图4-6中所说明的平坦界面模式的切削工具的一个实施方案中，其中金刚石台8的直径为Dd；金刚石台的周边厚度为Dp；金刚石台的中心厚度为Dc；倾斜角为Sa；以及台肩宽为Sw。所说明的切削刀片具有基底10，该基底10具有支撑面，所述支撑面包括一个内支撑台12，一个外台肩14，以及向下倾斜(从支撑台面12)的界面16，并在所述支撑台12和所述台肩14之间形成倾斜角Sa。在此实施方案中，支撑台12和台肩14都为平坦状的(planar)，而界面16在支撑台12和台肩14之间为平直的。还应可以理解，金刚石台8和支撑体10之间的界面是镜像的。在加工中，金刚石台8的界面与支撑体10的界面相一致。
在如图7-9所说明的另一个实施方案中，切削刀片具有轻微弯曲的倾斜界面18。如图中所示，界面在与内支撑台20和台肩22的接合处都呈轻微弯曲状。
在如图10-12所说明的本发明切削工具的另一个实施方案中，切削刀具的内支撑台24从支撑台24的中心到倾斜界面26形成同心槽状。在该实施方案中，同心槽是要为金刚石台28提供更好的支撑和更好的结合。正如所示，这些槽的截面也可以包括其他未图示的结构。
在如图13-15所示的本发明切削刀具的界面的第四种实施方案中，内支撑台30具有一系列从其中心到倾斜界面32的放射状通道。这种通道的数目可少于或大于示出的数目。此外，每个通道的深度和高度可以根据不同的通道而变化。在没有示出的另一个实施方案中，这些通道的截面并不需要是矩形的，也可以由其他的几何形状构成。在该实施方案中，支撑体34上的通道主要是用来对它所支撑和所结合的金刚石台36提供更好的结合。倾斜界面和台肩可以是本文中所说明的任何形状。
在如图16-18所说明的第五个实施方案中，所述的切削刀片和上述各实施方案一样，与图4所示的刀片是类似的，除了基底40和金刚石台42的内支撑台38在其整个面上含有一系列基本平行的通道以外。这种通道的数目可以小于或大于示出的数目。每个通道的深度和高度可以根据不同的通道而变化。这些通道的截面并不需要是矩形的，也可由其他的几何形状构成。倾斜界面和台肩可以是本文中所说明的任何形状。
在如图19-21中说明的第六个实施方案中，基底46和金刚石台48的内支撑台44在其整个面上含有基本平行交叉的通道阵列(像华夫饼干一样的图案)。这种通道的数目可以小于或大于示出的数目，每个通道的深度和高度也同样可以根据不同的通道而变化。应注意到这些通道的截面并不需要是矩形的，也可由其他几何形状构成。倾斜界面和台肩可以是本文中说明的任何形状。
在如图22-24中说明的第七个实施方案中，基底52和金刚石台54的内支撑台50是圆顶形的，并且含有一系列从其中心到倾斜界面56形成放射状的通道。这种通道的数目可以小于或大于示出的数目，每个通道的深度和高度也同样可以根据不同的通道而变化。在一种变化形式中，这些通道的截面并不是圆形的，可以由其他几何形状构成。而且，拱形的形状也可变化。倾斜界面和台肩可以是本文中说明的任何形状。
在如图25-27所示的本发明切削刀具的第八个实施方案中，该方案和图4中的方案类似，除了基底60与金刚石台62的内支撑台58含有一系列从其中心到倾斜界面64形成放射状的突起矩形脊之外。这种脊的数目可以小于或大于示出的数目，每个突脊的宽度和高度也同样可以根据不同的脊而变化。这些脊的截面并不需要是矩形的，也可由其他的几何形状构成。倾斜界面和台肩可以是本文中说明的任何形状。
在如图28-30示出的切削刀片的第九个实施方案中，在所述内支撑台68和金刚石台70之间的倾斜界面72是平直的(和图4中一样)，除了它具有一系列从支撑台面66到台肩74延伸形成放射状的突脊以外。这种突脊的数目可以小于或大于示出的数目，每个脊的宽度和高度也同样可以根据不同的脊而变化。事实上，这些脊的截面并不需要是矩形的，也可以由其他的几何形状构成。
如图31和32所示，对于本发明的一种实施方案，碳化物支撑体含有2个研磨材料的独特支撑面，每个面都以一个角度(相对于水平)来设置，以形成优化(最小化)的径向应力和轴向应力。为此，由下部支撑体312和上部研磨层14形成切削刀具310(参见图32)。支撑体312具有中央的内面316(支撑台)，该中央的内面316从顶点或中心318向外、向下延伸。外环形面320环绕面318，所述外环形面从面316的外周边向外、向下延伸。环形面在环形面320的外缘台缘(ledge)322处终止。叠加在内面316上的可以是锯齿环和槽，正如美国专利No.6,315,652中所描述的。
本发明达到优化(最小化)径向应力的一个实施方案是使外环形面320以在约20°和75°之间的角从水平向下倾斜。在另一个实施方案中，外环形面以约45°的角向下倾斜。在另一个实施方案中，达到优化(最小化)轴向应力的方法是使内面16以在约5°和30°之间的角从水平向下倾斜。在另一个实施方案中，内面316以7.5°的角向下倾斜。
金刚石(上部研磨)层314的外表面形状不是决定性的。在一个实施方案中，金刚石层的表面外形可以是形成半球形、平面形、锥体形、减小或增大半径、凿刀形、或非轴对称形的形状。一般讲，钻探工业中使用的各种形式的碳化钨刀片都可通过添加金刚石层加以提高，并且在根据本发明的一个实施方案中，通过加入脊图案可进一步改进。
在本发明的一个实施方案中，在研磨层中位于典型发生破碎和层裂部位降低了残留应力(轴向、径向、和环向张应力)，本发明的切削刀具证明增加了使用寿命。在另一实施方案中，实质上任意尺寸的刀片都可实现残留应力的减小。
在具有优化的金刚石-基底界面的一个实施方案中，切削工片中残留张应力显著减小，轴向张应力减小了约90％，径向张应力减小了约60％，并且环向应力被完全压缩。
在刀片的另一个实施方案中，所述刀片的支撑体具有中央向下倾斜型面和外部较陡倾斜的型面，与平坦、平面的界面相比，所述表面的轴向残留应力减小了83％，与具有单一倾斜周边的基底相比，轴向残留应力减小了23％。表面轴向残留应力的减小增加了冲击性能并且延长了切削工具的工作寿命。
实施例
在实施例中，申请人通过各种试验和分析，包括有限元分析(FEA)，对本发明的切削刀具与现有技术的聚晶金刚石切削刀具作了比较。
实施例1
使用如下现有技术切削刀具，具有平坦界面的切削工具，具有单一倾斜界面并且直径19mm、总高度16mm和金刚石台厚度3mm的切削工具。对于本发明的切削刀具，使用的切削工具具有与水平成45°角的外环形面，而内面角在从与水平成约0°和30°之间变化。
所述切削刀具可以利用现有技术中公知的常规高温/高压(HT/HP)技术进行制造。这种技术在上面引用的技术中已经和其他内容一起公开。
FEA分析显示在约7.5°时可同时使径向应力和轴向应力最小化，优化(最小化)的应力范围预期出现在与水平成约5°到30°。利用ABACUS的FEA建模的结果示于图3和下表1中。
表1
| 应力(MPa) | (1)平坦界面 | (2)单一倾斜界面，45° | (3)双倾斜界面，10°和45° |
| 最大表面轴向张应力 | 595 | 132 | 102 |
| 最大表面径向张应力 | 300 | 160 | 151 |
| 最大表面环向张应力 | 88 | 0 | 0 |
在评估以飞刀构造形式在花岗石块上进行的间隙切削冲击试验的Parkson铣床冲击阻力试验(Parkson Mill Impact Resistance test)中，本发明的切削刀具与现有技术的单一倾斜刀片进行了比较。在所述Parkson铣床冲击阻力试验中，测定切削刀具在斜面部分的性能，其中每个部分具有的碳化物斜面(chamfer)在径向上具有大于约0.2mm、小于1.0mm，或相对于定位基为45°。切削刀具(0.010″削边(chamfered edge))样品安装在钢夹持器上，相对于工件的前角(rake angle)为径向7度、轴向12度。所述的切削刀具以间隙的方式旋转并切削，以320rpm的切削速度和每分钟的3″(7.62mm/分钟)的进刀速度切过花岗石工件，切削深度为0.150″，横向切削距离0.010″。当金刚石台失效时，终止试验并统计冲出次数(进入岩石)。
本发明的切削刀具呈现出意想不到的冲击阻力提高，冲出次数为12600次，相反，现有技术的切削刀具为11500次。
实施例2
该实施例中，现有技术的切削工具具有平坦的界面，直径为19mm，总高度为16mm，金刚石台厚度为3mm。本发明的切削刀具有优化的界面，其倾斜角为45°，高度比为0.6，台肩宽比(shoulder width radio)＝0.025。FEA结果示于表2。
表2
| 应力(MPa) | 平坦界面切削刀具 | 本发明切削刀具 |
| 最大表面轴向张应力 | 595 | 58 |
| 最大表面径向张应力 | 300 | 110 |
| 最大表面环向张应力 | 88 | 0 |
上述结果可延伸到其他的台直径，金刚石台高度，倾斜角，以及台肩宽。像由FEA模型所预示的那样，表3显示出了台肩角(Sa)和金刚石台高度比Dc∶Dp的相互关系。显示的比率是近似的。
表3
| 台肩角(Sa) | Dc∶Dp金刚石台比 |
| 20°和30° | 0.25和0.85 |
| 20°和30° | 0.35和0.75 |
| 20°和30° | 0.45和0.65 |
| 20°和30° | 0.5和0.55 |
| 25°和35° | 0.25和0.8 |
| 25°和35° | 0.3和0.7 |
| 25°和35° | 0.4和0.6 |
| 25°和35° | 0.45和0.55 |
| 30°和40° | 0.25和0.8 |
| 30°和40° | 0.25和0.7 |
| 30°和40° | 0.35和0.6 |
| 30°和40° | 0.45和0.5 |
| 35°和45° | 0.15和0.75 |
| 35°和45° | 0.25和0.65 |
| 35°和45° | 0.35和0.55 |
| 35°和45° | 0.4和0.5 |
| 40°和50° | 0.1和0.8 |
| 40°和50° | 0.2和0.70 |
| 40°和50° | 0.3和0.6 |
| 40°和50° | 0.4和0.5 |
| 45°和55° | 0.1和0.75 |
| 45°和55° | 0.2和0.7 |
| 45°和55° | 0.3和0.6 |
| 45°和55° | 0.4和0.5 |
| 50°和60° | 0.05和0.75 |
| 50°和60° | 0.15和0.65 |
| 50°和60° | 0.25和0.55 |
| 50°和60° | 0.35和0.45 |
| 55°和65° | 0.05和0.7 |
| 55°和65° | 0.1和0.6 |
| 55°和65° | 0.2和0.5 |
| 55°和65° | 0.3和0.4 |
台肩角(Sa)和台肩宽比(Sw∶Dd)的相关性示于下表4，其中比率是近似的。
表4
| 台肩角(Sa) | Dc∶Dp金刚石台比 | Sw∶Dd台肩比 |
| 20°和65° | 0.1和0.8 | 0到约0.5 |
| 20°和65° | 0.1和0.8 | 0到约0.4 |
| 20°和65° | 0.1和0.8 | 0到约0.3 |
| 20°和65° | 0.1和0.8 | 0到约0.2 |
| 20°和65° | 0.1和0.8 | 0到约0.1 |
已参照优选的实施方案描述了本发明，本领域技术人员将会理解，可以作出各种变化和对各元件等效取代而不会超出本发明的范围。此外，对于本发明的教导，可以作出许多改进以适应特殊的场所或材料而不会走出本发明的基本范围。根据一种或多种公开实施方案的切削元件可以与相同或其他公开实施方案的切削元件组合使用，或与传统的切削元件组合使用，以配对或其他组合形式，包括但不限于，各种方案的并列和主导/从属组合。
本文中所提到的所有论证文献均在本文被清楚地引入并作为参考。
Claims (17)
1.一种研磨刀片，包括：
(a)具有内面(316)的基底(314)，所述内面具有中心(318)和环形面(320)，所述环形面具有周边，
所述内面(316)以与水平成范围在约5°和30°之间的角从所述中心(318)向外、向下倾斜，
所述环形面(320)围绕着所述内面(316)，所述环形面(320)以与水平成一个在约20°和75°之间的角从所述内面向下向、外倾斜，并在所述周边处终止；以及
(b)连续研磨层(314)，所述连续研磨层具有中心(318)，形成切削刃的周边，所述连续研磨层整体地形成在所述基底上，在两者之间定义为界面。
2.根据权利要求1的研磨刀片，其中所述环形面(320)在台缘(322)处终止，该台缘围绕着所说环形面(320)的所述外周边。
3.一种研磨刀片，包括：
(a)具有支撑面的基底，所述支撑面包括：
(1)内支撑台(12)，
(2)具有宽度Sw的外台肩(14)，
(3)从所述支撑台到所述台肩形成向下倾斜的界面(16)，所述界面具有倾斜角Sa；以及
(b)连续研磨层(8)，所述连续研磨层整体形成在所述基底支撑面上，所述研磨层包括：
(1)具有高度Dc的中心，
(2)直径Dd，
(3)与所述台肩相接并具有高度Dp的周边，所述周边形成切削刃；
其中，Sw∶Dd的范围在0和约0.5之间；以及
对每个Sa和Sw∶Dd，选择Dc∶Dp以减小所述研磨层中的残留应力。
4.一种研磨刀片，包括：
(a)具有支撑面的圆柱状基底，所述支撑面的直径范围为约6到约30mm，所述基底包括：
(1)内支撑台(12)，
(2)具有宽度Sw的外台肩(14)，
(3)从所述支撑台到所述台肩形成向下倾斜的界面(16)，所述界面具有倾斜角Sa；以及
(b)连续研磨层(8)，所述连续研磨层整体形成在所述基底支撑面上，所述研磨层包括：
(1)具有高度Dc的中心，
(2)直径Dd，所述直径范围为约6mm到约30mm，
(3)与所述台肩相接并具有高度Dp的周边，所述高度范围为约2mm到6mm，所述周边形成切削刃；
其中，Sw∶Dd的范围在0.1和约0.5之间；以及
对每个Sa和Sw∶Dd，选择Dc∶Dp以减小所述研磨层中的残留应力。
5.根据权利要求3或4的研磨刀片，其中所述Sa和Dc∶Dp中的每一个具有对应于以下之一的值：
Sa的范围在约20°和30°之间并且Dc∶Dp的范围在约0.25和0.85之间；
Sa的范围在约25°和35°之间并且Dc∶Dp的范围在约0.25和0.8之间；
Sa的范围在约30°和40°之间并且Dc∶Dp的范围在约0.25和0.8之间；
Sa的范围在约35°和45°之间并且Dc∶Dp的范围在约0.15和0.75之间；
Sa的范围在约40°和50°之间并且Dc∶Dp的范围在约0.1和0.8之间；
Sa的范围在约45°和55°之间并且Dc∶Dp的范围在约0.1和0.75之间；
Sa的范围在约50°和60°之间并且Dc∶Dp的范围在约0.05和0.75之间；
Sa的范围在约55°和65°之间并且Dc∶Dp的范围在约0.05和0.7之间；
Sa的范围在约20°和65°之间并且Dc∶Dp的范围在约0.1和0.8之间。
6.根据权利要求3或4的研磨刀片，其中所述基底内支撑台(12)为平面的或凹面的。
7.根据权利要求3或4的研磨刀片，其中所述倾斜内表面(16)是弯曲的。
8.根据权利要求3或4的研磨刀片，其中所述基底内支撑台(12)至少包括以下中的一个并从所述支撑台到所述台肩延伸：a)一系列同心槽；b)一系列向外形成放射状的通道；c)一系列基本平行的通道；d)一系列交叉通道；e)一系列向外形成放射状脊；f)一系列基本平行突脊。
9.根据权利要求1，3或4的研磨刀片，其中所述基底包括烧结金属碳化物。
10.根据权利要求9的研磨刀片，其中所述烧结金属碳化物是IVB族，VB族，以及VIB族金属的碳化物中的一种或多种。
11.根据权利要求1，3或4的研磨刀片，其中所述研磨层是金刚石，立方氮化硼，纤锌矿型氮化硼，及其组合中的一种或多种。
12.一种形成研磨刀片的方法，所述方法包括如下步骤：
(a)形成具有内面(316)的基底(314)，所述内面(316)具有中心(318)和环形面(320)，所述环形面具有周边，
所述内面(316)以与水平成范围在约5°和30°之间的角从所述中心(318)向外、向下倾斜，
所述环形面(320)在所述周边处终止，所述环形面(320)以与水平成一个在约20°和75°之间的角从所述内面(316)向外、向下倾斜；以及
(b)在所述基底上整体形成的连续研磨层，所述研磨层具有中心和形成切削刃的周边。
13.一种形成研磨刀片的方法，所述方法包括如下步骤，即，
(a)形成具有支撑面的基底，所述支撑面包括：
(1)内支撑台(12)，
(2)具有宽度Sw的外台肩(14)，
(3)从所述支撑台到所述台肩形成向下倾斜的界面(16)，所述界面具有倾斜角Sa；以及
(b)在所述基底上整体形成连续研磨层(8)，所述研磨层包括：
(1)具有高度Dc的中心，
(2)直径Dd，
(3)与所述台肩相接并具有高度Dp的周边，所述周边形成切削刃；
其中，Sw∶Dd的范围在0和约0.5之间；以及
对每个Sa和Sw∶Dd，选择Dc∶Dp以减小研磨层中的残留应力。
14.根据权利要求12或13的方法，其中所述基底包括烧结金属碳化物。
15.根据权利要求12或13的方法，其中所述烧结金属碳化物是IVB族，VB族，以及VIB族金属的碳化物中的一种或多种。
16.根据权利要求12或13的方法，其中所述研磨层是金刚石，立方氮化硼，纤锌矿型氮化硼，及其组合中的一种或多种。
17.根据权利要求12的方法，其中所述环形面角度是与水平成约45°，并且所述环形面在围绕所述环形面的所述周边的台缘处终止。
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