CN102601426A

CN102601426A - 具有金刚石切削刃的模块式钻头

Info

Publication number: CN102601426A
Application number: CN2012100186641A
Authority: CN
Inventors: K·L·赖纳; D·E·切斯尼; J·普拉萨德
Original assignee: Kennametal Inc
Current assignee: Kennametal Inc
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2032-01-20
Also published as: DE102012000278A1; CN102601426B; CA2762514A1; FR2970664A1; GB201201165D0; DE102012000278B4; GB2487490B; US20120189393A1; GB2487490A; BR102012001225A2; US9108252B2

Abstract

本发明涉及一种具有金刚石切削刃的模块式钻头。一种用于机加工应用的模块式钻头包括由烧结碳化物制成的一个中央定向钻头以及多个外侧径向镶片，这些镶片具有多个带有金刚石表面的切削刃。此外，与这些切削刃相关联的金刚石表面包括识别每个切削刃的标记，这样使得将这些镶片的转位更加容易进行。为确保该标记承受严苛的机加工环境，该标记被激光蚀刻到镶片的金刚石表面上。

Description

具有金刚石切削刃的模块式钻头

技术领域

本发明涉及一种具有可转位的切削镶片的模块式钻头，这些切削镶片具有金刚石切削刃。

背景技术

一种模块式钻头是由机械地附接到钻头本体上的多个可互换的且一次性刃尖构成的一种钻头。图1展示了具有沿纵向轴线20延伸的柄15的此类模块式钻头10。钻头10的前端25是沿纵向轴线20轴向移动的，这样使得一个中央定向钻头30以及外侧镶片35、40接合一个工件并且产生一个延伸穿过该工件的孔。典型地，此类模块式钻头已采用了一种包括烧结碳化物的中央定向钻头30以及同样包括烧结碳化物的多个外侧镶片35、40，该烧结碳化物上可能具有或者可能不具有涂层。然而，虽然这种构形可以适合于某些材料，但诸位申请人已经发现的是，当对材料(如玻璃纤维)进行机加工时这样一种构形是不可取的。具体而言，玻璃纤维材料倾向于积聚在烧结碳化物镶片的切削刃上，并且其结果是，它们用于机加工玻璃纤维的有效性由于这种积聚以及额外地由于磨蚀性磨损而被显著降低。出于多种不同的原因，这些相同的镶片不适合于机加工钛。具体而言，钛因其韧性而出名而且典型的烧结碳化物镶片不具有用于机加工这种材料而需要的特性。如图1中所展示的，外侧镶片35、40被压紧螺钉55、60固定在凹座45、50之内，并且总体而言(将注意力转到镶片40上)，包括三个切削刃65、70、75。对于这个具体的切削镶片40而言，每个切削刃65、70、75包括例如一个第一切削刃区段65a以及一个第二切削刃区段65b。镶片40通常的构形在业界内被认为是一种三角状形状的镶片。为了简化起见，将对外侧镶片40进行论述，而且理解到同样的论述适用于外侧镶片35。

中央定向钻头30从钻头10的前端25伸出并且是钻头10接触工件的最先部分。以往，外侧镶片35、40完全由一种其上具有涂层的烧结碳化物基底构成，而且中央定向钻头30由一种类似的材料构成。然而，这种设计因为磨蚀性磨损并且因为这些碳化物镶片的切削刃遇到了积聚的玻璃纤维材料而不能很好地适合于机加工玻璃纤维，由此不仅使切削刃变钝，而且此外使得能够由模块式钻头10进行机加工的质量降低。

如图1所展示的并且对于切削镶片40而言，压紧螺钉60可以被去除这样使得外侧镶片40可以在凹座45内进行转位以便向工件提供一个新的切削刃，该新的切削刃是切削刃70或是75。一旦在凹座50内被正确地转位，压紧螺钉60可以再次被紧固以便将外侧镶片40固定在凹座50内。

需要一种设计来增强模块式钻头10的能力从而使得它能够有效地机加工玻璃纤维和/或钛。

另外，可能难以确定的是切削刃65、70、75是否已经被用于机加工操作。根据该镶片的磨损，该镶片不应被再次使用亦或应使用有限的时间。以往，典型地是，镶片的表面已标注有喷墨印迹以便识别切削刃并允许这些切削刃按顺序转位。然而，这些喷墨印刷标号经常不能承受切削镶片所经历的严苛操作条件并且不能处于这些环境之下。这种喷墨印刷标号脱落这样使得其不再是可见的。因此，需要的一种设计是对切削镶片35、40的顶部表面做标号，这样使得不仅每个标号可以在机加工操作过程中承受严苛条件，而且此外每个标号将保持其可见性，这样使得在机加工操作之后，可以基于镶片的这个面上的事先存在的标记而易于将切削镶片转位。

发明内容

一种用于机加工应用的模块式钻头具有一个总体上圆柱形本体，该本体具有围绕一条中央纵向轴线的多个***壁并且具有一个上端。这个模块式钻头包括沿该纵向轴线从上端伸出一个中央定位的定向钻头、以及至少两个切削镶片。每个切削镶片具有一个顶表面、一个底表面以及在它们之间的多个侧面，而在该顶表面与侧表面的相交处限定了一个切削刃。来自每个镶片的一个切削刃从本体的上端轴向地延伸并且是运行性的以便接合一个工件，并且其中每个运行性切削刃在径向方向上延伸这样使得当沿着中心轴线向上端观察时，这些运行性切削刃相结合以便完全地叠盖从定向钻头延伸至这些***壁上的径向距离。该定向钻头是由非金刚石材料制成的，并且其中每个切削镶片的运行性切削刃具有一个金刚石表面。

在此还描述了机加工GFRP(玻璃纤维强化塑料)或者玻璃纤维工件材料的一种方法。该方法使用了一种如刚刚描述的一种模块式钻头。该方法包括以下步骤：将模块式钻头定位在该玻璃纤维工件附近、并且使模块式钻头在工件中前进至所希望的深度。相同方法的多个步骤可以被用于机加工钛的一种方法。

附图说明

图1展示了一种模块式钻头的透视图，这是现有技术；

图2是根据本发明的模块式钻头的透视图；

图3和图4展示了在图2中见到的模块式钻头的端视图和侧视图；

图5是根据本发明的用于模块式钻头的一个镶片的透视图；

图6是图5中展示的切削镶片的俯视图；

图7是根据本发明的切削镶片的另一个实施方案的透视图；并且

图8和图9是另一个模块式钻头的端视图和侧视图。

具体实施方式

图2展示了一种模块式钻头的透视图，除了外侧镶片140的运行性切削刃165具有一个金刚石表面之外，该模块式钻头与图1所展示的非常相似。为了方便起见，对于最初关于图1所描述的用于图2的可比较部分而言，这些参考号将是按100进行递增。

模块式钻头110包括与镶片140相同的一个第二外侧镶片135。为了方便起见，仅对镶片140进行说明，而且理解到这些相同的特征是可适用于镶片135的。

图2中示出的模块式钻头110的透视图的说明将进一步通过在图3中见到的端视图以及在图4中见到的侧视图来予以展示。

图2至图4展示了用于机加工应用的一种模块式钻头110，由此该模块式钻头110具有一个总体上圆柱形的本体或柄115，该本体或柄带有围绕中央纵向轴线120的一个***壁117。该本体112具有一个上端113。

该模块式钻头110包括一个中央定位的定向钻头130，该定向钻头从上端113沿纵向轴线120伸出。至少两个切削镶片135、140在本体112上被安装在上端113处，其中每个切削镶片(例如镶片140)包括一个顶表面170、一个底表面175、以及在它们之间的多个侧面180a、180b、180c，而在顶表面170与侧表面180a、180b、180c的相交处对应地限定了切削刃165、167、169。应该认识到，对于镶片140而言，有可能具有展示的三个切削刃165、167、169，然而，在本发明的至少一个实施方案中，有可能使得切削镶片140仅包括一个单个的切削刃165。

此外，还应该注意的是，虽然已经提到切削刃165，镶片140已知为一种三角状，并且虽然本讨论针对的是一个单个的切削刃165，但应该认识到，这个单个的切削刃165由切削刃区段165a以及切削刃区段165b构成，这两个区段相对于彼此是成角度的并且在机加工操作过程中共同与工件接合在一起。如在图2、图3和图4中可以看到，来自镶片140的切削刃165从本体112的上端113轴向地伸出并且是运行性的以便接合一个工件。这个特征在图4中被最佳展示。

如在图2至图4中最佳展示的，镶片140的运行性切削刃165以及与镶片135相关联的匹配切削刃177在一个径向方向上延伸使得当沿中央纵向轴线120观察时(如在图4中见到的)，运行性切削刃165、177完全叠盖从中央定向钻头130延伸至***壁117上的径向距离R。这是通过使镶片135、140从中央纵向轴线120错开的径向距离来实现的。具体而言，如在图4中看到，镶片140的中心142被定位在与中心线120相距R1的距离处，而镶片135的中心137被定位在与中央纵向轴线120相距R2的径向距离处，并且这些径向距离是不同的以便提供上述叠盖。

诸位发明人已经知道，当玻璃纤维或钛是工件时，当切削镶片135、140的运行性切削刃165、177具有一个金刚石表面时，钻头性能被显著地增强。在这些情况下，可接受的是中央定向钻头130由一种非金刚石材料(如烧结碳化物)制成，并且其结果是可以实现卓越的性能而不需要在中央定向钻头130的这些切削刃上提供一个金刚石表面。

存在至少两种共同的方式，按照该方式切削镶片140、135的切削刃165、177可以具有金刚石表面。

图5和图6(它们展示了在图2至图4中使用的镶片)更详细地示出了镶片140，该镶片具有一个全表面的金刚石层190并且运行性切削刃165与这个全表面的金刚石层190是一体的。全表面的金刚石层190可以被安装在任何足以支撑金刚石层190的材料的一个基底192上。基底192可以由一种烧结碳化物材料制成。全表面的金刚石层镶片通过美国肯纳金属公司(Kennametal Inc.)是可商购的，如分段的等级KD 1425或式样CCGW-S或TPGW-E/F(ST)并且这种同样的技术被用来将全表面的金刚石层应用于与本发明相关联的镶片上。这些镶片的形状可以是三角状、正方形、三角形、矩形、圆形或其他形状。这种三角状被展示在图7中。

在一个优选的实施方案中，金刚石层190是多晶金刚石。

图7展示了一个切削镶片240的一种替代实施方案，该切削镶片再次具有一个运行性切削刃265，该运行性切削刃具有与图5展示的镶片140的相类似的一个金刚石表面。然而，这个金刚石表面在此是利用一个金刚石刃尖295来实现的，该刃尖被硬钎焊到镶片240的基底299内的凹座297内。此类镶片通过美国肯纳金属公司(KennametalInc.)是可商购的，如等级KD 1425式样SPHX并且即使这个具体的镶片是80度的金刚石成形的镶片，这种相同的技术也可以应用于其他形状，例如图7展示的三角状。

暂时返回到图2，在本发明的一个实施方案中，外侧镶片135、140具有运行性切削刃165、177(带有金刚石表面)，同时中央定向钻头130是完全由一种烧结碳化物基底制成的。当模块式钻头110在工件上旋转时，运行性切削刃165、177的切线速度远远大于中央定向钻头130的切线速度并且被外侧镶片135、140去除的材料量远远大于被中央定向钻头130去除的材料量。因此，与外侧镶片135、140的那些条件相比，中央定向钻头130的运行条件不是太严苛的。因此，中央定向钻头130不必像外侧镶片135、140一样结实。其结果是，在本发明的一个实施方案中，中央定向钻头130可以完全由一种烧结碳化物基底制成，而外侧镶片135、140可以具有带有一个金刚石表面的切削刃165、177。这种构形提供的益处使金刚石切削刃165、177处于其最需要之处，并且通过将中央定心钻头130保持为一种烧结碳化物基底来允许降低成本，与具有带有金刚石表面的切削刃的切削镶片相比这具有明显更低的成本。

如图2中展示的，镶片140具有侧面180a、180b、180c，并且典型地，这些侧面是完全相同的这样使得切削镶片140可以在凹座145内被转位以便向工件提供新的切削刃。具体而言，将压紧螺钉160除去并且使镶片140在凹座145内重新定向以便提供一个新的切削刃并且此后通过紧固压紧螺钉160而被固定在凹座145之内。应当注意的是，当切削镶片140被示出具有一个压紧螺钉160时，不必使用一个压紧螺钉160将镶片140固定并且可以省去压紧螺钉160延伸经过的孔，并且还可以使用将镶片140固定在凹座145内的其他方法，例如一个标准夹具。此外，镶片140是否是可转位的，本发明都存在这些益处。然而，具有一个可转位的镶片140改善了刀具的效率。

在本发明的另一个实施方案中，外侧镶片135、140包括用于识别相应切削刃180a、180b、180c的标记137a、137b、137c。

如图5所展示的，标记137a、137b、137c被定位在镶片140的顶部，此处这些标记在机加工操作过程中是清晰可见的。以往，这些标记位已经被定位在其他区域中，例如在侧面180a、180b、180c上。然而，当发生这种情况时，对于操作者而言更加难以看到这种标记，并且因此这类标记不是同样有用的。优选的是，将标记137a、137b、137c定位得尽可能地接近于切削刃180a、180b、180c，并且优选的是，在前刀面184a、184b、184c上尽可能地接近于并且被中央定位在切削刃165、167、169其上，同时位于镶片的侧面180a、180b、180c上的标记仍是有用的，顶部142上的标记137a、137b、137c是优选的。

如图5所展示的，标记137a、137b、137c是数字式的。不过，使这些切削刃的标识可以辨别的任何符号，包括数字、字母、或符号都是可以使用的。

特别注意的是，为了将标记137a、137b、137c放置在全表面的金刚石层190上，需要将标记137a、137b、137c激光蚀刻到金刚石层190的表面上。诸位发明人已经观察到，由于镶片135、140经历严苛的运行条件，使用喷墨印刷沉积的标记是不充分的，因而激光蚀刻是必要的。将激光蚀刻标记组合在镶片140的顶部表面上不仅为标记的标注提供了耐久性，而且此外，还帮助操作者识别相应的切削刃，这样使得将切削镶片转位到一个新的切削刃更加容易进行。

暂时返回到图2至图4，应该清楚的是，切削镶片135、140是围绕纵向轴线120形成对称角度的多条线围绕定向钻头130定位。切削镶片125、135、140的径向位置被错开这样使得切削镶片135、140的累积范围叠盖了从中央定向钻头130到本体112的周边117上的边界。这种对称性安排有助于这种旋转刀具的平衡。

到目前为止，已经讨论的是具有围绕一个中央定向钻头130定位的两个外侧镶片135、140(一种模块式钻头110，其中镶片135、140各自具有三角状形状。本发明的这些特征不限于这样一种设计并且对于具有额外镶片的模块式钻头可能也是可适用的。

图8和图9展示了一种模块式钻头310，该模块式钻头具有围绕中央纵向轴线320的一个杆315。这个模块式钻头310具有一个本体312，该本体具有一个前端325，该前端具有附接于其上的一个中央定向钻头330。除了存在围绕中央定向钻头330定位的多个外侧镶片335a、335b和340a、340b之外，模块式钻头310的这些特征类似于模块式钻头110的那些特征。正如对于模块式钻头110的实施方案而言，外侧镶片335a、335b以及340a、340b可以具有带有金刚石表面的切削刃337a、337b、342a、342b，正如先前讨论的镶片135、140一样。然而，特别注意的是，切削镶片335a、335b以及340a、340b可以具有总体上矩形、正方形、或者三角状形状。除了它们的矩形形状，镶片335a、335b、340a、340b可以被固定在模块式钻头310的凹座内的方式类似于先前所讨论的那些技术。此外，切削刃337a、337b、342a、342b可以是一种金刚石表面的方式类似于关于切削镶片135、140先前所讨论的那些方式。

虽然切削镶片335a、335b、340a、340b已被展示为矩形，但应该认识到，对于不同的目的，该模块式钻头310可以具有不同的镶片形状，包括三角状、三角形、以及正方形，并且这些镶片的形状的选择只是关于具体的模块式钻头所希望使用的一种功能。

应该再次认识到，切削镶片335a、335b、340a、340b是沿着围绕纵向轴线320形成对称角度的多条线围绕定向钻头320定位的。

同样，再次应该认识到，镶片335a、335b、340a、340b的径向位置是错开的这样使得镶片335a、335b、340a、340b的累积范围覆盖了从中央定向钻头330至本体312的周边317上的边界的整个半径。

诸位发明人期望这种相同的钻头在机加工钛以及其他难于机加工的材料时非常有利地执行并且出于此原因，这种设计提供了对多种难于机加工的材料进行机加工的一种通用方案。

本发明还针对一种用于对工件进行机加工的方法，具体是纤维玻璃或钛，由此本发明是将该模块式钻头定位在钛或玻璃纤维工件附近并且于是将该模块式钻头在工件中前进至希望的深度。

虽然已详细说明了本发明的具体实施方案，但本领域的普通技术人员应认识到鉴于本披露的整体传授内容可以对这些细节发展出不同的修改和替代方案。在此说明的目前优选的实施方案仅旨在是解说性的而并非限制本发明的范围，对于本发明的范围应当给予所附权利要求以及其任何和所有的等效物的全部宽广度。

Claims

1.一种用于机加工应用的模块式钻头，其中该模块式钻头具有一个总体上圆柱形的本体，该本体具有围绕一条中央纵向轴线的多个***壁并且具有一个上端，其中该模块式钻头包括：

a.一个中央定位的定向钻头，该定向钻头沿该纵向轴线从该上端伸出；

b.至少两个切削镶片，其中每个切削镶片具有一个顶表面、一个底表面以及在它们之间的多个侧面，而在该顶表面与侧表面的相交处限定了一个切削刃，其中来自每个镶片的一个切削刃从该本体的上端轴向地伸出并且是运行性的，以便接合一个工件；

c.其中每个运行性的切削刃在一个径向方向上延伸，这样使得当沿着该中央轴线朝该上端观察时，这些运行性切削刃相结合以便完全地叠盖从该定向钻头延伸至这些***壁上的径向距离；

d.其中该定向钻头是由一种非金刚石材料制成的；并且

e.其中这些切削镶片中的每一个的运行性切削刃具有一个金刚石表面。

2.根据权利要求1所述的模块式钻头，其中每个镶片在其上具有一个全表面的金刚石层并且每个镶片的运行性切削刃与这个金刚石层是一体的。

3.根据权利要求2所述的模块式钻头，其中该金刚石层是多晶金刚石。

4.根据权利要求2所述的模块式钻头，其中每个镶片具有被硬钎焊到其上的一个金刚石刃尖并且每个镶片的运行性切削刃与这个金刚石刃尖是一体的。

5.根据权利要求1所述的模块式钻头，其中该中央定向钻头是由一种烧结碳化物基底制成的。

6.根据权利要求1所述的模块式钻头，其中该中央定向钻头是由一种涂覆的烧结碳化物制成的。

7.根据权利要求1所述的模块式钻头，其中每个切削镶片具有多个切削刃并且该镶片可以在该模块式钻头本体中转位以便将不同的切削刃呈现为该运行性切削刃。

8.根据权利要求7所述的模块式钻头，其中这些切削镶片可以具有选自下组的一种形状，该组由以下各项组成：三角状、矩形、三角形、以及正方形。

9.根据权利要求7所述的模块式钻头，进一步包括在每个镶片表面上的标记，其中该标记标识了这些切削镶片的切削刃。

10.根据权利要求9所述的模块式钻头，其中该标记被定位在每个镶片的顶部上。

11.根据权利要求10所述的模块式钻头，其中该标记被定位在每个镶片的顶部上的前刀面上。

12.根据权利要求11所述的模块式钻头，其中该标记被定位在每个镶片的侧面上。

13.根据权利要求11所述的模块式钻头，其中该标记是多个数字、字母或符号。

14.根据权利要求13所述的模块式钻头，其中该标记被激光蚀刻在该切削镶片的表面上。

15.根据权利要求1所述的模块式钻头，其中位于该定向钻头的每一侧上的这些切削镶片是对称的。

16.一种用于机加工应用的模块式钻头，其中该模块式钻头具有一个总体上圆柱形的本体，该本体具有围绕一条中央纵向轴线的多个***壁并且具有一个上端，其中该模块式钻头包括：

a.一个中央定位的定向钻头，该定向钻头沿该纵向轴线从该上端伸出，

b.至少两个切削镶片，其中每个切削镶片具有一个顶表面、一个底表面以及在它们之间的多个侧面，而在该顶表面与侧表面的相交处限定了一个切削刃；其中来自每个镶片的一个切削刃从该本体的上端轴向地伸出并且是运行性的，以便接合一个工件；

c.其中每个运行性切削刃在一个径向方向上延伸，这样使得当沿着该中央轴线向该上端观察时，这些运行性切削刃相结合以便完全叠盖从该定向钻头延伸至这些***壁上的径向距离，

d.其中该定向钻头是由一种非金刚石材料制成的；并且

e.其中这些切削镶片中每一个的运行性切削刃在其上具有一个全表面的多晶金刚石层并且每个镶片的运行性切削刃与这个金刚石层是一体的；并且

f.其中每个镶片的前刀面具有标记以便识别该切削镶片的这些切削刃。

17.一种使用模块式钻头对钛工件进行机加工的方法，该模块式钻头具有：一个总体上圆柱形的本体，该本体带有围绕一条中央纵向轴线的多个***壁并且带有一个上端；一个中央定位的定向钻头，该定向钻头从该上端沿该纵向轴线伸出；至少两个切削镶片，其中每个切削镶片具有一个顶表面、一个底表面以及在它们之间的多个侧面，而在该顶表面与侧表面的相交处限定了一个切削刃；其中来自每个镶片的一个切削刃从该本体的上端轴向地延伸并且是运行性的以便接合一个工件；其中每个运行性切削刃在一个径向方向上延伸，这样使得当沿着中央轴线向该上端观察时，这些运行性切削刃相结合以便完全叠盖从该定向钻头延伸至这些***壁上的径向距离；其中该定向钻头是由一种非金刚石材料制成的；并且其中这些切削镶片中的每一个的运行性切削刃具有一个金刚石表面；该方法包括以下步骤：

a)将该模块式钻头定位在该钛工件附近；并且

b)将该模块式钻头在该工件中前进至所希望的深度。

18.一种使用模块式钻头对玻璃纤维工件进行机加工的方法，该模块式钻头具有：一个总体上圆柱形的本体，该本体带有围绕一条中央纵向轴线的多个***壁并且带有一个上端；一个中央定位的定向钻头，该定向钻头从该上端沿该纵向轴线伸出；至少两个切削镶片，其中每个切削镶片具有一个顶表面、一个底表面以及在它们之间的多个侧面，而在该顶表面与侧表面的相交处限定了一个切削刃；其中来自每个镶片的一个切削刃从该本体的上端轴向地延伸并且是运行性的以便接合一个工件；其中每个运行性切削刃在一个径向方向上延伸，这样使得当沿着该中央轴线向该上端观察时，这些运行性切削刃相结合以便完全叠盖从该定向钻头延伸至这些***壁上的径向距离；其中该定向钻头是由一种非金刚石材料制成；并且其中这些切削镶片中的每一个的运行性切削刃具有一个金刚石表面，该方法包括以下步骤：

a)将该模块式钻头定位在该玻璃纤维工件的附近；并且

b)将该模块式钻头在该工件中前进至所希望的深度。