專利名稱：切削工具及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的用于硬質(zhì)材料，比如巖石、石塊、混凝土等切削、鉆孔或鋸切的切削工具。本發(fā)明尤其涉及一種含有金剛石復(fù)合刀頭或刀片的鎬、鋸和鉆，及其使用方法。
背景技術(shù)：
在對(duì)巖石、石塊、混凝土等類似的硬質(zhì)材料進(jìn)行挖掘、開采、切削、加工或鉆孔的過程中，采用的機(jī)器使用各種刀具，在下文中統(tǒng)稱為“切削工具”。三種廣泛使用的切削工具是鎬、鋸和鉆。
鎬在比如采煤和在巖石中開挖隧道的應(yīng)用場(chǎng)合使用的機(jī)器中，鎬用作切削工具。術(shù)語“鎬”(也叫“刮削式刀具”)通常指的是尖頭或鑿形的巖石切削工具，該刀具通過沿巖石的表面穿入并刮削而切割巖石。鎬通常包括鋼質(zhì)柄部，而碳化鎢鈷材料形成切削刀頭。與利用由金剛石或聚晶金剛石復(fù)合物(PDC)制成的刀頭的刀具形成的精細(xì)切割相比，這一過程產(chǎn)生較大的巖石碎塊(或“切屑”)。
目前，一件采礦或隧道機(jī)器的切削頭配裝有許多工具架，以便以所需的巖石打擊角度(“迎角或攻角”)確定切削工具的取向。切削工具是“飾以花邊狀的”，即，以用于設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)接替切削的模式布置，其中當(dāng)切削頭轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每一切削工具通過它所跟隨的刀具的動(dòng)作而利于其加工，類似地，它也有利于隨后的每一刀具的加工。這種方法可以使巖石碎塊破碎，比每一刀具必須通過未接替切削來開鑿未破損的巖石所需的能量更少。
如前所述，普通的鎬通常具有碳化鎢鈷復(fù)合材料制成的切削刀頭。這些鎬具有許多缺點(diǎn)。
主要是，當(dāng)用于切割磨損性巖石時(shí)，碳化鎢很快磨損。尖頭的碳化鎢刀頭用于在使用過程中在工具架上轉(zhuǎn)動(dòng)，從而均勻地分擔(dān)磨損。實(shí)際上，大多數(shù)刀頭不轉(zhuǎn)動(dòng)，從而導(dǎo)致出現(xiàn)磨平的現(xiàn)象。即使實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)的刀頭如預(yù)期的磨損成錐體，該錐體沿線，而不是在一點(diǎn)接觸巖石表面，從而需要比新刀頭時(shí)更大的作用力來破碎巖石。由于這種磨損，碳化鎢刀頭僅能有效地切割煤或軟質(zhì)巖石。因此，碳化鎢刀頭的平均壽命較短，需要經(jīng)常更換。
很清楚，需要一種使用壽命延長(zhǎng)，在其整個(gè)使用過程中保持尖頭的形狀，且其強(qiáng)度大、耐磨損足以切割堅(jiān)硬巖石比如花崗巖的鎬。
鋸?fù)ㄟ^鋸切而切削巖石、石塊或混凝土的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)備大都包括鑲有金剛石的鋸輪和巖石輪。
巖石輪是具有尖頭的碳化鎢鑲頭的切削元件的大輪，稱作“刮削式刀頭”，該刀頭以削片動(dòng)作去除巖石。由于碳化鎢刀頭的磨損特性，巖石輪限于用在強(qiáng)度為100至120Mpa的巖石，比如砂石上。因此，雖然它們可以相當(dāng)順利地用在軟質(zhì)巖石上，但巖輪不能用在堅(jiān)硬巖石上，比如花崗巖。
鑲有金剛石的鋸輪包括含有作為切削元件的金剛石沙粒的金屬基復(fù)合材料的周邊段。鋸切動(dòng)作是通過突出的微小的金剛石顆粒在巖石上刮削而實(shí)現(xiàn)的，該金剛石顆粒導(dǎo)致產(chǎn)生微裂紋。在每一道鋸切之后，僅去除了非常少量的巖石，例如幾微米，為非常小的碎片。雖然這種鋸可以切割堅(jiān)硬巖石，但該鋸切過程是非常消耗能量且非常慢的。
顯然，需要一種可用于切割堅(jiān)硬巖石，但比現(xiàn)有技術(shù)的碳化鎢巖石輪磨損更慢，且比現(xiàn)有技術(shù)的鑲有金剛石的鋸輪鋸切更快并具有更大的能量效率的鋸。
鉆軟質(zhì)巖石(例如煤、砂巖)的鉆孔通常使用含有大型尖頭或鑿形的碳化鎢切削元件的鉆頭來完成。這種形狀的切削元件在本領(lǐng)域稱作“刮削式刀頭”。這些刮削式刀頭利用“削片”動(dòng)作來工作，每一道去除較大量的巖石碎塊，所以鉆孔很快。然而，由于碳化鎢的快速磨損，在對(duì)堅(jiān)硬巖石比如花崗巖鉆孔時(shí)這些鉆頭不實(shí)用。
人們已經(jīng)試圖生產(chǎn)在碳化鎢上生長(zhǎng)一層非常薄的金剛石的碳化鎢刀頭。然而，這些努力都是不成功的，因?yàn)樵诟邷叵绿蓟u變形或金剛石分解。
目前在堅(jiān)固(硬)巖石上實(shí)現(xiàn)的多數(shù)鉆孔是使用含有較硬材料、金剛石或聚晶金剛石復(fù)合物(PDC)的鉆頭來實(shí)現(xiàn)的。
鑲有金剛石的鉆頭包括鑲嵌在金屬基復(fù)合(MMC)材料上的金剛石碎粒。金剛石鑲嵌鉆頭包括較大的安裝在MMC上的天然金剛石。
或者，某些堅(jiān)硬巖石的鉆孔是利用含有聚晶金剛石復(fù)合物(PDC)或熱穩(wěn)定PDC的鉆頭完成的。這些鉆頭包括安裝在碳化鎢鈷復(fù)合物上的PDC盤，從而使這些盤的邊緣刮削巖石。
在所有現(xiàn)有技術(shù)的含有金剛石或PDC作為切削元件的鉆頭中，巖石的切割是通過使切削元件刮削巖石的表面而實(shí)現(xiàn)的。每一道產(chǎn)生微裂紋，并去除很少的巖石，通常小于每道1/10mm。巖石以微小的碎片形式去除，這一過程是非常消耗能量的。因此鉆孔過程緩慢，每道去除少量的巖石，導(dǎo)致鉆孔速度僅為每小時(shí)1米。
顯然需要一種用于對(duì)堅(jiān)硬巖石鉆孔的鉆頭，該鉆頭堅(jiān)固且比現(xiàn)有技術(shù)的碳化鎢鉆頭磨損速度慢，但比現(xiàn)有技術(shù)的含有金剛石或PDC的鉆頭運(yùn)行更快且更有效。
現(xiàn)在已經(jīng)有多種方案來試圖制造具有金剛石或聚晶金剛石復(fù)合物(PDC)材料制成的刀頭的切削工具。
本發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，現(xiàn)有技術(shù)的含有金剛石或PDC的切削工具的低效率至少部分在于不能使這種材料形成在本領(lǐng)域稱作“刮削式刀頭”的尖頭或鑿形切削本體。尖頭的本體能壓入巖石表面，并以較大的碎塊形式去除巖石，與現(xiàn)有技術(shù)的刮削巖石表面產(chǎn)生較小碎塊的刮削式刀頭所需的能量相比，每一道需要更小的比能。而且，尖頭的本體在每一道去除更多的巖石，從而使切削過程更快。
由于所用的模制和機(jī)加工工藝的限制，含有金剛石的材料通常僅為非常有限的形狀。這些形狀是通過激光切割或放電加工(EDM)形成的三角形、方形、矩形和從圓盤切下的半圓柱體及圓柱體。不可能通過直接合成生產(chǎn)尖頭的本體，比如錐體。
新一代的金剛石復(fù)合材料已經(jīng)具有優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)復(fù)合材料的性能。這些材料稱作“高級(jí)金剛石復(fù)合材料或復(fù)合物”(“ADC”)，例如在WO88/07409和WO90/01986中得到描述，在此通過引用而包括其公開內(nèi)容。
ADC通常由金剛石晶體和硅的混合物形成，在高溫高壓下使?jié)B入金剛石顆粒之間的硅熔化，并與金剛石中的碳反應(yīng)而形成碳化硅。該碳化硅在金剛石晶體之間形成強(qiáng)力結(jié)合。
金剛石-硅混合物可以在反應(yīng)過程中位于硅本體附近，以便促使硅滲入混合物中。這種改進(jìn)是WO88/07409的主題，以使有害的多孔性和微裂紋最小化，并增加密度，從而提高ADC的機(jī)械性能。
在WO90/01986描述的另一種改進(jìn)中，在反應(yīng)之前，將含有氮和/或磷的材料加入金剛石-硅混合物和/或硅本體(在用到的情況下)中，從而使ADC中產(chǎn)生的碳化硅結(jié)合包括大于氮和/或磷的臨界值的更大量。該臨界值通常為百萬分之500。ADC產(chǎn)品具有較低的電阻率-通常小于0.2歐姆-厘米。較低的電阻率是有利的，因?yàn)樗梢允狗烹娂庸?“EDM”)-也稱作“線切割”或“電火花腐蝕”-對(duì)ADC本體進(jìn)行成形、加工和機(jī)加工。從加工的物體的尺寸和能夠生產(chǎn)的形狀范圍方面來說，EDM遠(yuǎn)比普通的成形技術(shù)比如激光切割更通用。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，可以將這些ADC材料模制和/或加工成多種形狀，包括尖頭的本體，比如錐體和彈頭體或卵形體。
雖然現(xiàn)在可以利用ADC材料生產(chǎn)有效的形狀，但遇到另一問題，即將ADC體有效地連接于刀具本體的裝置。刀具本體通常由鋼制成，但它們可以包括碳化鎢部件。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將切削刀頭連接于工具本體的普通方法，比如真空釬焊，不能總是形成強(qiáng)度足夠的結(jié)合，因此所述刀頭可能在使用過程中脫落。本發(fā)明人已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)使用金屬基復(fù)合材料將切削刀頭結(jié)合到刀具本體上產(chǎn)生了強(qiáng)度非常高且有效的結(jié)合。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種用于切削堅(jiān)硬巖石的切削工具，所述切削工具包括一個(gè)或多個(gè)切削元件，每個(gè)元件包括尖頭或鑿形的本體，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括通過碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體，該切削元件或每個(gè)切削元件安裝在包括金屬基復(fù)合材料的支撐基體中，從而使該切削元件或每個(gè)切削元件的尖頭或鑿刃從所述基體突伸出。
本發(fā)明還提供了一種用于切削堅(jiān)硬巖石的鎬，所述鎬包括一個(gè)或多個(gè)切削元件，每個(gè)元件包括尖頭或鑿形的本體，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括通過碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體，該切削元件或每個(gè)切削元件安裝在包括金屬基復(fù)合材料的支撐基體中，從而使該切削元件或每個(gè)切削元件的尖頭或鑿刃從所述基體突伸出。
本發(fā)明還提供了一種用于切削堅(jiān)硬巖石的鋸，所述鋸包括多個(gè)安裝在安裝在金屬?gòu)?fù)合材料制成的支撐基體中的切削元件，其中每個(gè)元件包括尖頭或鑿形的本體，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括通過碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體，或每個(gè)切削元件安裝在金屬基復(fù)合材料中，從而使每個(gè)切削元件的尖頭或鑿刃從所述基體突伸出。
本發(fā)明還提供了一種用于切削堅(jiān)硬巖石的鉆頭，所述鉆頭包括多個(gè)安裝在金屬?gòu)?fù)合材料制成的支撐基體中的切削元件，其中每個(gè)元件包括尖頭或鑿形的本體，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括通過碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體，每個(gè)切削元件安裝在金屬基復(fù)合材料中，從而使所述切削元件的尖頭或鑿刃從所述基體突伸出。
可取的是所述切削元件是一尖頭的本體。
發(fā)明的詳細(xì)描述因此，本發(fā)明已經(jīng)研制了一種切削工具，該刀具包括含由ADC材料制成的適當(dāng)?shù)某尚伪倔w的切削元件。該切削元件包括用于安裝在鎬本體上或中的安裝部分，以及從該鎬本體突伸出且支撐在切削表面上的切削部分。該切削部分的形狀可以是錐形、截頭錐形、楔形、鑿形、彈頭形、圓頭形、平板、金字塔形、三角形、立方體的拐角、四面體、鸚鵡喙形或雪犁形。
如前所述，雖然現(xiàn)有技術(shù)刀具的切削刀頭通常通過釬焊工藝連接在刀具本體上，但本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)ADC刀頭釬焊到WC或鋼基體上不能形成強(qiáng)度足夠的結(jié)合。代之以，本發(fā)明人已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)利用金屬基復(fù)合材料將ADC刀頭結(jié)合到WC或鋼基底上可以形成非常牢固耐用的結(jié)合。而且，金屬基復(fù)合材料形成非常適合在其中嵌入ADC元件的基體。
金屬基復(fù)合材料的成分可以變化，但通常主要包括銅、鋅、銀和錫。該復(fù)合材料也可含有碳化鎢顆粒。這種金屬基復(fù)合材料適于利用金屬粉形成，比如Kennameta1以“Matrix Powders”銷售的。一種合適的粉末是P-75S Matrix Powder。金屬粉末通過在壓力下燒結(jié)變成固體金屬?gòu)?fù)合物。在本發(fā)明的一種形式中，復(fù)合物通過熔化工藝形成，其中金屬粉末部分熔化，然后擠壓在一起致密化?；蛘?，該復(fù)合物可以通過滲透工藝形成，其中在壓力下熔融的金屬加入粉末中，使熔融金屬填充粉末顆粒之間的空隙。
可取的是，至少切削元件的切削部分是圓錐形、彈頭形或卵形，其頂端形成切削刀頭。可取的是，所述切削元件包括漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體和卵形頭部。切削元件的整個(gè)形狀可以類似于22口徑的來復(fù)槍彈。彈頭形切削刀頭優(yōu)于錐形刀頭，因?yàn)樗緛韽?qiáng)度就大且不太可能斷裂。
可取的是，切削元件的安裝部分不是直邊形的，而是朝切削刀頭漸細(xì)。即，安裝部分最好是截頭錐形，而不是圓柱形，因?yàn)榻仡^錐形具有比圓柱形更大的固有強(qiáng)度。
切削元件的另一優(yōu)選形狀是“雙錐體”，即在其底部結(jié)合在一起的兩個(gè)圓錐的形狀。錐體之一形成安裝部分，并容納在刀具本體上形成的凹槽和/或金屬基復(fù)合材料中，而另一錐體形成切削部分，且從刀具本體突伸出，用于接觸被開鑿的巖石。錐體可以高度不同，使更細(xì)長(zhǎng)的錐體容納在凹槽和/或MMC中，而短粗的錐體形成切削刀頭。雙錐體形狀是有利的，因?yàn)樗鼉H需要最少量的金剛石復(fù)合材料，所以制造相對(duì)便宜。有利的是，形成切削部分的錐體可以是彈頭形或卵形，如前所述，形成比錐形強(qiáng)度更大的切削刀頭。
鎬可取的是，鎬包括在其一端用于安裝工具架的鋼柄部，而切削元件設(shè)在另一端。
可取的是，切削元件的安裝部分至少部分容納在鎬本體上形成的凹槽中，因此需要足夠細(xì)長(zhǎng)，以確保切削部分突伸出足夠的長(zhǎng)度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)切削?？扇〉氖?，在安裝部分和所述凹槽的內(nèi)表面之間有一間隙，以容納足夠的金屬基復(fù)合材料，而將切削元件結(jié)合在位。通過將切削元件安裝在凹槽內(nèi)，以使隨后的結(jié)合相當(dāng)牢固。
容納切削元件的安裝部分的凹槽成形為可以與安裝部分的形狀互補(bǔ)。因此，在安裝部分為截頭錐形的情況下，可取的是所述凹槽也是截頭錐形，而在安裝部分是圓錐形時(shí)，所述凹槽也最好是圓錐形。
安裝部分和凹槽壁之間的間隙填充將切削元件結(jié)合到鎬本體上的金屬基復(fù)合材料。
除鋼質(zhì)部件之外，鎬本體還包括碳化鎢部件。在該實(shí)施例中，可取的是，鋼質(zhì)部件至少形成柄部的一部分，該部分與碳化鎢部件釬焊形成容納切削元件的凹槽。而且，MMC用于將切削刀頭結(jié)合到鎬本體上。
添加的碳化鎢具有位于鋼和ADC部件之間的中間撓性，從而提高鎬的整體強(qiáng)度。而且，MMC也具有介于鋼和ADC之間的彈性模量，同樣提高整體強(qiáng)度，即使在沒有碳化鎢的情況下。
本發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)，優(yōu)良的切削結(jié)果是通過采用本發(fā)明的鎬，以不同于現(xiàn)有技術(shù)的鎬常用的角度的攻角實(shí)現(xiàn)的。
通常，鎬定定向在其工具架中，從而，在使用過程中，“迎角”，即被切割的巖石的表面和鎬的軸線之間的角度，約為40°至60°。由于主要為WC-Co的切削刀頭的特定磨損特性，在以前需要這種角度。
然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在使用本發(fā)明的鎬的過程中，在60°以上的迎角下獲得了非常好的結(jié)果。可取的是，迎角在60°至80°的范圍內(nèi)，更可取的是65°至75°，最好是約70°。由于所述切削元件比現(xiàn)有技術(shù)的明顯更硬，而使磨損模式不同，所以這種更陡峭的迎角是可行的。而且，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，以普通的小迎角使用本發(fā)明的鎬的某些實(shí)施例，在某些情況下，可能導(dǎo)致切削元件與鎬本體分離。然而，通過增加迎角到60°以上，施加到切削刀頭上的作用力盡可能地接近鎬的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，所以僅有很小的可能導(dǎo)致切削元件分離的彎曲運(yùn)動(dòng)作用在切削刀頭上。
鋸如前所述，本發(fā)明人已經(jīng)驚奇地發(fā)現(xiàn)，金屬基復(fù)合材料形成非常適合在其中鑲嵌ADC切削元件的基體。本發(fā)明的鋸最好包括大致圓形的鋸本體，沿其周邊裝有切削元件，從而形成切削面。
在一個(gè)實(shí)施例中，鋸本體包括多個(gè)弧形的切削段，間隔地接納于鋸本體的周邊上。每一切削段通常包括多個(gè)安裝在MMC中的切削元件，從而切削段共同形成切削面。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，鋸?fù)ㄟ^將切削元件直接安裝在鋸本體的周邊形成的孔或開孔中而制成。切削元件利用每一孔中的MMC設(shè)定就位。
可取的是，布置在鋸上的切削元件是花邊狀的。即，切削元件以用設(shè)計(jì)成實(shí)現(xiàn)接替切削的模式布置隨著鋸的轉(zhuǎn)動(dòng)，每一切削元件通過它所跟隨的切削元件的動(dòng)作而有利于其加工，同樣，它也有利于隨后的每一切削元件的加工。該方法可以用比每一刀具必須通過未接替切削來開鑿?fù)旰脦r石所需更少的能量，來使巖石碎塊破裂。應(yīng)當(dāng)指出的是，不可能使現(xiàn)有技術(shù)技術(shù)的碳化鎢切削元件成花邊狀，因?yàn)樗鼈儽仨毾喈?dāng)大，且在同一槽內(nèi)彼此跟隨。使用本發(fā)明的鋸，可以每道1mm的吃驚速度去除巖石。
普通的WC-Co刮削刀頭在使用過程中這樣定向，即“迎角”，被切割的巖石的表面和刮削鉆頭的軸線之間的角度，約40°至60°。由于主要為WC-Co的切削刀頭的特定磨損特性，在以前需要這種角度。
然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在使用本發(fā)明的鋸的過程中，在切削元件安裝在鋸本體和/或支撐基體上，而使每一切削元件的迎角在60°至80°的范圍內(nèi)的情況下，可以獲得非常好的結(jié)果。更可取的是，迎角為65°至75°，最好是約70°。由于切削元件比現(xiàn)有技術(shù)技術(shù)的明顯更硬，磨損模式不同，所以這種更陡峭的迎角是可行的。
包括支撐在金屬基復(fù)合材料上的ADC切削元件的鋸具有比現(xiàn)有技術(shù)的鋸更優(yōu)良的切削性能。本發(fā)明的鋸可以非常快地切透堅(jiān)硬巖石，以每道1毫米向前推進(jìn)，對(duì)于1000rpm的速度，相當(dāng)于1分鐘1米。該切削速度比鑲有金剛石的鋸要快好多倍，且主要?dú)w因于尖頭切削元件的壓痕和裂紋蔓延的形成過程。這種方法與現(xiàn)有技術(shù)任何鋸的切削動(dòng)作明顯不同。而且，本發(fā)明的鋸在巖石上的切槽的寬度明顯小于現(xiàn)有技術(shù)巖輪產(chǎn)生的，這意味著巖石損耗很少。
本發(fā)明的鋸的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下
(i)該鋸能切割堅(jiān)硬的巖石，比如花崗巖，這在以前利用現(xiàn)有技術(shù)的刮削式鋸是不可能的。
(ii)由于裂紋擴(kuò)展和碎屑形成的過程，使切割更快，形成大塊的碎塊，不象使用普通鑲有金剛石的鋸盤切割巖石時(shí)的慢速、微破裂過程。
(iii)可以利用使刮削式刀頭成花邊狀的優(yōu)點(diǎn)，利用碳化鎢刮削式刀頭的普通刀具是不可能的，因?yàn)楹笳叱叽巛^大且在切割過程中它們需要在同一槽內(nèi)互相跟隨。
(iv)與現(xiàn)有技術(shù)的具有碳化鎢刮削式刀頭的鋸相比，對(duì)于給定的掘進(jìn)速度，需要更小的力。
(v)類似地，與現(xiàn)有技術(shù)的具有碳化鎢刮削式刀頭的鋸相比，對(duì)于給定的施加力，掘進(jìn)速度更高。
(vi)與普通的金剛石鋸相比，由于產(chǎn)生大塊的碎屑，本發(fā)明的鋸可以以優(yōu)良的掘進(jìn)比能挖掘。
鉆頭本發(fā)明的鉆頭包括多個(gè)切削元件，每一切削元件包括“刮削式刀頭”，即ADC材料制成的尖頭的本體。每一切削元件包括用于安裝在金屬基復(fù)合材料中的安裝部分，以及從支撐基體突伸出且形成切割表面的切削部分。
本發(fā)明的鉆頭可以包括用于鉆孔的簡(jiǎn)單鉆頭或巖芯鉆頭。巖芯鉆頭是環(huán)形的，可以鉆出環(huán)形孔，并形成芯，從而可以取出并檢查，以得到所述孔穿過的巖石地質(zhì)狀況信息。
具有不同的用于將巖芯或碎屑從孔中帶到表面的方法。鉆削流體包括空氣、水或泥漿，通常在鉆孔過程中循環(huán)而冷卻鉆頭，且也可用于將巖石碎屑帶到表面。在普通的循環(huán)中，鉆削流體沿連接于鉆頭的鉆桿管的內(nèi)側(cè)向下到達(dá)孔的底部。在逆循環(huán)過程中，鉆削流體沿著鉆桿管的外側(cè)向下流且沿著鉆桿管的內(nèi)側(cè)向上流，其中鉆桿管是雙壁管，一個(gè)管在另一個(gè)內(nèi)，鉆削流體沿管道之間的環(huán)形空間向下流動(dòng)，然后沿中間管向上。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明的鉆頭用于雙管逆循環(huán)巖芯鉆孔中。鉆頭包括用于在巖芯鉆孔進(jìn)行過程中將巖芯斷成較短長(zhǎng)度的巖芯切斷器。然后利用鉆削流體沿中心管向上將所述長(zhǎng)度的巖芯提升到表面。
鉆頭最好包括環(huán)形或圓柱形鉆頭本體，在本體的一端有多個(gè)安裝在MMC中的切削元件，從而形成切削面。環(huán)形或圓柱形鉆頭本體具有內(nèi)壁和外壁，其中最好包括在其內(nèi)形成的鉆削流體通道，在使用過程中鉆削流體可以穿過該通道。
如同本發(fā)明的鋸的情況，鉆頭的切削元件最好是花邊狀的。即，切削元件以用來實(shí)現(xiàn)接替切削的模式布置隨著鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，每一切削元件通過它所跟隨的切削元件的動(dòng)作而有利于其加工，同樣，它也有利于隨后的每一切削元件的加工。該方法可以用比每一刀具必須通過未接替切削來挖掘完好巖石所需的更少能量，來使巖石碎塊破裂。應(yīng)當(dāng)指出的是，不可能使現(xiàn)有技術(shù)的碳化鎢切削元件成花邊狀，因?yàn)樗鼈儽仨毾喈?dāng)大，且在同一槽內(nèi)彼此跟隨。
利用本發(fā)明的鉆頭，可以以每道1mm的驚人速度去除巖石。
普通的WC-Co刮削式刀頭在使用過程中這樣定向，即“迎角”，被切割的巖石的表面和刮削鉆頭的軸線之間的角度約40°至60°。由于主要為WC-Co的切削刀頭的特定磨損特性，在以前需要這種角度。
然而，本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在使用本發(fā)明的鉆頭的過程中，在切削元件安裝在鋸本體和/或支撐基體上，使每一切削元件的迎角在60°至80°的范圍內(nèi)的情況下，可以獲得非常好的結(jié)果。更可取的是，迎角為65°至75°，最好是約70°。由于切削元件比現(xiàn)有技術(shù)的明顯更硬，磨損模式不同，所以這種更陡峭的迎角是可行的。
本發(fā)明的鉆頭的優(yōu)點(diǎn)總結(jié)如下(i)該鉆頭能切割堅(jiān)硬的巖石，比如花崗巖，這在以前利用現(xiàn)有技術(shù)的刮削式鉆頭是不可能的。
(ii)由于裂紋擴(kuò)展和碎屑形成的過程，使切割更快，形成大塊的碎塊，不象使用普通金剛石和PDC鉆頭切割巖石時(shí)的慢速、微破裂過程。
(iii)可以利用刮削式刀頭成花邊狀的優(yōu)點(diǎn)，利用碳化鎢刮削式刀頭的普通刀具是不可能的，因?yàn)楹笳叱叽巛^大且在切割過程中它們需要在同一槽內(nèi)互相跟隨。
(iv)與現(xiàn)有技術(shù)的具有碳化鎢刮削式刀頭的鉆頭相比，對(duì)于給定的掘進(jìn)速度，需要更小的力。
(v)類似地，與現(xiàn)有技術(shù)的具有碳化鎢刮削式刀頭的鉆頭相比，對(duì)于給定的施加力，掘進(jìn)速度更高。
(vi)與普通的金剛石和PDC鉆頭相比，由于產(chǎn)生大塊的碎屑，本發(fā)明的鉆頭可以以優(yōu)良的掘進(jìn)比能挖掘。
為了使本發(fā)明更易于理解，現(xiàn)在參照附圖描述其非限制性實(shí)施例。


圖1是在本發(fā)明的切削工具上使用的切削元件示意圖；圖2是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的鎬的剖面示意圖；圖3是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的鋸的透視圖；圖3a是圖3中所示鋸的切削段的詳細(xì)透視圖；圖4是圖3中所示鋸的改進(jìn)形式的透視圖；圖4a是圖4中所示鋸的周邊的詳細(xì)剖視圖；以及圖5是本發(fā)明的第三實(shí)施例的巖芯鉆頭的透視圖。
具體實(shí)施例方式
在下面如附圖中所示優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
圖1示出了切削元件10的一剖面，該切削元件包括由ADC形成的尖頭的本體12。該切削元件10包括基部13、細(xì)長(zhǎng)的安裝部分16和切削部分18，該安裝部分適于容納在刀具本體(未示出)的支撐基體上，該切削部分上形成有切削面或尖頭20。切削尖頭18是卵形、或彈頭形的，而安裝部分16的側(cè)邊24a、24b從基部13到切削部分18向內(nèi)逐漸變細(xì)。
在圖2中，示出的鎬110包括切削元件10，該切削元件包括安裝在鋼制成的鎬本體14上的由ADC形成的尖頭的本體12。切削元件12包括在圖1中所示的結(jié)構(gòu)，在此不再重復(fù)。細(xì)長(zhǎng)的安裝部分16安裝在鎬本體14上的凹槽17中，而切削部分18從凹槽17突伸出且在其上具有切削面，或者尖頭20。
將切削元件12結(jié)合在鎬本體14上的是一層金屬基復(fù)合(MMC)材料22。
凹槽17的內(nèi)表面19成形，從而與安裝部分16的形狀互補(bǔ)，兩者之間有足夠的間隙，以容納MMC材料。假定鋼和ADC之間的彈性模量有較大的差別，可取的是切削元件12和鎬本體14之間沒有直接接觸，而是通過中間層MMC 22將兩者完全分開。
鎬本體14還包括用于連接到工具架上的柄部26。
參照?qǐng)D3，鋸210包括圓形的鋸本體230，該鋸本體具有沿其周邊間隔開的切削段232，從而形成切削面234。鋸本體230具有用于安裝在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)軸(未示出)上的中心孔236，從而可以繞軸線X-x轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖3a示出了切削段232的細(xì)節(jié)。切削段232包括位于鋸本體230的周邊邊緣上的內(nèi)部圓周通道233。切削段232包括多個(gè)切削元件10(如圖1所示)，該切削元件設(shè)定在支撐基體238上，從而形成切削面234。支撐基體238由金屬基復(fù)合材料組成。該金屬基復(fù)合材料適于利用Kennametal以“Matrix Powders”銷售的金屬粉末制成。一種合適的粉末是P-75S Matrix Powder。
切削元件10是“飾以花邊狀的”，即它們布置在切削面240上，從而在鋸210轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每一切削元件10利用它所跟隨的另一切削元件實(shí)現(xiàn)替換切削，而它又對(duì)每一隨后的切削元件10提供替換切削的機(jī)會(huì)。而且，每一切削元件10這樣取向?yàn)?，在使用過程中，被切割的巖石表面和切削元件18的軸線之間的角度在60°至80°內(nèi)。
圖4和4a示出了圖3和3a中所示的鋸實(shí)施例的變型。圖4和3的鋸的相應(yīng)實(shí)施例之間的主要差別是，在圖4中切削面234’是整體的，并關(guān)于鋸本體230’的周邊是周向連續(xù)的。圖4的鋸210’是通過直接在鋸本體210’上鉆孔231’構(gòu)成的。圖4a示出了在鋸本體210’的局部剖視圖中的孔231’。切削元件10放置在孔231’中，且布置在所需的取向上，利用MMC將切削元件結(jié)合在位置上。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，巖芯鉆頭310包括具有內(nèi)壁352和外壁354的環(huán)形鉆頭本體350，且多個(gè)切削元件，或安裝在其上的刮削式刀頭10。切削元件10在圖1中示出。鉆頭本體250包括在前端358的切削面356，和用于在后端360處連接鉆柱(未示出)的裝置。切削元件10設(shè)定在于切削面356處的支撐基體361上。所述基體由金屬基復(fù)合材料組成。金屬基復(fù)合材料適于利用Kennameta1以“Matrix Powders”銷售的金屬粉末制成。一種合適的粉末是P-75S Matrix Powder。
鉆頭本體350還在鉆頭本體350的內(nèi)壁352和外壁354中設(shè)有鉆削流體通道362，用于在使用過程中使鉆削流體通過。
而且，切削元件10是“飾以花邊狀的”，即它們布置在切削面356上，從而使鉆頭310轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每一切削元件10利用它所跟隨的另一切削元件實(shí)現(xiàn)替換切削，而它又對(duì)每一隨后的切削元件10提供替換切削的機(jī)會(huì)。應(yīng)當(dāng)指出的是，盡管切削元件的取向不同，但穿過每一切削元件10的尖頭的軸線A相對(duì)于鉆頭310的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線X-X成約為70°的角度。
最后，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以對(duì)前面描述的部件的結(jié)構(gòu)和布置進(jìn)行各種改變、改型和/或添加，而不脫離本發(fā)明的主旨或范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于切削堅(jiān)堅(jiān)硬巖石石的切削工具，所述切削工具包括一個(gè)或多個(gè)切削元件，每一切削元件包括尖頭或鑿形的本體，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括通過碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體，所述切削元件或每個(gè)切削元件安裝在包括金屬基復(fù)合材料的支撐基體中，從而使所述切削元件或每個(gè)切削元件的尖頭或鑿刃從所述基體突伸出。
2.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述切削工具是從鎬、鋸和鉆組成的組中選取的。
3.如權(quán)利要求1或2所述的切削工具，其特征在于，所述金剛石復(fù)合材料是高級(jí)金剛石復(fù)合物。
4.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的切削工具，其特征在于，每一切削元件是尖頭的本體，可取的是其中所述切削元件的切削部分是錐形、彈頭形或卵形，更可取的是彈頭形或卵形。
5.如權(quán)利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述切削元件還包括漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體和形成所述切削部分的頭部，所述漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體形成用于將所述切削元件安裝在所述支撐基體中的安裝部分。
6.如權(quán)利要求5所述的切削工具，其特征在于，所述細(xì)長(zhǎng)本體是朝所述切削部分的方向向內(nèi)漸細(xì)的，可取的是截頭錐形。
7.如權(quán)利要求5所述的切削工具，其特征在于，所述漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體是沿離開所述切削部分的方向向內(nèi)漸細(xì)的，可取的是錐形。
8.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的切削工具，其特征在于，金屬基復(fù)合材料主要含有銅、鋅、銀和錫，可取的是所述金屬基復(fù)合材料還包括碳化鎢顆粒，更可取的是通過熔化制成。
9.如前述任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的切削工具，其特征在于，所述每一切削元件安裝在所述支撐基體上，從而使所述切削元件的攻角大于60°，可取的是在60°至80°的范圍內(nèi)，更可取的是在65°至75°內(nèi)，尤其可取的是約70°。
10.一種用于切削堅(jiān)硬巖石的鎬，所述鎬包括一個(gè)或多個(gè)切削元件，每個(gè)元件包括尖頭或鑿形的本體，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括通過碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體，所述切削元件或每個(gè)切削元件安裝在包括金屬基復(fù)合材料的支撐基體中，從而使所述切削元件或每個(gè)切削元件的尖頭或鑿刃從所述基體突伸出。
11.如權(quán)利要求10所述的鎬，其特征在于，所述金剛石復(fù)合材料是高級(jí)金剛石復(fù)合物。
12.如權(quán)利要求11或12所述的鎬，其特征在于，每一切削元件是尖頭的本體，可取的是所述切削元件的切削部分是錐形、彈頭形或卵形，更可取的是彈頭形或卵形。
13.如權(quán)利要求10至12中任一項(xiàng)所述的鎬，其特征在于，所述切削元件還包括漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體和形成所述切削部分的頭部，所述漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體形成用于將所述切削元件安裝在所述支撐基體中的安裝部分。
14.如權(quán)利要求10至13中任一項(xiàng)所述的鎬，其特征在于，所述細(xì)長(zhǎng)本體是朝所述切削部分的方向向內(nèi)漸細(xì)的，可取的是截頭錐形。
15.如權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的鎬，其特征在于，所述漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體是沿離開所述切削部分的方向向內(nèi)漸細(xì)的，可取的是錐形。
16.如權(quán)利要求10至15中任一項(xiàng)所述的鎬，其特征在于，金屬基復(fù)合材料主要含有銅、鋅、銀和錫，可取的是所述金屬基復(fù)合材料還包括碳化鎢顆粒。
17.如權(quán)利要求10至16中任一項(xiàng)所述的鎬，其特征在于，所述鎬包括鎬本體，該本體包括在其一端用于連接到工具架上的柄部，在其另一端設(shè)有切削元件。
18.如權(quán)利要求17所述的鎬，其特征在于，所述切削元件的安裝部分至少部分地容納在鎬本體的凹槽中，且通過所述金屬基復(fù)合材料結(jié)合連接在位。
19.如權(quán)利要求18所述的鎬，其特征在于，所述凹槽成形為與安裝部分的形狀互補(bǔ)。
20.如權(quán)利要求17至19中任一項(xiàng)所述的鎬，其特征在于，所述柄部至少部分由鋼制成，且所述鎬本體最好還包括形成所述凹槽的碳化鎢部件。
21.一種使用如權(quán)利要求10至20中任一項(xiàng)所述的鎬的方法，其包括定位所述鎬而使攻角大于60°的步驟。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述攻角在60°至80°的范圍內(nèi)，可取的是在65°至75°內(nèi)，更可取的是約70°。
23.一種用于切削堅(jiān)硬巖石的鋸，所述鋸包括多個(gè)安裝在安裝在金屬?gòu)?fù)合材料制成的支撐基體中的切削元件，其中每個(gè)元件包括尖頭或鑿形的本體，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括通過碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體，每個(gè)切削元件安裝在金屬基復(fù)合材料中，從而使每個(gè)所述切削元件的尖頭或鑿刃從所述基體突伸出。
24.如權(quán)利要求23所述的鋸，其特征在于，所述金剛石復(fù)合材料是高級(jí)金剛石復(fù)合物。
25.如權(quán)利要求23或24所述的鋸，其特征在于，每一切削元件是尖頭的本體，可取的是所述切削元件的切削部分是錐形、彈頭形或卵形，更可取的是彈頭形或卵形。
26.如權(quán)利要求23至25中任一項(xiàng)所述的鋸，其特征在于，所述切削元件還包括漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體和形成所述切削部分的頭部，所述漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體形成用于將所述切削元件安裝在所述支撐基體中的安裝部分。
27.如權(quán)利要求26所述的鋸，其特征在于，所述細(xì)長(zhǎng)本體是朝所述切削部分的方向向內(nèi)漸細(xì)的，可取的是截頭錐形。
28.如權(quán)利要求26所述的鋸，其特征在于，所述漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體是沿離開所述切削部分的方向向內(nèi)漸細(xì)的，可取的是錐形。
29.如權(quán)利要求23至28中任一項(xiàng)所述的鋸，其特征在于，金屬基復(fù)合材料主要含有銅、鋅、銀和錫，可取的是所述金屬基復(fù)合材料還包括碳化鎢顆粒。
30.如權(quán)利要求23至29中任一項(xiàng)所述的鋸，其特征在于，其包括大致圓形的鋸本體，所述切削元件安裝在其周邊上，從而形成切削面。
31.如權(quán)利要求30所述的鋸，其特征在于，所述切削元件安裝在所述鋸本體的周邊形成的孔中，且利用金屬基復(fù)合材料結(jié)合在位。
32.如權(quán)利要求23至31中任一項(xiàng)所述的鋸，其特征在于，所述切削元件是飾以花邊狀的。
33.如權(quán)利要求23至32中任一項(xiàng)所述的鋸，其特征在于，所述每一切削元件在所述支撐基體上定向，從而在使用過程中使所述元件的軸線和被切割的巖石表面之間的角度大于60°，可取的是在60°至80°的范圍內(nèi)，更可取的是在65°至75°內(nèi)，尤其可取的是約70°。
34.一種用于切削堅(jiān)硬巖石的鉆頭，所述鉆頭包括多個(gè)安裝在金屬?gòu)?fù)合材料制成的支撐基體中的切削元件，其中每個(gè)切削元件包括尖頭或鑿形的本體，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括通過碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體，每個(gè)所述切削元件安裝在金屬基復(fù)合材料中，從而使每個(gè)所述切削元件的尖頭或鑿刃從所述基體突伸出。
35.如權(quán)利要求34所述的鉆頭，其特征在于，所述金剛石復(fù)合材料是高級(jí)金剛石復(fù)合物。
36.如權(quán)利要求34或35所述的鉆頭，其特征在于，每一切削元件是尖頭的本體，可取的是所述切削元件的切削部分是錐形、彈頭形或卵形，更可取的是彈頭形或卵形。
37.如權(quán)利要求34或36中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其特征在于，所述切削元件還包括漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體和形成所述切削部分的頭部，所述漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體形成用于將所述切削元件安裝在所述支撐基體中的安裝部分。
38.如權(quán)利要求37所述的鉆頭，其特征在于，所述細(xì)長(zhǎng)本體是朝所述切削部分的方向向內(nèi)漸細(xì)的，可取的是截頭錐形。
39.如權(quán)利要求37所述的鉆頭，其特征在于，所述漸細(xì)的細(xì)長(zhǎng)本體是沿離開所述切削部分的方向向內(nèi)漸細(xì)的，可取的是錐形。
40.如權(quán)利要求34至39中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其特征在于，金屬基復(fù)合材料主要含有銅、鋅、銀和錫，可取的是所述金屬基復(fù)合材料還包括碳化鎢顆粒。
41.如權(quán)利要求34至40所述的鉆頭，其特征在于，其包括巖芯鉆頭。
42.如權(quán)利要求41所述的鉆頭，其特征在于，其包括環(huán)形或圓柱形鉆頭本體，該本體具有多個(gè)在其一端安裝在所述支撐基體上的所述切削元件，從而形成切削面。
43.如權(quán)利要求42所述的鉆頭，其特征在于，所述切削元件是飾以花邊狀的。
44.如權(quán)利要求42或43所述的鉆頭，其特征在于，每一切削元件在所述支撐基體上定向，從而在使用過程中使所述切削元件的軸線與被切割巖石表面之間的角度大于60°，可取的是在60°至80°的范圍內(nèi)，更可取的是在65°至75°內(nèi)，尤其可取的是約70°。
45.如權(quán)利要求42至44中任一項(xiàng)所述的鉆頭，其特征在于，所述環(huán)形鉆頭本體具有內(nèi)壁和外壁，其中在其內(nèi)具有在使用過程中用于鉆削流體通過的鉆削流體通道。
46.一種用在如權(quán)利要求1至9中任一項(xiàng)所述的切削工具中的切削元件，所述切削元件包括尖頭或鑿形的本體，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括利用碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體。
47.一種如在此參照附圖描述的切削工具。
全文摘要
一種用于切削堅(jiān)硬巖石的切削工具，其包括一個(gè)或多個(gè)切削元件(10)，每一切削元件包括尖頭或鑿形的本體(12)，該本體包括金剛石復(fù)合材料，該金剛石復(fù)合材料包括通過碳化硅基體結(jié)合在一起的金剛石晶體，切削元件安裝在包括金屬基復(fù)合材料的支撐基體中，從而使切削元件的尖頭或鑿刃從基體突伸出。
文檔編號(hào)E21D9/08GK1443267SQ01813087
公開日2003年9月17日 申請(qǐng)日期2001年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2000年5月18日
發(fā)明者J·N·波蘭德, K·邦克, P·E·維利斯 申請(qǐng)人:聯(lián)邦科學(xué)及工業(yè)研究組織