專利名稱：提高研磨工具耐磨強(qiáng)度的方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及切削工具，具體地涉及采用塑料材料制成的、適于切削圓環(huán)形孔或鏜孔的切削工具。
2.背景技術(shù)一般地切削工具的主體都是采用金屬材料制成的。例如，通常采用鋼材來制造分別作為巖心鉆頭和圓環(huán)形或盤形鋸刀主體的管子和盤片。諸如研磨構(gòu)件或切削齒的切削部件都是通過釬焊、激光焊接、機(jī)械固定方式固定于鋼質(zhì)芯體或與其形成一體的。這些鋼質(zhì)芯體可在一較廣泛應(yīng)用范圍中工作。然而，它們并不是沒有缺陷的。特別是，金屬芯體都較重，因而會(huì)使些切削工具過于笨重而在某些應(yīng)用場(chǎng)合中難以操作。金屬芯體還會(huì)在切削操作時(shí)發(fā)生不利的振動(dòng)和產(chǎn)生噪音。而且，金屬芯體價(jià)格都較貴而占了切削工具總成本的很大一部分。
目前已對(duì)這些問題中的一部分有了認(rèn)識(shí)并且已嘗試對(duì)盤形切削工具上存在的問題進(jìn)行改進(jìn)。例如，美國專利5,408,983和5,411,010兩者都提示了圓環(huán)形鋸刀和/或切削盤，它們都在其盤形主體部分中采用了加強(qiáng)塑料成份。這些結(jié)構(gòu)具有減小工具重量和降低噪音的優(yōu)點(diǎn)。
然而，即使采用類似材料，在圓柱形巖心鉆頭式切削工具中卻不能獲得這些優(yōu)點(diǎn)。估計(jì)這是由于巖心鉆頭和圓盤形切削工具之間以及它們所使用的場(chǎng)合存在明顯區(qū)別而造成的。事實(shí)上，本技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員一般都可理解，這兩類部件是在不同的切削狀況下工作的，各自都具有一套互相間不能轉(zhuǎn)換的特別參數(shù)。因此，在諸如工藝、方針和與傳統(tǒng)盤形切削工具有關(guān)的切削速率、材料和切削速度方面可接受的實(shí)際做法等數(shù)據(jù)和方法一般不適用于圓柱形巖心鉆頭式切削工具。
作為這些差別的一個(gè)例子，各單獨(dú)切削刀或齒移過工件的圓周速度是明顯不同的。例如，一般用于切削諸如混凝土之類的硬質(zhì)材料的的傳統(tǒng)金剛石鑲尖圓環(huán)形(盤)刀具的直徑范圍約為4英寸(102毫米)至48英寸(1219毫米)。這些刀具所需的工作速度(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)(rpm))產(chǎn)生一每秒接近49米(49m/s)的較佳圓周速度。
另一方面，一般用于切削類似材料(混凝土)的金剛石制成的分段式巖心鉆頭直徑范圍為約.4英寸至10英寸(10毫米至250毫米)，并且在某些情況下可以有36英寸(900毫米)那么大或更大。所推薦的工作速度(rpm)產(chǎn)生一所需的接近2.5m/s的圓周速度。圓周速度超過一個(gè)數(shù)量級(jí)的差別表現(xiàn)出這兩種不同的切削工具所具有的非類似的性能。圓周速度的類似差別還與其它切削應(yīng)用場(chǎng)合或工件材料有關(guān)，例如包括瀝青、石料、加強(qiáng)混凝土、石灰石、硅晶體、玻璃等。
另一個(gè)會(huì)妨礙在取心鉆孔場(chǎng)合中采用塑料材料的因素是鉆頭本體所處的具有相當(dāng)研磨作用的環(huán)境，這是由于相對(duì)圓盤形刀片本體來說鉆頭本體與磨屑長時(shí)間接觸。而在一傳統(tǒng)的盤形刀片各轉(zhuǎn)過程中，卻是一單獨(dú)的刀齒或金剛石進(jìn)入工件，去除部分工件材料，從而在其上切成一個(gè)切口，從而再退出工件。切除的材料與切削潤滑劑或冷卻液一起構(gòu)成一具有相當(dāng)研磨作用的磨屑，即通過由刀齒所形成的切口可被有效地帶走、且在刀齒退出切口時(shí)可從其上排除。據(jù)此，從理論上來說磨屑一經(jīng)產(chǎn)生就可被有效地從切口上去除(并且與切屑工具不再接觸)。因而具研磨作用的磨屑將僅接觸刀齒或切削部件，而不與具有相當(dāng)研磨敏感度的塑料成份構(gòu)成的盤體接觸。
反之，取心鉆孔應(yīng)用的特點(diǎn)是要求切削齒或金剛石保持在切口中，直至切削操作完成。因此，在大多數(shù)傳統(tǒng)的切削操作過程中，磨削沒有可去的空間而將保留在切口中，在切削進(jìn)程中該處的磨屑由切削液體帶著會(huì)爬上管子。因而，在這些應(yīng)用情況下，在整個(gè)切削工作過程中磨屑保持與巖心鉆頭的本體接觸。切口或切槽越深，與芯體接觸的面積越大。有研磨作用的磨屑與切削工具的長時(shí)間接觸可對(duì)由較軟和由對(duì)研磨作用敏感的塑料材料制成的部件造成具有相當(dāng)危害的工作狀態(tài)。
所以，期望有一種由塑性芯體制成的巖心鉆頭可用于切削混凝土和其它硬質(zhì)材料。甚至期望有一種工具其使用壽命至少與一類似的由鋼芯制成的工具一樣長。
發(fā)明概述根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種用于在一工件中切削一圓孔的切削工具包括一設(shè)有一排切削部件的大致圓柱形的刀具，該刀具具有一切削端和一連接端；一由非金屬材料制成的大致圓柱形的軸，該軸具有一刀具配合端和一鉆機(jī)配合端；刀具和軸可同軸地、端對(duì)端地相互配合，其中連接端基本是剛性地與刀具配合端連接；鉆機(jī)配合端可與一鉆機(jī)可工作地配合以使切削工具繞同心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，切削工具采用一非金屬本體以在工件上切成一圓孔。切削工具具有大致圓柱形的刀具，該刀具包括一排切削部件，該刀具具有一切削端和另一端。非金屬體包括一大致圓柱形的軸，該軸具有一刀具配合端和一鉆機(jī)配合端；該軸可同軸地、端對(duì)端地與刀具配合，其中刀具配合端是大致剛性地與連接端連接的；鉆機(jī)配合端可操作地與鉆機(jī)配合以使切削工具繞同心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，在一工件中鉆出一個(gè)孔的方法包括以下步驟(a)提供一切削工具，包括i)一大致圓柱形的刀具，包括一排切削部件，該刀具具有一切削端和一連接端；ii)一由非金屬材料制成的大致圓柱形的軸，該軸具有一刀具配合端和一鉆機(jī)配合端；以及iii)刀具和軸可同軸地、端對(duì)端相互配合，其中連接端基本上是剛性地與刀具配合端連接；(b)將鉆機(jī)配合端固定到鉆機(jī)上；(c)使鉆機(jī)工作以使切削工具繞同心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；以及(d)使切削端與工件配合。
又根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種提高以聚合物本體切削工具耐磨性能的方法包括以下步驟(a)提供一在一聚合物本體上設(shè)有一切削部件的切削工具；以及(b)將一層耐磨損粒子置于聚合物本體一個(gè)表面上。
因而，本發(fā)明可采用非金屬材料來制造切削工具以獲得與已有技術(shù)有關(guān)的諸如減輕重量和/或降低成本的優(yōu)點(diǎn)。
從以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的各個(gè)方面所作的詳細(xì)描述中，可更容易地理解本發(fā)明的上述和其它特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)。
附圖的簡(jiǎn)述

圖1是本發(fā)明的非金屬本體切削鉆頭一個(gè)實(shí)施例的縱剖面分解示意圖2是本發(fā)明的非金屬本體切削鉆頭一個(gè)實(shí)施例的縱剖面分解示意圖，它包括用于將該鉆頭安裝到一傳統(tǒng)鉆頭馬達(dá)上的部分裝置；圖3是圖2所示非金屬本體切削鉆頭一部分的縱剖面分解示意圖；圖4是圖3所示非金屬本體切削鉆頭部分的平面圖，其部分以陰影線示出；圖5是一立體示意圖，示出了圖1和2所示非金屬本體切削鉆頭的刀具的一個(gè)實(shí)施例；圖6是一與圖1類似的剖面示意圖，放大示出了圖1所示那類切削鉆頭的一部分；圖7是與圖6類似的視圖，是本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例；圖8是本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的示意縱視圖；圖9是一立體示意圖，示出了本發(fā)明非金屬本體切削鉆頭的另一個(gè)實(shí)施例的一部分；圖10是本發(fā)明非金屬本體切削鉆頭再一個(gè)實(shí)施例的縱剖面分解示意圖；圖11是本發(fā)明磨損試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖表；以及圖12是巖心鉆頭所承受的、作為鉆頭直徑函數(shù)的扭矩和最大表面應(yīng)力的曲線圖。
最佳實(shí)施例的詳細(xì)描述簡(jiǎn)要地說，如圖1所示，本發(fā)明包括一用于在一工件中切削圓柱形孔的圓柱形切削工具或鉆頭10。鉆頭10具有由塑料材料制成的圓柱形本體24。該本體部分是同軸地、端對(duì)端地固定到一由金屬材料制成且其上包括一排切削部件16的圓柱形刀具12上。在一個(gè)較佳實(shí)施例中，鉆頭10為一巖心鉆，春中本體24和刀具12基本上都是管狀的，刀具上設(shè)有圓環(huán)形排列的切削部件以便進(jìn)行取心鉆孔或頂鉆孔作業(yè)。如圖7所示，管狀本體224的壁厚可補(bǔ)償在鉆孔過程中較軟本體的磨損。按照此方法，可采用多種技術(shù)，例如表面硬化處理的塑性本體224或相對(duì)壁厚C來增加切削部件16的厚度或徑向尺寸來提高耐磨性能。
在本說明書中，“切削鉆頭”或“鉆頭”一詞應(yīng)指任一種其上有一排切削部件且可轉(zhuǎn)動(dòng)以在一工件上切削成一圓孔的圓柱形切削工具，例如包括傳統(tǒng)的巖心鉆頭、孔或頂鋸刀和實(shí)心取心鉆頭?！皫r心鉆頭”一詞應(yīng)指任一種管狀或空心結(jié)構(gòu)的鉆頭，例如包括傳統(tǒng)取心鉆孔所用的切削工具以及傳統(tǒng)的頂鋸刀或孔鋸。當(dāng)描述一部件時(shí)所用的“軸向“一詞應(yīng)指相對(duì)該部件的一個(gè)方向，該方向基本上平行于如圖1所示的轉(zhuǎn)動(dòng)中心或同心軸線f。類似地，“橫向”或“徑向”應(yīng)指軸向的大致法線方向。
現(xiàn)參見圖中的各細(xì)節(jié)，如圖1所示，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例包括一形成為一般稱為開口巖心鉆頭式的切削鉆頭10。如圖所示，鉆頭10包括一大致圓柱形結(jié)構(gòu)的刀具12。刀具具有一圓環(huán)形切削端14，該圓環(huán)形切削端14包括設(shè)于其上的一排傳統(tǒng)的切削部件16。切削部件16可以包括現(xiàn)有技術(shù)中已知的、任意數(shù)量的切削裝置，例如如圖5所示的通過釬焊、熔接或其它方式固定到環(huán)12上的傳統(tǒng)粘結(jié)式研磨段17。
關(guān)于此請(qǐng)?jiān)賲⒁妶D5，不連續(xù)的研磨段17的數(shù)量及其繞其所安裝在的環(huán)12的邊緣的間隔在一定程度上可隨環(huán)的尺寸、本體尺寸和切削場(chǎng)合而改變。然而，總的來說，對(duì)于直徑約為50至500毫米的巖心鉆頭而言，可采用約2至幾百個(gè)的研磨段17。較小或較大直徑的鉆頭可分別采用較少或較多的研磨段。研磨段17的研磨成份或顆粒可以是這些應(yīng)用場(chǎng)合下通常所采用的任一種形式，可根據(jù)所要切削的材料硬度來選擇磨粒。因而，顆粒可以是氧化鋁、碳化硅、氮化硅和碳化鎢，以及諸如金剛石或立方體氮化硼(CBN)的超研磨成份、礬土、加入晶種或未加晶種的可溶凝膠狀礬土或其它研磨顆粒以及研磨顆?；旌衔?。盡管超研磨成份可用不是很貴的磨粒稀釋，但通常還是以超研磨料為佳。磨料一般保持在金屬粘結(jié)體或基體中，通過在將其結(jié)合到研磨段中之前用諸如鎳的金屬對(duì)顆粒鍍以金屬可增強(qiáng)粘接體的粘接力。金屬基體可以是鈷、鐵、青銅、鎳合金、碳化鎢、硼化鉻或其它金屬、金屬合金或混合物。
因而研磨段17可以具有基本上任何已知的成份，例如包括具有至少兩個(gè)圓周方向隔開區(qū)的研磨段，其中超研磨顆粒在這些區(qū)中交替地分散成高、低密度的超研磨顆粒。此類研磨段揭示在美國專利5,518,443中，本文參考了該專利全文。
研磨段較佳地由傳統(tǒng)熔焊技術(shù)固定到環(huán)12上。如圖5所示，傳統(tǒng)研磨段17總體上具有一基本上細(xì)長或矩形的立方體結(jié)構(gòu)，并且其一條長邊焊接在環(huán)12上。如圖所示，在一巖心鉆頭實(shí)施例中，研磨段17長度方向是弓形的，以使長邊與研磨段所固定的環(huán)12的環(huán)形邊相符。因而研磨段從環(huán)軸向伸出，其量約為其寬度。研磨段的厚度或徑向尺寸C一般地與環(huán)的厚度以及它們所固定的本體一樣或比其大。
能夠用于本發(fā)明的一例研磨段包括70/30(百分比)鈷/青銅混合物制成的粘結(jié)體，并且當(dāng)濃度為(體積百分比)7.5％時(shí)顆粒是30/40和40/50目戴比爾斯(DeBeers)SDA85+鉆石相等成分混合物。各研磨段長度為49.2毫米，徑向或切口尺寸為3.2毫米。
另外，切削部件可包括與環(huán)12形成一體的齒，這些齒可經(jīng)其它處理或未經(jīng)其它處理以增強(qiáng)其硬度或研磨作用。就此而言，切削部件16可包括具有單層研磨顆粒的一體式切削齒，這些顆粒是以美國專利申請(qǐng)08/616,538所揭示的方式以化學(xué)方法粘結(jié)到其上的，本文全文引用了該文獻(xiàn)。以此方式所制造的齒在下文中被稱為“仿形的釬焊單層研磨工具”或者稱為“仿形的切削部件”。
環(huán)12還包括一圓環(huán)形軸配合端或連接端18，如圖所示的，較佳地制成為一雌接頭或插座。配合端18用于可容納地配合一大致圓柱形的非金屬本體、軸或管子24的環(huán)配合端22。配合端22較佳地制成為如圖所示的雄接頭或插頭。
端18和22的尺寸和形狀都制成為可使軸或管子24和環(huán)12同心的、端對(duì)端地保持配合，而具有足夠的結(jié)構(gòu)整體性以承受取心鉆孔或鉆孔應(yīng)用情況下所受到扭矩和軸向負(fù)載，而不會(huì)出現(xiàn)滑移或破裂。而且，端18和22較佳地在其配合位置上采用預(yù)定的粘接劑或粘合劑相互粘接(如下文所述)。
非金屬軸24可從環(huán)配合端22伸出一段預(yù)定的軸向距離，并且在以傳統(tǒng)開口式巖心鉆頭為特點(diǎn)的方式而開口的后端25處終止。后端25用于容納一般開口式金屬本體巖心鉆頭所用的固定件(未圖示)，而將鉆頭固定到一傳統(tǒng)巖心鉆機(jī)的鉆機(jī)馬達(dá)或驅(qū)動(dòng)器(未圖示)上。
就此而言，在鉆孔操作過程中，鉆頭10是繞同心軸線或轉(zhuǎn)動(dòng)軸線f轉(zhuǎn)動(dòng)的，這樣切削部件排16將形成一個(gè)內(nèi)徑為dI和外徑為d0的假想圓柱體，這將在下文中更詳細(xì)地討論。
在如圖所示的一個(gè)較佳實(shí)施例中，環(huán)12和管24子各自都具有內(nèi)徑和外徑，它們分別形成預(yù)定的壁厚t1和t2。除了配合端18和22這外，壁厚t1和t2在管子和刀具的長度或軸向是大致均勻的。配合端18和22各自分別由環(huán)12和管子24的逐級(jí)變徑部分構(gòu)成。從這點(diǎn)上來說，環(huán)和管子的配合端具有預(yù)定壁厚t3和t4，它們基本上分別比壁厚t1和t2薄。
壁厚t1、t2、t3和t4都是預(yù)定的，以使配合端18和22的圓柱形表面34和36可以從干涉到滑動(dòng)配合變化的方式而相互配合，同時(shí)最好為在其間施加粘結(jié)材料而提供足夠的間隙。
如圖所示，臺(tái)階26和28以及端面30和32都基本上分別軸向垂直地延伸。以此方式，在切削作業(yè)過程中配合的臺(tái)階和端面可在環(huán)12和管子24之間傳遞鉆頭的軸向負(fù)荷，從理論上說不傳遞其徑向的負(fù)荷分量。在此情況下，匹配的臺(tái)階和端面都與軸向呈斜角，軸向負(fù)荷會(huì)對(duì)徑向靠近其環(huán)配合端22的管子24產(chǎn)生不利的影響。
表面34和36較佳地具有基本上相同的軸向尺寸，這樣當(dāng)配合端18和22完全配合時(shí)，臺(tái)階26和28以及端面30和32可相互對(duì)應(yīng)地面對(duì)面接合。而且這些軸向尺寸都是預(yù)定的以在表面34和36之間提供足夠的接觸，并且與壁厚t1、t2、t3和t4尺寸結(jié)合基本上可防止鉆頭10在傳統(tǒng)的取心鉆孔操作業(yè)中所有的鉆頭(WOB)負(fù)荷的軸向負(fù)荷或重量作用下彎曲或彎折。此WOB量一般落在近似50-500千克的范圍內(nèi)。
關(guān)于上述內(nèi)容，壁厚可隨鉆頭10平均直徑的增加而增加。以下表格I提供了市售的以鋼材為本體的巖心鉆頭中所采用的有代表性的壁厚。環(huán)12和聚合物制成的管子24的壁厚t1、t2最好采用相同的壁厚。表I.多種巖心鉆頭尺寸的有代表性的巖心鉆頭管壁厚度
非金屬管24的壁厚t4較佳地近似壁厚t2的一半至三分之二。環(huán)12的壁厚t3的尺寸是使其表面34能夠如上所述與表面36滑動(dòng)配合。
環(huán)12最好由一種普通的金屬材料制成、如鋼，并且采用任一種方便的工藝制造，如機(jī)加工、擠壓成型或鑄造。在一個(gè)較佳實(shí)施例中，環(huán)12是以制造傳統(tǒng)巖心鉆頭的方式制造而成的，其管子配合端18加工成具有壁厚t3。
非金屬管24可用多種材料制成，例如塑料、塑料合成物、木質(zhì)復(fù)合物、陶瓷、陶瓷復(fù)合物和組合物、填充有金屬顆?；蛱沾深w粒的塑料、聚氯乙烯(PVC)、丙烯酸樹脂、玻璃纖維加強(qiáng)塑料(GFRP)以及聚酰胺(尼龍)。在本說明書中，“玻璃纖維加強(qiáng)塑料”或“GFRP”應(yīng)被理解為基本上包括任何塑料粘結(jié)體或基體材料，例如包括用玻璃纖維加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂。類似的，“纖維加強(qiáng)的塑料”應(yīng)被理解為包括任一種塑料粘結(jié)體或基體材料，包括用任一種適用材料、例如碳素纖維、玻璃、聚丙烯腈(PAN)纖維和其混合物加強(qiáng)的環(huán)氧樹脂。
總的來說，用于制造管24的較佳非金屬材料包括熱固性或熱塑性聚合物以及其加強(qiáng)復(fù)合物。以下表格II列出了可采用的許多熱固性和熱塑性聚合物中的一部分。表II.用于制造工具本體的聚合物材料和加強(qiáng)材料<
>已經(jīng)對(duì)由上述幾種材料制成的巖心鉆頭10的實(shí)例進(jìn)行了試驗(yàn)，并且已發(fā)現(xiàn)其性能與傳統(tǒng)的金屬巖心鉆頭相比不相上下，下文中將對(duì)其更詳細(xì)的討論。
管子24可以用任一種傳統(tǒng)的方法制造，例如，模塑、機(jī)械加工或擠壓成型。例如，管24可以擠壓成型，隨后對(duì)環(huán)配合端22進(jìn)行機(jī)械加工以形成壁厚t4。
可采用多種粘結(jié)劑將環(huán)12粘接到管24上。在采用PVC制成的管子24的一例中，在組裝之前，可將從馬塞諸塞州列克星頓市維里安真空產(chǎn)品公司(Varian Vacuum Products)購得的指定商標(biāo)為Torr-seal的環(huán)氧樹脂和硬化劑混合物均勻地施涂到管子配合端18和環(huán)配合端22的配合表面上，以將兩個(gè)端部相互配合地粘結(jié)。雖然此顆粒狀樹脂是使用效果很好的，但還可采用多種其它的粘結(jié)劑將金屬環(huán)連接到聚脂管上?？筛鶕?jù)所要連接的具體材料來選擇粘結(jié)劑。其它一些基本上適用于將金屬連接到(在此所采用的)多種塑料材料上的粘結(jié)劑實(shí)例包括尿烷、氯丁橡膠、腈、聚酰胺、聚酯以及氰丙烯酸鹽粘結(jié)劑。采用加熱和加壓以將金屬和塑料連接在一起的熔融疊層方式也可用于將金屬環(huán)連接到管子上。本技術(shù)領(lǐng)域中普通技術(shù)人員所熟悉的其它連接方法包括機(jī)械互鎖技術(shù)、在現(xiàn)場(chǎng)將管子與金屬環(huán)注塑成型在一起以及這些方法的組合。例如，金屬環(huán)可以與圖9所示的類似方式用鍵固定。用此方式，環(huán)可與塑料本體中所設(shè)的缺口互鎖，或者與塑料本體模塑成一體。另外，金屬環(huán)可以是穿孔和整體地模制到塑料本體上。
而且，參見圖9所示，在另一個(gè)實(shí)施例中，本發(fā)明包括一切削工具410，該工具可有效地省略刀具12的金屬環(huán)部分，而是采用一由全部切削部件或研磨段417構(gòu)成的刀具412。如圖所示，研磨段417一條邊上制有鍵用以提供一系列如圖所示的用于互鎖和/或整體地模制到塑料本體424上的鍵60。用此方式，鍵60最好包括刀具412的連接端418，如圖所示地用于與本體424的刀具配合端422配合。
現(xiàn)參見圖2-4，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例包括一象傳統(tǒng)閉口式巖心鉆頭一樣制成的塑料本體的鉆頭110。參見圖2，鉆頭110的構(gòu)造基本上與開口式鉆頭10類似，只是通過用一后端連接件38將后端25封閉而形成了一封閉端126。
后端連接件38包括一細(xì)長的用于容納在后端25中的管狀部40。一插入件保持凸緣42在其一端徑向向內(nèi)伸，同時(shí)軸向擠壓凸緣44從其另一端徑向向外延伸。凸緣42用于配合帶螺紋的插入件48的前表面46并在受到上述軸向擠壓負(fù)荷時(shí)防止其間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。凸緣44用于配合后端25的端面50用以類似地阻止其間的軸向運(yùn)動(dòng)。
插入件48用于螺合接納通常所用的傳統(tǒng)適配件52，而將閉口式巖心鉆頭固定到巖心鉆機(jī)(未圖示)上。
現(xiàn)參見圖4，插入件48具有一大致圓柱形的外表面54，用于同心地、面對(duì)面與管24配合。然而，內(nèi)表面56具有一非圓環(huán)形(如圖所示大致為方形)的橫截面，其尺寸和形狀適于容納面對(duì)面配合的插入件48。本技術(shù)領(lǐng)域中的熟練人員可以認(rèn)識(shí)到，這一非圓環(huán)形構(gòu)造可有效地起到阻止插入件48和連接件38之間由于在鉆孔過程中作用于其間的扭轉(zhuǎn)力而產(chǎn)生的滑移。然而，只要工具在所需的鉆孔作業(yè)中是有效的，也可采用圓環(huán)形構(gòu)造。
連接件38較好地用與管24相同的材料和類似的方式制成。例如在一個(gè)試驗(yàn)中，連接件38是用固體PVC塊加工而成的。連接件可以與管子24完全配合的方式粘結(jié)，其中凸緣44與端面50配合，并采用上文所述的適于塑料與塑料相粘結(jié)的那類粘結(jié)劑來粘結(jié)。
插入件48以與環(huán)12所采用相同方式和材料制成。插入件以上文所述的將環(huán)12粘結(jié)到管24上的方式插入并固定到連接件38中(如圖2所示)。在一個(gè)較佳實(shí)施例中，插入件是采用如上文所述的粘結(jié)劑粘結(jié)在位的。
因而，此結(jié)構(gòu)可有利地將鉆頭110固定到適配件52上，并且具有足夠的強(qiáng)度以阻止扭矩和軸向力作用到傳統(tǒng)的取心鉆孔操作中，從理論上說不存在作用于管24的徑向力。就此而言，傳統(tǒng)的鋼制本體巖心鉆頭一般可采用壓配連接方式固定到鉆機(jī)馬達(dá)的適配件上，該壓配連接可以起到將徑向向外壓力作用于管子內(nèi)表面上的作用。本發(fā)明是采用徑向延伸、而非相對(duì)軸向傾斜延伸的凸緣42、44，因而可有利地傳遞軸向WOB負(fù)荷，而理論上不存在徑向負(fù)荷。
根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合和所采用塑料材料，本發(fā)明的管子24在作業(yè)使用中會(huì)磨損，因而壁厚減少到一定程度。然而，如圖6和7所示，這一現(xiàn)象將會(huì)得到補(bǔ)償而使其任何潛在的不利影響最小或?qū)⑵溆行У乇苊狻⒁妶D6，鉆頭10采用切削部件16，以與傳統(tǒng)巖心鉆頭一樣的方式，它一開始具有一大于管子24壁厚b的徑向尺寸a。因而，在鉆頭繞其同心軸線f(圖1)作上述轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中所形居的假想圓柱體將具有一內(nèi)徑dI(圖1)和一外徑d0(圖1)，它可有效地在管壁任一側(cè)上形成一間隙dl(圖6)。此間隙將使管子24和切口之間的研磨作用和/或結(jié)合減少而保持切削效率。
傳統(tǒng)的切削部件16、特別是那些被做成為傳統(tǒng)的損耗磨削片的切削部件會(huì)在使用過程中徑向磨損，其徑向尺寸a會(huì)減小。這一磨損可有效地使間隙dl減小。因而，在一采用鋼制本體的標(biāo)準(zhǔn)巖心鉆頭中，壁厚b定為盡可能的小，只要能夠獲得具有足夠結(jié)構(gòu)整體性的鉆頭即可。此最小的壁厚甚至在實(shí)際上研磨段磨損之后仍可保持足夠的間隙dl，以有效地延長巖心鉆頭的可使用壽命。由于鋼材在切削操作過程中磨損不明顯，所以將管子制成為具有此最小厚度是理想的。
現(xiàn)參見圖7，本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例包括一聚合物本體鉆頭210，該鉆頭基本上與鉆頭10和110類似，只是塑料管224相對(duì)較厚。如圖所示，管子224具有一預(yù)定的初始壁厚c，該壁厚確定為可補(bǔ)償由在鉆孔操作過程中由于磨損所減少的量。如圖所示，以此方式，壁厚c可一開始就比一類似鋼制本體、如厚度b(圖6)厚，但仍小于研磨段寬度a(例如c＜a)，以提供相對(duì)于一新的(未磨損)研磨段16而言的足夠的間隙d2。研磨段隨后的磨損將伴隨著管子224的磨損，以有效地保持在鉆孔過程中有足夠的間隙d2。這將有利地使鉆頭210使用壽命較長，當(dāng)徑向尺寸a降低時(shí)理論上不存在粘結(jié)危害，只要管壁磨損速度與研磨段厚度的磨損相等或較大。所述的另一種方法，dc/dt應(yīng)大于或與da/dt相等，其中dc/dt是聚合物壁的磨損速度，da/dt是研磨段厚度的磨損速度。
已經(jīng)通過用由四種聚合材料制成的巖心鉆頭在混凝土塊中鉆孔來進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)是在20安培恒定電流、600轉(zhuǎn)/分鐘主軸速度以及1加侖/分鐘(3.8升/分鐘)冷卻液流速條件下進(jìn)行的。用于試驗(yàn)的混凝土塊用以下混合物和設(shè)計(jì)方式制成配料成分 重量％水泥 17花崗石粒料(3/4”或2厘米平均尺寸) 40沙34水9混凝土澆鑄塊長36”(91.4厘米)、寬18”(45.7厘米)以及高12”(30.5厘米)。各混凝土塊澆鑄有5/8”(1.6厘米)直徑的鋼筋(60千帕，41×103牛頓/厘米2鋼材)。澆鑄出混凝土塊并在一霧室中固化28天?；炷翂K的擠壓強(qiáng)度是7千帕(4.8×103牛頓/厘米2)。
可用于制造所試驗(yàn)的巖心鉆頭的四種聚合材料包括PVC、丙烯酸樹脂、尼龍和玻璃纖維加強(qiáng)塑料(GFRP)。記錄下來的用于聚合物本體鉆頭的壁厚用性能數(shù)據(jù)表示。以下表格III簡(jiǎn)要?dú)w納了各聚合物材料的鉆頭性能。研磨段磨損性能、本體壁厚磨損、貫穿速度(ROP)、鉆頭上的平均重量(WOB)和鉆頭上的最大重量都是為各個(gè)實(shí)例提出的。還給出了一種典型的金屬本體巖心鉆頭的對(duì)應(yīng)值。表III.對(duì)多種聚合物巖心鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)的簡(jiǎn)要情況。
*研磨段發(fā)生每毫米磨損時(shí)所鉆的米數(shù)試驗(yàn)結(jié)果顯示所有聚合物鉆頭在大致上可接受的范圍內(nèi)作業(yè)時(shí)不會(huì)發(fā)生故障。而且，采用尼龍本體的巖心鉆頭，安裝到其的切削部件或研磨段都與安裝到金屬本體的巖心鉆頭的那些構(gòu)件或研磨段相同。因而，在此情況下，這些研磨段磨損性能和這些鉆頭的貫穿速度的直接比較顯示尼龍本體巖心鉆頭的性能與金屬本體鉆頭的性能不相上下。其它的巖心鉆頭采用代表傳統(tǒng)切削應(yīng)用的切削部件，但與安裝到金屬本體上的不同。因而，研磨段磨損特性的直接比較可能是沒用的。
已經(jīng)對(duì)多個(gè)具有金屬本體和聚合物本體的4”(10.2厘米)直徑巖心鉆頭秤重用以確定采用一聚合物本體的巖心鉆頭所節(jié)省的重量。以下表格IV簡(jiǎn)要?dú)w納了測(cè)定結(jié)果。如表所示，聚合物本體巖心鉆頭比可比的鋼制本體鉆頭輕50％。而且，可以認(rèn)識(shí)到聚合物本體巖心鉆頭的重量通過減少聚合物本體鉆頭金屬部分的尺寸還可以進(jìn)一步減少。表格IV.截面直徑為4”(10.2厘米)的巖心鉆頭的鋼制本體和聚合物本體的重量比較。<
如上所示的，本發(fā)明可用于與整體式刀齒組合，例如，上述的仿形切削部件。對(duì)具有仿形切削部件的金屬和聚合物本體的巖心鉆頭在煤渣塊中進(jìn)行試驗(yàn)。煤渣塊可以是與上述所述類似的磚塊，但具有細(xì)粒料(小于0.25英寸或0.64厘米)。試驗(yàn)可在20安培恒定馬達(dá)電流、600轉(zhuǎn)/分鐘主軸轉(zhuǎn)速以及1加侖/分鐘(3.8升/分鐘)冷卻液(水)流速條件下進(jìn)行的。記錄下鉆頭磨損性能、貫穿速度(ROP)、鉆頭上的平均重量(WOB)、鉆頭上的最大重量和金屬、聚合物管壁的磨損性能。以下表格V簡(jiǎn)要?dú)w納了鉆頭的性能。
尼龍本體仿形切削部件鉆頭的壽命可與鋼制本體鉆頭相比。尼龍鉆頭的ROP不是比鋼制本體仿形切削部件鉆頭略好一點(diǎn)就是相類似。數(shù)據(jù)表示尼龍本體巖心鉆頭的性能不是比金屬本體仿形切削部件鉆頭略好一點(diǎn)就是不相上下。鉆頭上的重量(WOB)數(shù)據(jù)顯示尼龍本體鉆頭承受的負(fù)荷與金屬本體鉆頭類似且能毫無困難地良好運(yùn)行。先前所做的對(duì)不同聚合物管子的試驗(yàn)表明多種聚合物管子可執(zhí)行與鋼制管子一樣的功能。因而，可以預(yù)期除了尼龍管之外的聚合物管也可成功地用于仿形切削部件工具。表格V.對(duì)聚合物和鋼制本體仿形切削部件巖心鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)的簡(jiǎn)要情況
研磨段每毫米磨損量所鉆的米數(shù)監(jiān)測(cè)了鋼管截面和聚合物截面的磨損量?？梢园l(fā)現(xiàn)，在鉆頭的整個(gè)使用壽命過程中，尼龍管壁總共磨損掉0.013”(0.03厘米)，同時(shí)鋼管壁磨損掉大約0.004”(0.01厘米)。雖然聚合物管的磨損量較高，但尼龍管具有足夠的厚度來承受鉆頭整個(gè)壽命過程中在鉆孔時(shí)所受到的應(yīng)力。
如以下表格VI所示，聚合物仿形切削部件巖心鉆頭的重量完全可以與一傳統(tǒng)的鋼制本體仿形切削部件巖心鉆頭相比。表格VI.鋼制本體和聚合物本體仿形切削部件巖心鉆頭的重量比較。
仿形切削部件鉆頭具有一由鋼材制成的重端連接件。通過用聚合物材料替換其至少一部分可減少其重量(在分段式鉆頭情況下)。這就可進(jìn)一步明顯地減少聚合物鉆頭的重量。
除了上述空心鉆頭實(shí)施例之外，還可以考慮采用一傳統(tǒng)的實(shí)心巖心鉆頭來實(shí)施本發(fā)明。就此而言，請(qǐng)參見圖8，圖中示出了本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例鉆頭310。鉆頭310制成為一般用于在諸如木材、金屬、塑料、磚塊、砌石等材料中進(jìn)行鉆孔操作的傳統(tǒng)實(shí)心巖心鉆頭。如圖所示，鉆頭310基本上與鉆頭10類似，只是塑料軸324基本上是實(shí)心的，切削部件316包括與傳統(tǒng)實(shí)心巖心鉆頭同樣類型的螺旋螺紋。就此而言，螺旋螺紋的切削部件316可包括釬焊到鉆頭上的碳化鎢插入件，鋼制(用于高速鉆孔操作)或例如采用金剛石研磨料的前述仿形切削部件。
如上所述以及如先前試驗(yàn)數(shù)據(jù)所顯示的本發(fā)明產(chǎn)生的效果是在以上也提及的現(xiàn)有技術(shù)揭示范圍中所意想不到和非顯而易見的。就此而言，如以上所討論的那樣，塑料材料將特別易于研磨。在取心鉆孔或鉆孔應(yīng)用情況下，鉆頭主體在整個(gè)切削作業(yè)過程中保持在切口或鉆孔中。這與圓盤切削作業(yè)相反，在圓盤切削作業(yè)中，刀具每轉(zhuǎn)中僅一部分刀刃位于切口中。則會(huì)預(yù)期這相對(duì)地增加了的主體與切口在作業(yè)過程中的接觸會(huì)增加潛在的研磨作用和塑料本體的發(fā)生故障的可能性。然而，如本文所述，此作用是理論上的，或者能夠被充分地得到補(bǔ)償?shù)摹?br> 由于與磨屑接觸時(shí)間長，另一種不利于聚合物本體切削鉆頭成功的因素是研磨作用。如以上所討論的，理論上圓盤形刀刃僅外圓周與磨屑接觸。相反，在取心鉆孔或鉆孔作業(yè)過程中，磨屑將留在切口中，而在切削操作的持續(xù)過程中始終與圓柱體的相當(dāng)大部分接觸。然而，此因素在許多應(yīng)用情況下意想不到被證明僅是理論上的，而是能夠被如上所述的補(bǔ)償?shù)摹?br> 本發(fā)明的另一個(gè)方面是認(rèn)識(shí)到與以上所述現(xiàn)有盤形刀刃相反，本發(fā)明可獲得足夠的結(jié)構(gòu)整體性，而無需采用纖維加強(qiáng)來加強(qiáng)塑料材料。實(shí)際上，鉆頭10可以令人滿意地工作而不存在彎曲或扭轉(zhuǎn)失靈，即使當(dāng)鉆頭在試驗(yàn)鉆孔過程中被咬住而受到鉆機(jī)的最大扭矩作用時(shí)亦如此。這些效果在考慮到鉆孔作業(yè)過程中巖心鉆頭所受到恒定應(yīng)力時(shí)也是意想不到的。
如上所述，本發(fā)明聚合物管承受了巖心鉆頭所經(jīng)受的典型應(yīng)力。然而，也如同以上所述，聚合物管的壁可使磨損得比鋼質(zhì)相對(duì)部分快。尤其是，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用特別堅(jiān)固、優(yōu)質(zhì)的研磨段時(shí)，聚合物管耐用時(shí)間與研磨段不同。在鉆孔過程中所產(chǎn)生磨屑會(huì)磨損聚合物管壁，過了一段時(shí)間之后，壁厚會(huì)減少到超出該程度聚合物不能用于鉆孔的一定程度。
已采用幾個(gè)措施來解決此一問題。一個(gè)措施是改變切削部件或研磨段16的厚度以及上述管24、224的壁厚，這樣管子就可以比研磨段耐用。另一個(gè)措施是通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚砘蚱渌淖兤涑煞莸姆椒▉硖岣呔酆衔锕艿哪湍バ阅堋?br> 后一個(gè)改變聚合物材料成份的措施已經(jīng)顯示出可顯著地提高聚合物管的使用壽命以有效地提供質(zhì)輕、價(jià)廉的非金屬本體巖心鉆頭，該鉆頭能夠承受如金屬本體巖心鉆頭所經(jīng)受的應(yīng)力和惡劣環(huán)境。有利的是，可在聚合物本體鉆頭上采用一般用于金屬本體鉆頭的傳統(tǒng)切削部件或研磨段16。
聚合物管24的這樣一種變型已被用到如圖10所示本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例、鉆頭100中。鉆頭100包括分別設(shè)于管子24內(nèi)、外表面64、66上的諸層60、62。諸層60、62包括一種耐磨材料，如細(xì)陶瓷或金屬顆粒/粉末，亦即、礬土、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳化鎢、氮化硼或金屬(或合金)粉末。適合的金屬顆粒實(shí)例包括鐵、鎳、鈷、鋼、青銅和鎳合金。適合的陶瓷包括SiC，SiO2，WC，Al2O3和Co-WC。也可采用纖絲狀或纖維狀的這些材料或玻璃、石英或碳素纖維。平均顆粒尺寸(直徑)在10-500微米(μm)范圍中的顆粒用于本發(fā)明是較佳的，也可采用任何尺寸的顆?；蚶w維，只要它們可粘到管子表面上并且具有足夠的機(jī)械粘結(jié)強(qiáng)度以承受鉆削力。
諸如碳化硅、傳統(tǒng)礬土、礬土-二氧化鋯(Norzon)或MCA研磨顆粒用于此都是較佳的。如本文所采用的，標(biāo)號(hào)“MCA”指加晶種或未加晶種的可溶凝膠狀礬土研磨顆粒，包括微晶體礬土。MCA顆?？刹捎靡韵鹿に囍瞥桑摴に嚢ㄊ箚嗡涎趸嗕X溶液膠溶而形成一凝膠，同時(shí)使該凝膠干燥并燒結(jié)、然后弄碎、過篩以及選出所需尺寸的燒結(jié)凝膠以形成由α礬土微晶體(例如至少有約95％的礬土)所制成的多晶體顆粒。除了α礬土微晶體外，初始凝膠還可包括重量多達(dá)15％的尖晶石、高鋁紅柱石、氧化錳、鈦、氧化鎂、稀土金屬氧化物、氧化鋯粉或氧化鋯先質(zhì)(它們可大量加入，例如40％或更多)，或者其它兼容添加劑或其先質(zhì)。通常含有這些添加劑以改變諸如斷裂剛度、硬度、脆度、斷裂機(jī)械性能或干燥特點(diǎn)等特性。已經(jīng)報(bào)導(dǎo)出許多改性的α礬土溶膠顆粒。這一級(jí)別中的所有顆粒在此都適用，并且MCA顆粒一詞限定為包括含有至少60％α礬土微晶體的任何顆粒，該微晶體具有至少95％的理論密度和在500克時(shí)至少為18Gpa的維氏硬度(500克)。微晶體尺寸一般用于種晶顆粒時(shí)在大約0.2至大約1.0微米范圍中，用于未種晶顆粒時(shí)為1.0至大約5.0微米。
一旦凝膠形成，可采用傳統(tǒng)方法成形，如壓制、模制或擠壓成型，然后再仔細(xì)干燥以產(chǎn)生所需形狀的無裂紋體。
在成形之后，可對(duì)干燥的凝膠進(jìn)行煅燒以根本上去除所有揮發(fā)性物質(zhì)并且將多種顆粒成份轉(zhuǎn)變成陶瓷(金屬氧化物)。通常對(duì)干燥凝膠進(jìn)行加熱，直至除去自由水份和大部分受約束的水份。然后通過加熱使煅燒材料燒結(jié)，并且保持在適當(dāng)溫度范圍中，直至基本上所有單水合氧化鋯鋁轉(zhuǎn)變成α礬土微晶體。
如前所述，溶膠礬土可種晶或不種晶。對(duì)于種晶礬土，故意將成核點(diǎn)引入單水合氧化鋯鋁分散體中或就在其中形成一成核點(diǎn)。在分散體中存在成核點(diǎn)可降低α礬土形成的溫度并且產(chǎn)生一極細(xì)的晶體結(jié)構(gòu)。
在本技術(shù)領(lǐng)域中已知有許多適用的晶種。一般它們都具有一晶體結(jié)構(gòu)以及盡可能與α礬土接近的晶格參數(shù)。
還可采用未種晶溶膠礬土磨料。此磨料可采用上述相同的工藝制成，只是不引入晶種顆粒。還可以向溶液或凝膠添加足夠多的稀土金屬氧化物或其它先質(zhì)，以在燒結(jié)后使稀土金屬氧化物至少重約0.5％、較佳地重約1至30％。
可用于本發(fā)明的溶膠礬土研磨顆粒和纖維都揭示在美國專利4,314,827、4,623,364和5,129,919中，本文援引其全文。
各涂層60和62的具體成份可相互不同，或者它們可基本相同以有利于簡(jiǎn)化其應(yīng)用。在另一個(gè)實(shí)施例中，僅對(duì)管子的一個(gè)表面進(jìn)行涂覆。例如，可僅在外表面66上施加保護(hù)涂層62。在鉆孔過程中一般對(duì)管子內(nèi)部施以流水以顯著地降低內(nèi)表面磨損。實(shí)際上，在以下所述的幾個(gè)磨損試驗(yàn)中，耐磨涂層僅施加到外表面66上。如果兩個(gè)表面都涂覆，聚合物鉆頭的壽命當(dāng)然會(huì)更長。
在一個(gè)實(shí)施例中，顆粒層可以用粘結(jié)材料保持在表面64和66上。例如，陶瓷/金屬粉末可與環(huán)氧樹脂粘結(jié)劑混合并且施加到管子表面上。當(dāng)固化時(shí)，粘結(jié)劑可將陶瓷/金屬顆粒粘在管子上以形成耐磨層60和62。與未涂覆的聚合物管相比，這樣處理已經(jīng)顯示出可明顯地增加耐磨強(qiáng)度以及管子的使用壽命，并且已經(jīng)顯示出能夠使管子的使用壽命超過研磨段。
作為粘結(jié)劑的一種替換形式，可以在表面64和66中嵌入耐磨粉以形成諸層60和62。通過加熱顆粒、然后以適當(dāng)?shù)臎_擊速度將其噴涂到管表面上就可嵌入。加熱的顆粒在沖擊時(shí)將使聚合物軟化且其本身可嵌入表面。當(dāng)冷卻時(shí)，聚合物將硬化并抓住顆粒。一種將顆粒嵌在聚合物管24表面中的類似的可用方法是將管子加熱到預(yù)定溫度以使表面64和66軟化，然后將陶瓷/金屬顆粒以預(yù)定速度噴涂到這些表面上。顆粒將嵌在表面中，并且，當(dāng)冷卻時(shí)，表面64和66將抓住顆粒以形成層60和62?？刂魄度脒^程和涂覆質(zhì)量的關(guān)鍵因素包括(a)表面準(zhǔn)備-清潔和脫脂、(b)顆粒尺寸、(c)顆粒溫度、(d)顆粒速度以及(e)聚合物溫度。
在用顆粒嵌入表面之前，應(yīng)當(dāng)去除聚合物表面的油漬、油脂和其它表面雜質(zhì)。這些表面雜質(zhì)的存在可能對(duì)顆粒與聚合物表面的粘性產(chǎn)生不利的影響。清潔和脫脂可以通過擦拭、刮擦、鋼絲刷、機(jī)械加工、吹去磨?；蛑T如溶劑清潔的化學(xué)作用來進(jìn)行。
顆粒和聚合物溫度的選擇以及噴涂速度是根據(jù)顆粒的具體熱量、聚合物的具體熱量、玻璃過渡溫度或聚合物軟化溫度以及顆粒熔融點(diǎn)來確定的?？偟膩碚f，高溫/較軟聚合物將要求低噴涂速度，而低溫/較硬聚合物將要求較高噴涂速度。
當(dāng)嵌入加熱的顆粒時(shí)，應(yīng)選擇顆粒溫度以使在沖擊時(shí)顆粒會(huì)使一定量的聚合物(一般為顆粒體積的1至10倍)加熱到超出其玻璃過渡溫度的一個(gè)溫度。顆粒溫度還最好低于其熔點(diǎn)的一半以避免顆粒在沖擊時(shí)變形。從數(shù)學(xué)上來說，這些狀況可用以下公式表示mCp，顆粒(T顆粒-T環(huán)境)＝Vd聚合物Cp，聚合物(Tg-T環(huán)境)+熱量損耗T顆粒＜0.5Tm其中，m是顆粒質(zhì)量，Cp是具體熱量，T是溫度，V是將被加熱以嵌入顆粒的聚合物體積，d聚合物是聚合物的密度，Tg是聚合物的玻璃過渡溫度，以及Tm是顆粒的熔點(diǎn)?？蛇x擇顆粒尺寸(確定顆粒質(zhì)量，4πr3d顆粒/3)與顆粒溫度的組合以滿足這些條件。實(shí)際上，當(dāng)顆粒尺寸給定時(shí)，顆粒溫度可在Tg＜T顆粒＜0.5Tm范圍中變化?？紤]到用于聚合物管的聚合物范圍和可用作顆粒的各種金屬、合金和陶瓷，顆粒的溫度范圍為100℃至2000℃，較佳地為120℃至1000℃，最好為150℃至600℃。
可選擇顆粒尺寸以使所需的顆粒溫度是實(shí)際可行的。顆粒尺寸還可以由鉆孔過程中所產(chǎn)生的磨粉漿中混凝土顆粒尺寸表示?？梢哉J(rèn)識(shí)到，陶瓷/金屬顆粒大約三分之二將嵌在聚合物中以保證其在鉆孔操作過程中不掉出來。其余三分之一將露出表面。顆粒尺寸較佳地是磨粉漿中混凝土顆粒尺寸的至少三倍。這可通過限制混凝土顆粒同時(shí)與聚合物管壁和被鉆孔的混凝土塊壁接觸而減少聚合物磨損量。作為上限，顆粒伸出量應(yīng)不大于管壁和混凝土壁之間的間隙(由研磨段所構(gòu)成的)。當(dāng)考慮到這些因素以及被鉆孔的材料范圍，可以了解較佳的顆粒尺寸是在約10至500微米范圍中。
應(yīng)當(dāng)選擇顆粒速度以使顆粒的動(dòng)能大于使聚合物表面變形所需的能量。因而顆粒速度將隨聚合物種類和其屈服強(qiáng)度、顆粒質(zhì)量以及顆粒溫度而改變?？梢灶A(yù)期到，適當(dāng)?shù)念w粒速度將在每秒幾米至每秒幾百米范圍內(nèi)。
聚合物起始溫度可以是環(huán)境溫度，或者可將聚合物略為加熱以便施行嵌入工藝。在另一種情況下，在嵌入過程中不允許聚合物的溫度增加到超出其玻璃過渡溫度以避免損壞管子(如下所述)。
當(dāng)顆粒嵌入到一加熱的聚合物表面時(shí)，顆粒溫度可保持在環(huán)境溫度或者可加熱到聚合物玻璃過渡溫度。加熱顆粒將保證聚合物在顆粒沖擊時(shí)被不冷卻，因而不會(huì)限制聚合物的變形能力。工作溫度T為T環(huán)境＜T＜Tg，聚合物顆粒尺寸的考慮與上述用于嵌入加熱顆粒的那些考慮類似。
不希望顆粒速度與嵌入加熱顆粒時(shí)一樣高，這是因?yàn)榫酆衔锉砻姹患訜岵⑶腋鬃冃?。顆粒速度希望在幾米/秒至10米/秒范圍中。
聚合物溫度應(yīng)當(dāng)適合于在顆粒沖擊下變形。一般希望將表面溫度保持得盡可能高，但又不達(dá)到玻璃過渡溫度。將聚合物加熱到玻璃過渡溫度顯然會(huì)破壞管子并且可能使其沒用。另一方面，太低的溫度無法使其基本上局部變形而嵌入顆粒。用于該方法的一實(shí)際工作溫度T為0.5Tg，聚合物＜T＜Tg，聚合物熟練的技工應(yīng)認(rèn)識(shí)到，不脫離本發(fā)明的精神和范圍，還可采用適用的方法將顆粒嵌在聚合物本體表面中。例如，管子和/或顆粒可壓制或模制到聚合物管的表面64和/或66上。一適當(dāng)?shù)哪＞叩哪＞弑砻婵赏坑蓄w粒，然后將管子插入該模具中且加熱以使顆粒嵌入管表面。而且，切削部件16可以類似方式施加到聚合物上，例如放入一適當(dāng)?shù)哪＞咧?，并且隨后將聚合物管插入。在此情況下，可采用一整體式模具來同時(shí)嵌入顆粒和安裝切削部件16。因而用陶瓷/金屬層60和62改性的管表面64和66可具有比未改性聚合物管更強(qiáng)的耐磨強(qiáng)度。
將顆粒嵌入聚合物管表面的另一種方法是采用多種傳統(tǒng)的熱噴涂或等離子噴涂技術(shù)對(duì)聚合物表面噴涂顆粒。例如，可改變已知的熱噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)以允許陶瓷/金屬顆粒合適地粘結(jié)到聚合物管表面，同時(shí)保證管子的結(jié)構(gòu)整體性不會(huì)受到危害使之不再能用于取心鉆孔作業(yè)。傳統(tǒng)熱噴涂層的幾個(gè)實(shí)例在《ASM表面加工手冊(cè)》(R.C.托克爾著，1994年俄亥俄州原料帕克的ASM國際出版)第5卷第497-509頁中有所討論，該章節(jié)名為“熱噴涂層”。
已經(jīng)研發(fā)出多種熱噴和等離子噴涂技術(shù)以涂覆多種材料而形成金屬、陶瓷和金屬陶瓷(一種金屬陶瓷成份)涂層。這些包括粉末火焰噴涂、金屬絲火焰噴涂、陶瓷棍噴涂、雙金屬絲電弧噴涂、非傳導(dǎo)的等離子噴涂、高速氧化燃料噴涂、爆燃槍和超-D槍噴涂?？刹捎眠@些技術(shù)中的任一種對(duì)聚合物進(jìn)行涂覆以形成耐磨層，只要聚合物沒有加熱到超出玻璃過渡溫度并仍可用。
象上述的嵌入技術(shù)一樣，聚合物表面應(yīng)被脫脂和清潔以保證涂層可良好地粘結(jié)到聚合物上。另外，可采用傳統(tǒng)的表面鑿毛工藝來提高涂層到表面的粘性。表面鑿毛可通過磨粒噴吵或螺紋鑿毛或兩種方法的結(jié)合而進(jìn)行。涂覆工藝較佳地可在表面清潔和鑿毛工藝之后立即進(jìn)行。
在以下的表格VII中給出了熱噴/等離子噴涂技術(shù)的工藝參數(shù)。該表格提供了有關(guān)可用不同工藝所獲得的典型涂層的信息資料，還包括基體溫度和顆粒速度的較佳范圍。如表格中所示出的，這些工藝所采用的基體溫度落在可用于多種聚合物的范圍中。這些條件對(duì)于特定聚合物和涂層材料是最佳的。表格VII.熱噴工藝和典型工藝條件

作為另一種對(duì)聚合物管表面(多個(gè)表面)進(jìn)行涂覆的方式，管子本身可由加強(qiáng)聚合物或由包含與上述顆粒類似的所述金屬或陶瓷顆粒、晶須、切斷的纖維或細(xì)絲的聚合物成份制成，其中諸如有具有極高耐磨強(qiáng)度的碳素纖維或石墨纖維、凱夫拉爾(Kevlar)、玻璃纖維、石英、硼、礬土、碳化硅或PAN纖維。
對(duì)由以下制劑構(gòu)成的涂層60和62的PVC管24進(jìn)行磨損試驗(yàn)(a)“LiquidPlasteelTM”(由新澤西州代頓的McMaster Carr公司出售的環(huán)氧樹脂與重量百分比為80％的鋼粉混合物)；(b)“Easy EpoxyTM”混合物(從McMaster Carr公司購得的環(huán)氧樹脂和從馬塞諸塞州伍斯特的Saint-Gobain工業(yè)陶瓷有限公司購得的種晶MCA研磨磨?！?；(c)Liquid PlasteelTM和MCA磨粒的混合物；以及(d)Liquid PlasteelTM和WC(碳化鎢)的混合物。還對(duì)一未涂覆的管子24進(jìn)行類似的試驗(yàn)。磨損試驗(yàn)包括將管子下放到一個(gè)預(yù)先在如上所述制成的混凝土塊上鉆成的孔中。以一般用于鉆孔的轉(zhuǎn)速rpm使管子旋轉(zhuǎn)。當(dāng)管子旋轉(zhuǎn)時(shí)，預(yù)定量的磨粉漿(先前鉆孔所產(chǎn)生的)連續(xù)進(jìn)入孔中。磨粉漿起到研磨作用并且將磨損聚合物管。對(duì)多種管子進(jìn)行一定時(shí)間的試驗(yàn)并且測(cè)量壁厚的磨損量。在表格VIII中給出的上述制劑(b)-(d)的磨損試驗(yàn)結(jié)果以及未涂覆管的磨損試驗(yàn)結(jié)果。
表格VIII

>此圖表給出了由沿著管長度上三個(gè)部位所測(cè)得的壁厚所確定的5.5小時(shí)之后的管子平均磨損量。
結(jié)果表明，涂層可提高塑料管24、224的耐磨強(qiáng)度。從所試驗(yàn)的多種涂層來看，顯然最佳的涂層是MCA和Liquid PlasteelTM混合物。上述制劑(a)起到一對(duì)照試樣的作用，以確定Liquid PlasteelTM沒有MCA是否能夠獲得從制劑(c)所看到的提高耐磨強(qiáng)度的效果。在試驗(yàn)半小時(shí)內(nèi)幾個(gè)部位上的涂層被磨去。因而，可以證明MCA與Liquid PlasteelTM一起存在于制劑(c)中對(duì)提高管子24耐磨強(qiáng)度是至關(guān)重要的。可以推測(cè)塑性鋼材中的鐵顆?？赡芴?xì)。將以下所討論的具有更粗糙的環(huán)氧樹脂顆粒嵌入管表面可獲得所需的耐磨強(qiáng)度。
結(jié)果表明包含Liquid PlasteelTM和MCA磨粒的涂層在所應(yīng)用和試驗(yàn)的涂層之中具有最佳的耐磨強(qiáng)度?？梢灶A(yù)料在以上所討論的此類材料中的其它顆粒也可獲得類似的有利效果。除了顆粒尺寸之外，另一個(gè)決定顆粒層60和62所具有的耐磨強(qiáng)度的因素是其中的顆粒百分比。在粘結(jié)劑中顆粒重量百分比至少為20、較佳地應(yīng)取大于50。進(jìn)一步較考慮的一個(gè)因素是由層62和/或60所覆蓋的管子表面積百分比。所嵌顆粒占表面大于20％或約等于20％可獲得理想的耐磨強(qiáng)度，當(dāng)然在50％和100％的表面覆蓋率是更佳的。
根據(jù)前述試驗(yàn)結(jié)果，巖心鉆頭100可制有PVC本體24，該本體具有由LiquidPlasteelTM和40％MCA磨粒的混合物所制成的諸層60和62。通過在如上述所述制成的混凝土塊中鉆出多個(gè)孔并直至鉆頭損壞，對(duì)這些鉆頭100進(jìn)行試驗(yàn)。為了作比較，還對(duì)一未涂覆的PVC管進(jìn)行了試驗(yàn)。以鉆孔的預(yù)定時(shí)間間隔測(cè)量了管壁的磨損量。這些測(cè)試結(jié)果示于圖11中。
如圖所示，試驗(yàn)結(jié)果表明涂有諸層60和62的管子24的使用壽命大約是未涂覆管的二倍。涂覆鉆頭所鉆的孔數(shù)大約是未涂覆鉆頭的3.5倍。然而，為了對(duì)涂覆鉆頭的使用壽命與未涂覆鉆頭的使用壽命進(jìn)行公正的比較，在圖11中示出了發(fā)生相同管壁磨損量時(shí)所鉆孔的數(shù)量?？梢钥闯?，PVC管的使用壽命可以通過選擇適當(dāng)?shù)耐繉雍穸榷m應(yīng)特定的需要。
在下的例I和II中描述了用于提供這些結(jié)果的具體試驗(yàn)參數(shù)。
如圖通過在一個(gè)尺寸范圍內(nèi)對(duì)聚合物管進(jìn)行成功的試驗(yàn)所證明的可采用較大直徑范圍的管子24來制成本發(fā)明的巖心鉆頭100。例如，可對(duì)直徑從2”至12”(5厘米-30.5厘米)的鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)，這些鉆頭顯示出具有足夠的承受鉆孔應(yīng)力的強(qiáng)度。在例III和IV中描述了對(duì)8”和12”直徑切削鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)的具體參數(shù)和結(jié)果。
在圖12中示出了在鉆孔過程中巖心鉆頭所經(jīng)受的應(yīng)力分析。計(jì)算出的扭矩(在管子軸線上)和最大應(yīng)力(在管子表面上)表示為鉆頭直徑的函數(shù)。如圖所示，扭矩隨鉆頭尺寸增大而增大，同時(shí)PVC管所經(jīng)受的最大應(yīng)力隨鉆頭直徑增大而降低。因而可采用直徑大于12英寸(30.5厘米)的巖心鉆頭100，而不會(huì)增加管子發(fā)生故障的可能性。
試驗(yàn)還表明，本發(fā)明的聚合物本體鉆頭100可在干式鉆孔狀態(tài)下有效地工作。制造了一PVC本體鉆頭100并且采用高溫粘結(jié)劑將鋼制片斷與研磨段粘到PVC管上。用該鉆頭在一煤渣塊中進(jìn)行干式鉆孔。在鉆孔時(shí)將50帕斯卡的壓縮空氣注入巖心鉆頭(其方式與在濕鉆孔時(shí)引入水類似)。煤渣塊上鉆出每個(gè)大約5英寸(13厘米)深的孔總共10個(gè)，管子不會(huì)發(fā)生故障。可以發(fā)現(xiàn)管子磨損量與濕鉆孔時(shí)所看到類似。采用壓縮空氣顯示出可使管冷卻并且便于去除磨屑以盡可能減少摩擦起熱。
還可以預(yù)期，通過在本體形成之前將顆粒直接加到聚合物中可提高聚合物本體24、224的耐磨強(qiáng)度。例如，可向聚合物加入重量百分比近似20至40％的MCA磨?；蚱渌湍ヮw粒。然后采用該混合物制造一聚合物本體，該本體中具有大致均勻地分散于其中的顆粒。
而且，雖然本文所揭示的本發(fā)明例子是關(guān)于巖心鉆頭的，但熟練的技術(shù)人員應(yīng)可認(rèn)識(shí)到，在本發(fā)明的精神和范圍中，所揭示的技術(shù)也可用于多種切削器具的聚合物本體，諸如圓環(huán)形鋸刀/切削盤片。
以下舉出的例子用于論證本發(fā)明的各個(gè)給定方面。可以理解，這些例子并不能構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的限定。
例I用PVC制造了一4英寸(10厘米)直徑的本體管24。將一金屬切削端14以圖1所示方式粘接到管的一端上。各鉆頭上釬焊有10個(gè)切削部件或研磨段16、1”×0.275”×0.150”(2.5cm×.7cm×.38cm)。研磨段具有密度為30、30/40目、SDA85+金剛石。管子24的外表面66用如上所述的重量百分比40％MCA磨粒和Liquid PlasteelTM涂覆厚0.015”(.04cm)的均勻涂層62。用于此涂層的MCA磨粒粒度為220(近似50-70微米)。在一如上所述的鋼筋混凝土塊中對(duì)該鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)是在20安培恒定鉆孔電流和600轉(zhuǎn)/分鐘主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的。在鉆削過程中保持3.785升/分鐘(1加侖/分鐘)的水流速度。觀察研磨段的磨損和管子磨損。鉆頭超始壁厚約為0.085(.02cm)、即0.070”(.17cm)管子+0.015”(.04cm)涂層。在管壁厚度減少到0.05”(.12cm)且無法再用之前，用該有涂層的鉆頭鉆出總共283個(gè)孔(每個(gè)深11英寸(28厘米))。
例II(對(duì)照試樣)用與例I所述的方式制造了第二個(gè)鉆頭，但不涂覆。未涂覆鉆頭的起始管壁厚度約為0.070英寸(.18cm)。在壁厚減少到約0.050”(.12cm)且無法再用之前，用該鉆頭鉆出總共86個(gè)孔(每個(gè)深11英寸/28厘米)。
例III制造了一8英寸(20厘米)的鉆頭，具有壁厚為0.115”(.3cm)(與鋼制本體巖心鉆頭類似)的PVC本體管24。包括以與例I類似方式釬焊于其上的總共16個(gè)研磨段的鋼制切削端14粘結(jié)到管子24上。所用的研磨段為2.54cm×0.70cm×0.44cm(1”×0.274”×0.175”)，密度為30、30/50目、SDA150+金剛石磨粒，并且都是用于傳統(tǒng)8英寸(20厘米)巖心鉆頭的標(biāo)準(zhǔn)研磨段。8”(20cm)PVC鉆頭重3.9千克(8.6磅)，這表明與重約9.1千克(20磅)的類似傳統(tǒng)鋼制鉆頭相比可減少50％以上的重量。在例I所用的那類混凝土塊中對(duì)該鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)。鉆削電流保持在20至22A之間。鉆削時(shí)主軸速度為400轉(zhuǎn)/分鐘。在傳統(tǒng)的煤渣塊中鉆出十五個(gè)孔，在例I所用的那樣混凝土塊中鉆出二十個(gè)孔。該鉆頭的切削沒有困難。PVC管可承受鉆削應(yīng)力。在鉆頭承受了最大重量340千克(750磅)，表明它可經(jīng)受較大的應(yīng)力。
例IV制造了一與例III類似形式的12”(30.5cm)直徑的巖心鉆頭。該鉆頭制造為具有一PVC管子24，該管的壁厚為0.120”(.3cm)(與鋼制本體巖心鉆頭類似)。一鋼制切削端粘接到PVC管上，并且總共18個(gè)研磨段釬焊到的鋼制切削端上。所用的研磨段為2.5cm×.7cm×0.5cm(1”×0.275”×0.210”)，密度為30、30/50目、SDA100+金剛石磨粒。12英寸(30.5厘米)PVC鉆頭重5.9千克(13.2磅)，表明與一重約17.2千克(38磅)的類似鋼制本體鉆頭相比重量明顯減少。在例I所用的那類混凝土塊中對(duì)該鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)。以人工方式進(jìn)行鉆削。鉆削電流保持在20至22安培之間。鉆削時(shí)主軸速度為200轉(zhuǎn)/分鐘。在煤渣塊中鉆出15個(gè)孔，在混凝土塊中鉆出20個(gè)孔。該鉆頭切削沒有困難，并且PVC管可承受鉆削應(yīng)力。該鉆頭上承受了最大重量381千克(840磅)，表明它可經(jīng)受相當(dāng)大的應(yīng)力。
例V制造了具有PVC本體管24的四個(gè)8英寸(20厘米)巖心鉆頭，本體管壁厚為0.115”(.3cm)。分別將由100微米顆粒的MCA磨粒、SiC、WC和熔融礬土層嵌到各管24的外表面62上，即通過將顆粒加熱到約200℃、然后在近似100米/秒的速度下將顆粒噴射到各聚合物體24表面66上。然后將管子冷卻到室溫，以使本體變硬并且可抓住顆粒。以例III的方式為各管子提供包括總共16個(gè)研磨段的鋼制切削端14。該8”(20厘米)PVC鉆頭重約3.6千克(8磅)，表明與一重約9千克(20磅)的類似傳統(tǒng)鋼制鉆頭相比減輕了50％以上的重量。這些鉆頭具有比一類似的未涂覆聚合物本體鉆頭高的耐磨強(qiáng)度，并可提供一使用壽命與例III所述類似條件下的研磨段16的使用壽命相當(dāng)?shù)墓茏印?br> 例VI制造了一具有PVC本體管24的8英寸(20厘米)巖心鉆頭，本體管壁厚為0.115”(.3cm)。將由100微米顆粒的MCA磨粒層嵌到各管子24的外表面62上，即通過將顆粒加熱到約200℃、然后在近似50米/秒的速度下將顆粒噴射到各聚合物體24表面66上。然后將管子冷卻到室溫，以使本體變硬并且可抓住顆粒。以例III的方式為各管子提供包括總共16個(gè)研磨段的鋼制切削端14。該8”(20厘米)PVC鉆頭重約3.6千克(8磅)，表明與一重約9千克(20磅)的類似傳統(tǒng)鋼制鉆頭相比減輕了50％以上的重量。這些鉆頭具有比一類似的未涂覆聚合物本體鉆頭高的耐磨強(qiáng)度，并且可提供一使用壽命與例III所述類似條件下的研磨段16的使用壽命相當(dāng)?shù)墓茏印?br> 例VII制造了一具有PVC本體管24的8英寸(20厘米)巖心鉆頭，本體管壁厚為0.115”(.3cm)。將由100微米顆粒的MCA磨粒層嵌到管子24的外表面62上，即通過將顆粒加熱到約150℃、然后在近似90米/秒的速度下將顆粒噴射到各聚合物體24表面66上。然后將管子冷卻到室溫，以使本體變硬并且可抓住顆粒。以例III的方式為各管子提供包括總共16個(gè)研磨段的鋼制切削端14。該8”(20厘米)PVC鉆頭重約3.6千克(8磅)，表明與一重約9千克(20磅)的類似傳統(tǒng)鋼制鉆頭相比減輕了50％以上的重量。產(chǎn)生一光滑的涂層，同時(shí)看不到嵌在表面中各個(gè)顆粒。這些鉆頭具有比一類似的未涂覆聚合物本體鉆頭高的耐磨強(qiáng)度，并且可提供一使用壽命與例III所述類似條件下的研磨段16的使用壽命相當(dāng)?shù)墓茏印?br> 例VIII制造了一與例III類似形式的8”(20cm)直徑的巖心鉆頭。該鉆頭制成有一壁厚為0.120”(.3cm)(與鋼制本體巖心鉆頭類似)的PVC本體管24。將一金屬切削端14粘接到PVC管上，并且將總共16個(gè)研磨段釬焊到鋼切削端上。所用的研磨段為1”×0.275”×0.175”(2.5cm×.7cm×.44cm)、并且密度為30、30/50目、SDA150+金剛石磨粒。聚合物管24的外表面66用重量百分比40％WC和Liquid PlasteelTM施涂。所用的WC磨粒粒度為220(近似50-70微米)。該鉆頭重3.9千克(8.6磅)，表明與一重9千克(20磅)的類似鋼制本體鉆頭相比重量明顯減輕。在一如例I所用的那樣鋼筋混凝土塊中對(duì)該鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)。鉆削電流保持在20至22安培之間，鉆削是在600轉(zhuǎn)/分鐘主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的。與未涂覆的聚合物本體鉆頭的對(duì)照試樣相比，該鉆頭的耐磨強(qiáng)度增強(qiáng)。
例IX制造了一與例III類似形式的8”(20cm)直徑的巖心鉆頭。該鉆頭包括由PVC和重量百分比約為20％的WC混合物模制成的聚合物基質(zhì)管。該聚合物基質(zhì)管壁厚為0.120”(.3cm)(與鋼制本體巖心鉆頭類似)。將一金屬切削端14粘接到PVC管上，并且將總共16個(gè)研磨段釬焊到鋼切削端上。所用的研磨段為1”×0.275”×0.1 75”(2.5cm×.7cm×.44cm)、并且密度為30、30/50目、SDA150+金剛石磨粒。所用的WC磨粒粒度為220(近似50-70微米)。該鉆頭重約3.6千克(8磅)，表明與一重9千克(20磅)的類似鋼制本體鉆頭相比重量明顯減輕。在一如例I所用的那樣鋼筋混凝土塊中對(duì)該鉆頭進(jìn)行試驗(yàn)。鉆削電流保持在20至22安培之間，鉆削是在600轉(zhuǎn)/分鐘主軸轉(zhuǎn)速下進(jìn)行的。與未涂覆的聚合物本體鉆頭的對(duì)照試樣相比，該鉆頭的耐磨強(qiáng)度增強(qiáng)。
上述描述主要是為了說明本發(fā)明。雖然已經(jīng)在圖中示出并用實(shí)施例來描述說明了本發(fā)明，但本技術(shù)領(lǐng)域中熟練人員應(yīng)與理解，在本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)和范圍中可對(duì)其形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行其它多種改變、刪減和替換。
權(quán)利要求
1.一種用于在一工件中切削一圓孔的切削工具，所述切削工具包括具有一排切削部件的大致圓柱形的刀具，所述刀具具有一切削端和一連接端；由非金屬材料制成的大致圓柱形軸，所述軸具有一刀具配合端和一鉆機(jī)配合端；所述刀具和所述軸用于同心地、端對(duì)端相互配合，其中所述連接端基本上剛性地與所述刀具配合端連接；以及所述鉆機(jī)配合端用于與一鉆機(jī)可工作地配合以使所述切削工具繞所述同心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
2.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具還包括一金屬圓柱體，所述切削部件排設(shè)置在其圓周上。
3.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸基本上是管狀的，并且所述刀具配合端和所述鉆機(jī)配合端都是圓環(huán)形的。
4.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具基本是管狀的，并且所述切削端和所述連接端都是圓環(huán)形的。
5.如權(quán)利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述切削部件排包括多個(gè)在所述圓環(huán)形切削端上隔開的研磨段。
6.如權(quán)利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述切削部件排包括多個(gè)在所述圓環(huán)形切削端上隔開的切削齒。
7.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸基本是實(shí)心的。
8.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具基本上是實(shí)心的。
9.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述切削部件排包括多個(gè)螺旋螺紋。
10.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，還包括同心并剛性地設(shè)置在所述鉆機(jī)配合端上的一連接件，所述連接件用于可操作地將所述切削工具固定到鉆機(jī)上。
11.如權(quán)利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述連接件用非金屬材料制成，并且還包括一同心且剛性地設(shè)置于其中的金屬插入件，所述金屬插入件用于與所述鉆機(jī)通過螺紋配合。
12.如權(quán)利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述連接件用粘結(jié)劑固定到所述鉆機(jī)配合端上。
13.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸用未加強(qiáng)的塑料材料制成。
14.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸用從由PVC、丙烯酸樹脂和尼龍組成的一組材料中選出的塑料材料制成。
15.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸用纖維加強(qiáng)塑料材料制成，所述纖維從由碳素纖維、玻璃、聚丙烯腈(PAN)纖維和其混合物組成的一組材料中選出。
16.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具配合端和所述連接端可以如下所述的一組方式中的一種相互配合在一起，即熔融疊加、機(jī)械互鎖、將所述軸與所述刀具模制成一體以及這些方式的組合。
17.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雄接頭，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雌接頭。
18.如權(quán)利要求17所述的切削工具，其特征在于，所述雄接頭用粘結(jié)劑固定到所述雌接頭上。
19.如權(quán)利要求18或12所述的切削工具，其特征在于，所述粘結(jié)劑可從以下一組中選出，即環(huán)氧樹脂、尿烷、氯丁橡膠、腈、聚酰胺、聚酯和氰基丙烯酸酯粘結(jié)劑。
20.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸具有一軸外徑；所述刀具具有一刀具外徑；以及在所述切削工具轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，所述切削部件排構(gòu)成一假想圓柱體，其假想外徑大于所述軸外徑和所述刀具外徑；其中，在鉆孔過程中，工件和所述軸之間存在徑向間隙，在工件和刀具之間存在徑向間隙。
21.如權(quán)利要求20所述的切削工具，其特征在于，其中所述軸是管狀的，并且具有預(yù)定厚度的軸壁；所述刀具是管狀的，并且具有預(yù)定厚度的刀具壁；并且所述軸壁的預(yù)定厚度基本上所述刀具壁的預(yù)定厚度相等。
22.如權(quán)利要求20所述的切削工具，其特征在于，還包括所述軸外徑大于所述刀具外徑；其中所述軸外徑在所述切削工具操作過程中由于磨損的減少量可被補(bǔ)償。
23.如權(quán)利要求22所述的切削工具，其特征在于，其中所述軸是管狀的，并且具有預(yù)定厚度的軸壁；所述刀具是管狀的，并且具有預(yù)定厚度的刀具壁；所述軸壁的預(yù)定厚度基本上所述刀具壁的預(yù)定厚度相等。
24.如權(quán)利要求23所述的切削工具，其特征在于，其中所述假想圓柱體具有一假想內(nèi)徑；所述軸具有一軸內(nèi)徑；所述刀具具有一刀具內(nèi)徑；所述刀具內(nèi)徑大于所述軸內(nèi)徑，所述軸內(nèi)徑大于所述假想內(nèi)徑；其中，在所述假想內(nèi)徑和所述軸內(nèi)徑之間存在間隙，在所述假想內(nèi)徑和所述刀具內(nèi)徑之間存在間隙，這樣由于所述切削工具在取心鉆孔過程中磨損而造成的軸內(nèi)徑增大可得到補(bǔ)償。
25.一種用于在一工件中切削一圓孔的切削工具的非金屬本體，所述切削工具包括具有一排切削部件的大致圓柱形的刀具，所述刀具具有一切削端和一連接端，所述非金屬本體包括由非金屬材料制成的大致圓柱形軸，所述軸具有一刀具配合端和一鉆機(jī)配合端；所述刀具和所述軸用于同心地、端對(duì)端相互配合，其中所述刀具配合端基本上剛性地與另一端連接；所述鉆機(jī)配合端用于與一鉆機(jī)可操作地配合以使所述切削工具繞所述同心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
26.如權(quán)利要求25所述的非金屬本體，所述刀具還包括一金屬圓柱體，所述切削部件排繞其周的設(shè)置。
27.如權(quán)利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，所述軸基本上是管狀的，并且所述刀具配合端和所述鉆機(jī)配合端都是圓環(huán)形的。
28.如權(quán)利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，所述刀具基本上是管狀的，并且所述切削端和另一端都是圓環(huán)形的。
29.如權(quán)利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，還包括一同心且剛性地設(shè)置在所述鉆機(jī)配合端上的連接件，所述連接件將所述切削工具可操作地連接到鉆機(jī)上。
30.如權(quán)利要求29所述的非金屬本體，其特征在于，所述連接件用非金屬材料制成，還包括用于與鉆機(jī)螺合的金屬插入件。
31.如權(quán)利要求30所述的非金屬本體，其特征在于，所述連接件用粘結(jié)劑固定到所述鉆機(jī)配合端上。
32.如權(quán)利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，所述軸用從PVC、丙烯酸樹脂和尼龍中選出的塑料材料制成。
33.如權(quán)利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，所述軸用纖維加強(qiáng)塑料材料制成，所述纖維從由碳素纖維、玻璃、聚丙烯腈(PAN)纖維和其混合物組成的一組材料中選出。
34.如權(quán)利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，一固定件設(shè)置在刀具的另一端上，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雄接頭，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雌接頭。
35.如權(quán)利要求34所述的非金屬本體，其特征在于，所述雄接頭用粘結(jié)劑固定到所述雌接頭上。
36.在一工件中鉆孔的方法，包括以下步驟(a)提供一切削工具，包括i)具有一排切削部件的大致圓柱形的刀具，所述刀具具有一切削端和一連接端；以及ii)一由非金屬材料制成的大致圓柱形軸，所述軸具有一刀具配合端和一鉆機(jī)配合端；iii)所述刀具和所述軸用于同心地、端對(duì)端相互配合，其中所述連接端基本上剛性地與所述刀具配合端連接；(b)將所述鉆機(jī)配合端固定到一鉆機(jī)上；(c)使所述鉆機(jī)工作以使所述切削工具轉(zhuǎn)動(dòng)繞所述同軸線轉(zhuǎn)動(dòng)；以及(d)使所述切削端與所述工件配合。
37.如權(quán)利要求36所述的切削工具，其特征在于，所述刀具還包括一金屬圓柱體，所述切削部件排繞其周邊設(shè)置。
38.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，提供一切削工具的步驟還包括將所述軸制成一管，其中所述刀具配合端和鉆機(jī)配合端都是圓環(huán)形的。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其特征在于，所述一切削工具的步驟還包括將所述刀具制造成為一管子，其中所述切削端和所述連接端都是圓環(huán)形的。
40.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，還包括一同心地且剛性地設(shè)置在所述鉆機(jī)配合端上的連接件，所述連接件用于將所述切削工具可操作地固定到一鉆機(jī)上。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，其特征在于，所述連接件用非金屬材料制成，并還包括用于與鉆機(jī)螺合的金屬插入件。
42.如權(quán)利要求41所述的方法，其特征在于，所述連接件用一粘結(jié)劑固定到鉆機(jī)配合端上。
43.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述軸用從PVC、丙烯酸樹脂和尼龍組成的一組材料中選出的塑料材料制成。
44.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述軸用纖維加強(qiáng)塑料材料制成，所述纖維可從由碳素纖維、玻璃、聚丙烯腈(PAN)纖維和其混合物組成的一組材料中選出。
45.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雄接頭，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雌接頭。
46.如權(quán)利要求45所述的方法，其特征在于，所述雌接頭用一粘結(jié)劑固定到雌接頭上。
47.如權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于，在切削工具轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，切削部件排形成一具有一假想外徑的假想圓柱體，所述方法還包括以下步驟使所述軸的軸外徑小于假想外徑；以及使所述刀具的刀具外徑小于假想外徑；其中在鉆孔過程中，工件和軸之間存在間隙，在工件和刀具之間存在間隙。
48.如權(quán)利要求47所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述軸制成為具有預(yù)定壁厚的軸管；將所述刀具制成為具有預(yù)定壁厚的刀具管；以及將所述軸壁的預(yù)定厚度制成為基本上與所述刀具壁的預(yù)定厚度相等。
49.如權(quán)利要求47所述的方法，還包括以下步驟將所述軸外徑制成為大于所述刀具外徑；其中所述圓周軸徑由于在所述切削工具的操作過程中減小的量可得到補(bǔ)償。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述軸制成為具有預(yù)定壁厚的軸管；將所述刀具制成為具有預(yù)定壁厚的刀具管；以及將所述軸壁的預(yù)定厚度制成為大于與所述刀具壁的預(yù)定厚度。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，其特征在于，所述假想圓柱體具有一假想內(nèi)徑；所述軸具有一軸內(nèi)徑；所述刀具具有一刀具內(nèi)徑；所述刀具內(nèi)徑大于所述軸內(nèi)徑，所述軸內(nèi)徑大于所述假想內(nèi)徑；其中，在所述假想內(nèi)徑和所述軸內(nèi)徑之間存在間隙，在所述假想內(nèi)徑和所述刀具內(nèi)徑之間存在間隙，這樣由于所述切削工具在取心鉆孔過程中磨損所增大的軸內(nèi)徑可得到補(bǔ)償。
52.如權(quán)利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具由所述切削部件排構(gòu)成，所述切削部件排的連接端用于一體地固定到所述軸的所述刀具配合端上。
53.一種提高聚合物本體的切削工具耐磨性能的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供一切削工具，在一聚合物本體上設(shè)有一切削部件；以及(b)將一層耐磨顆粒層施涂到聚合物本體表面上。
54.如權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒從以下材料組成的一組材料中選出，即陶瓷、金屬、金屬合金以及金屬陶瓷和其組合物。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒從一組由以下材料制成的材料中選出，即礬土、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳化鎢、氮化硼、溶膠礬土、氧化鋯鋁、鐵、鎳、鈷、鋼、青銅、Co-WC和其組合物。
56.如權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于，所述施涂步驟(b)還包括以下步驟將所述顆粒嵌入到聚合物本體表面中。
57.如權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述施涂步驟(b)還包括以下步驟將所述顆粒嵌入到聚合物本體表面中。
58.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于，所述嵌入步驟還包括(i)將顆粒加熱到100至200℃；以及(ii)將加熱的顆粒以10-500米/秒的速度噴射到聚合物本體表面上，其中加熱的顆粒可使聚合物軟化并且可嵌入該表面。
59.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于，所述嵌入步驟還包括(i)將聚合物本體加熱到100-300℃，其中聚合物本體表面被軟化；(ii)將耐磨顆粒以100米/秒速度噴涂到聚合物本體上，其中顆粒將嵌入到所述表面中；以及(iii)使聚合物本體冷卻，其中所述本體硬化并且抓住顆粒。
60.如權(quán)利要求57所述的方法，其特征在于，所述嵌入步驟還包括(i)通過等離子噴涂將顆粒施涂到所述聚合物本體表面上，其中所述顆粒將嵌入所述表面；以及(ii)使聚合物本體冷卻，其中所述本體硬化并且抓住顆粒，從而所述顆粒熔化并且以均勻的涂層蓋住所述表面。
61.如權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒層施涂深度約達(dá)0.1厘米。
62.如權(quán)利要求54所述的方法，其特征在于，所述聚合物本體是具有一壁厚的管子，耐磨顆粒層施涂深度達(dá)30％壁厚。
63.一種制造一切削工具的方法，包括以下步驟(a)提供一大致圓柱形的刀具部分，所述刀具部分包括一具有一配合一工件的切削端的排切削部件和一連接端；(b)提供一由非金屬復(fù)合材料制成的大致圓柱形軸，所述軸具有一刀具配合端和一驅(qū)動(dòng)器配合端；以及(c)將所述連接端與所述切削端同心地、端對(duì)端地相互剛性連接。
64.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)還包括(i)由聚合物制成的管子；以及(ii)將一層耐磨顆粒施涂到其一個(gè)表面上。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒從陶瓷、金屬、金屬合金和金屬陶瓷以及其組合物中選出。
66.如權(quán)利要求65所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒從礬土、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳化鎢、氮化硼、溶膠礬土、氧化鋯鋁、鋼、鐵、鎳、鈷、青銅以及Co-WC和其組合物中選出。
67.如權(quán)利要求63所述的方法，其特征在于，步驟(b)包括用加強(qiáng)聚合物制成的軸，所述加強(qiáng)聚合物包括與耐磨材料混合的聚合物。
68.如權(quán)利要求67所述的方法，其特征在于，所述耐磨材料從金屬顆粒、陶瓷顆粒、晶須、切斷的纖維和細(xì)絲中選出。
69.一種輕質(zhì)切削工具，包括設(shè)有一排切削部件的大致圓柱體形的刀具，所述刀具具有一切削端和一連接端；以及由非金屬復(fù)合材料制成的大致圓柱體形的軸，所述軸具有一刀具配合端和一鉆機(jī)配合端；所述刀具和所述軸適于相互同心地、端對(duì)端連接，其中所述連接端基本上是剛性地與所述刀具配合端連接的；所述鉆機(jī)配合端可操作地與一驅(qū)動(dòng)裝置連接以使所述切削工具繞所述同心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
70.如權(quán)利要求69所述的工具，其特征在于，所述軸用加強(qiáng)聚合物制成，所述加強(qiáng)聚合物包括一與耐磨材料混合聚合物。
71.如權(quán)利要求70所述的工具，其特征在于，所述耐磨材料從金屬顆粒、陶瓷顆粒、晶須、切斷的纖維和細(xì)絲中選出。
72.一種用于切削一工件的輕質(zhì)工具，所述工具包括一設(shè)有一排切削部件的刀具部分，所述刀具部分具有一切削端和一連接端；以及由非金屬復(fù)合材料制成的本體，所述本體具有一刀具配合部和一驅(qū)動(dòng)裝置配合部；所述刀具部和所述本體適于相互剛性地配合；并且所述驅(qū)動(dòng)裝置配合部用于與一驅(qū)動(dòng)裝置工作地配合以使所述切削工具繞所述同心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
73.如權(quán)利要求72所述的工具，其特征在于，所述刀具部分大致是圓柱體形的，并且所述本體是由非金屬復(fù)合材料制成的大致圓柱體形軸；所述刀具和所述軸可同心地、端對(duì)端相互連接，其中所述連接端基本上是剛性地與所述刀具配合部剛性配合；所述驅(qū)動(dòng)裝置配合部是與一鉆機(jī)工作地配合的鉆機(jī)配合端，以使所述切削工具繞同心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
74.如權(quán)利要求72所述的工具，其特征在于，還包括設(shè)置在所述聚合物本體一個(gè)表面上的耐磨顆粒層。
75.如權(quán)利要求74所述的工具，其特征在于，所述耐磨顆粒從陶瓷、金屬和金屬合金、金屬陶瓷以及其組合物中選出。
76.如權(quán)利要求75所述的工具，其特征在于，所述耐磨顆粒從礬土、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳化鎢、氮化硼、溶膠礬土、氧化鋯鋁、鋼、鐵、鎳、鈷、青銅以及Co-WC和其組合物中選出。
77.如權(quán)利要求74所述的工具，其特征在于，所述耐磨層用一粘結(jié)劑粘結(jié)到聚合物本體上。
78.如權(quán)利要求74所述的工具，其特征在于，所述顆粒嵌入到聚合物本體的表面中。
79.如權(quán)利要求78所述的工具，其特征在于，所述顆粒通過將顆粒加熱到100-2000℃而嵌入的；并且將加熱顆粒以10-500米/秒速度噴涂到聚合物本體表面上，其中加熱的顆粒使聚合物軟化并且嵌入所述表面中。
80.如權(quán)利要求78所述的工具，其特征在于，所述顆粒是這樣嵌入的將聚合物本體加熱到可使聚合物本體表面軟化、并且不超過聚合物本體玻璃過渡溫度的一定溫度，其中聚合物本體表面被軟化；將耐磨顆粒以足以使顆粒嵌入深度大于50％顆粒直徑的速度噴涂到聚合物本體表面上；并且使聚合物本體冷卻，其時(shí)本體硬化并且抓住顆粒。
81.如權(quán)利要求74所述的工具，其特征在于，所述顆粒以這樣的方法施涂到聚合物本體上的即通過熱噴，其時(shí)顆粒是涂覆到所述表面上的。
82.如權(quán)利要求53所述的方法，其特征在于，所述施涂步驟(b)還包括將一層耐磨顆粒施涂到聚合物本體的多個(gè)表面上。
83.如權(quán)利要求79所述的方法，其特征在于，所述顆粒被加熱到在聚合物本體的玻璃過渡溫度和顆粒熔點(diǎn)的一半溫度之間的一個(gè)溫度。
84.如權(quán)利要求80所述的方法，其特征在于，所述聚合物本體被加熱到在聚合物本體的玻璃過渡溫度的0.5至1.0倍范圍中的一個(gè)溫度。
全文摘要
一鉆頭(10),具有一由塑料材料制成的圓柱形本體部分(24)。該本體部分同心且端對(duì)端地固定到由金屬材料制成的一圓柱形刀具(12)上,該刀具具有一排切削部件(16)。本體部分和刀具較佳地都為管狀,其中切削部件設(shè)置成一圓環(huán)排列,以便進(jìn)行取心鉆孔或頂鉆孔作業(yè)。
文檔編號(hào)B28D1/14GK1260741SQ98806139
公開日2000年7月19日 申請(qǐng)日期1998年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年6月17日
發(fā)明者K·坦卡拉, R·卡坡, G·E·約翰森, R·D·格里格 申請(qǐng)人:諾頓公司