專利名稱：噴吸鉆系統的制作方法
噴吸鉆系統
背景技術：
和
發明內容
—些深孔鉆系統例如槍孔鉆、單管鉆系統和雙管鉆系統為已知技術。這些深孔鉆
系統可以用于鉆大深度-直徑比的孔。 單管系統或STS系統可以用于鉆大深度_直徑比的孔，槍孔鉆具有改善的鉆入速 度、孔尺寸精度以及準直度。同時，這些系統具有多種缺點，例如由于單個有效的切削刃而 容易切削自身。這引起顯著的應力。另外，這些系統可以利用耐磨墊，由于這種結構，其容 易在切削過程中在成型孔的邊緣上承受顯著的力，從而耐磨墊容易引起孔硬化以及材料變 脆。這可以稱作孔的不良工作硬化。STS鉆系統可以包括鉆頭、鉆桿或管以及壓力頭。鉆頭 可以擰在管上，管的內部與通過鉆頭的一個或多個孔口連通。操作時，壓力頭會使切削液位 于管的外側與孔壁之間。切削液伴隨鉆孔過程中產生的切屑可以通過鉆頭并向上通過管的 中央排出。 STS需要切削液供應系統來提供壓力高達1000磅每平方英寸(大約689. 4千帕) 或更大壓力的一定體積的切削液。壓力頭將切削液引入管和孔壁之間。為了維持腔中的壓 力，壓力頭可以相對于被鉆部件密封以產生防水密封。在一種密封實施例中，被鉆部件可以 具有圍繞鉆孔的平區以使壓力頭密封。 雙管系統或DTS鉆系統，還已知為噴吸器系統，基于與單管系統類似的原理。兩種 系統都可以利用筒體設計并通過內部排出切削液。DTS系統可以使用更小壓力和體積的切 削液。 DTS鉆孔系統可以包含鉆頭、外管、內管以及轉動或非轉動機械連接。鉆頭可以擰 在外管上，而內管與通過鉆頭的一個或多個孔口連通。內管和外管都由機械刀具連接器保 持。切削液流過機械刀具連接器并在外管和內管之間。 一部分切削液通過在內管壁上加工 的文氏管狹槽在內部導入內管。其余的切削液到達切削刃以冷卻和潤滑刀具。通過文氏管 狹槽轉向的切削液在內管中產生低壓區域，將切削液和切屑從切削刃通過鉆頭吸入內管。 這種類似真空現象也可以降低50X或更高的切削液壓力和體積。一些DTS系統的實施例可 以用于直徑大約0. 75英寸(大約19毫米)或更大的孔。 用于STS和DTS鉆系統的鉆頭可以包括螺紋刀具主體，具有切屑排出物入口 ， 一個
或多個切削刃以及一個或多個耐磨墊。現有技術的切削刃包括硬質鋼切削刃或多個刀片。
現有技術的鉆頭包含的切削刃很難更換或重新磨快，在切削刃磨壞后就丟棄了。 因此需要STS和DTS鉆系統能夠克服現有技術的這些和其它缺點。 公開了一種用于筒形桿的根據本發明一個實施例的鉆頭，該筒形桿具有內徑和螺
紋，所述鉆頭包括軸向主體，軸向主體具有通過第一端離開的導管。鄰近第一端的螺紋與
所述桿上的螺紋對應并將導管與桿的內徑對準。從主體的外表面至導管設置有洞，以及鄰
近第二端的兩個軸向近似平行延伸并錯開的表面。刀片固定在所述兩個錯開表面之間，所
述刀片包括至少部分接觸一個錯開表面的第一面和至少部分接觸另一個錯開表面的第二
面；鄰近第一面和/或第二面的一個或多個切削刃；以及鄰近一個或多個切削刃的鉆唇。
圖1是本發明鉆頭的分解透視圖； 圖2是圖1的鉆頭的側面正視圖； 圖3是圖1的鉆頭的透視圖； 圖4是圖1的鉆頭的透視圖，包括硬質合金覆層； 圖5是圖1的鉆頭的透視圖，包括硬質合金耐磨墊； 圖6是本發明鉆頭的另一實施例的透視圖；以及 圖7是本發明鉆頭的又一實施例的透視圖。
具體實施例方式
現在參照圖l-7，說明根據本發明的鉆系統的實施例。在圖1-5中，示出了一種鉆 系統的實施例，具有鉆頭IO，鉆頭IO可以包括噴吸器支架主體12。操作時，噴吸器支架主 體12和切削刀片14圍繞通過鉆孔中心線的旋轉軸線轉動。 如圖l所示，切削刀片14可以是鏟刀片，具有近似扁平多面體形狀，包括第一面 15、第二面16、第一側17和第二側18。切削刀片可以包括通過第一和第二面15、 16的一個 或多個安裝孔19。切削刀片還可以包括自對中點20、切削刃22、鉆唇24、腹板切削刃23、切 削腹板26以及任選的一個或多個切屑分解器28。 切削刀片14可以包含切削刃22。刀片轉動時切削刃22可以位于前緣。切削刀 片14可以是近似對稱形狀，旋轉軸線通過自對中點20。在該實施例中，刀片可以在刀片兩 側都具有切削刃22。切削刃22可以大約自腹板切削刃23圍繞自對中點20鄰近第一面15 朝向第一側17延伸，從自對中點20鄰近第二面16朝向第二側18延伸，或二者都有。可以 提供任何數量的切削刃來制造所需孔徑。 至少一個鉆唇24可以鄰近一個或多個切削刃22設置。鉆唇24可以具有能夠產 生巻曲金屬切屑的幾何形狀，用于通過噴吸器支架主體12排出金屬切屑。通過改變鉆唇24 的位置、尺寸和結構可以控制切屑的尺寸和形狀。 至少一個切削腹板26可以鄰近自對中點20設置，切削腹板26可以包括一個或多 個腹板切削刃23。切削腹板26可以使切削刀片14尖端的材料剪切并形成可控切屑。 一些 現有技術的鉆孔系統不在鉆孔中心處機械切削材料(形成切屑)，由于鉆尖中心處的低角 速度而是擠出材料。切削腹板26可以在鉆尖處形成切屑，并且由于切削腹板26的剪切能 力而減少擠出。另外，切削腹板26可以使鉆的切削刀片14在中心開始鉆孔并且保持其準 直度。 —個或多個切屑分解器28可以任選地設置在切削刀片14上來控制切屑寬度。控 制切屑寬度還可以保證通過噴吸器支架主體12的中心來排出切屑。在一些應用中，可以不 需要切屑分解器，例如當用于切削鑄鐵或碳纖維時。 噴吸器支架主體12可以具有大致筒形，具有第一端或桿端36以及第二端或刀片 端34。通過噴吸器支架主體12的至少一部分的排出槽或導管38可以從桿端36離開以通 過噴吸器支架主體12將切屑和切削液送入桿或管。桿端36可以構造成連接于空心桿或管 (未示出)。管可以具有內徑和螺紋以連接鉆頭。噴吸器支架主體12可以包括鄰近第一端 或桿端36的螺紋40，對應于桿上的螺紋并使導管38與桿或管的內徑對準。當導管和管對準時，導管38的直徑無需與管的內徑相同。 螺紋40可以是復合引導鎖定螺紋。或者，螺紋40可以是單一引導螺紋。 管支承表面42可以設置在噴吸器支架主體12上，鄰近管和噴吸器支架主體12的
交點。管支承表面42可以適配在管的內徑內并適配管的內表面。管支承表面42可以用于
將噴吸器支架主體12與管對準。管支承表面可以精確地磨平以緊密配合管的內表面。緊
密公差配合可以減少與噴吸鉆系統相關的總指示器振擺并改善孔的準直度。 螺紋40或管支承表面42或其組合可以設計成基本上密封管和噴吸器支架主體12
之間的接頭。可以使用其它密封裝置或方法，例如但不限于一個或多個o形環、墊圈、密封
帶、填縫材料、粘結劑或其它密封材料。 空心桿或管可以在內表面上設有對應于噴吸器支架主體12的螺紋40的螺紋。內 管螺紋可以是鎖定螺紋，當鉆孔系統被旋轉操作時，鎖定螺紋將螺紋40更緊地引入管中。
或者，噴吸器支架主體12可以通過其它連接件，例如但不限于一個或多個鍵槽、 夾子、法蘭、螺釘或其它緊固件，連接于空心桿或管。 刀片端34可以構造成用于連接切削刀片14。刀片端34可以構造成具有兩個軸向 延伸的近似平行和錯開的、鄰近第二端的表面30、32。表面30、32錯開的距離可以等于刀 片14的厚度。表面30、32還可以縱向錯開以提供用于將刀片14緊固到主體12上的間隙。 切削刀片14可以連接于刀片端34，其中利用通過切削刀片14的安裝孔19的一個或多個螺 釘43，第一面15至少部分接觸一個錯開表面30，而第二面16至少部分接觸另一個錯開表 面32。 噴吸器支架主體12可以包括支承區域44。支承區域44可以包含噴吸器支架主體 12的一個或多個外表面。支承區域44可以具有鉻層以在操作時保護支承區域44。支承區 域44的外徑可以稍微小于鉆徑。鉻層可以在低轉速和溫度下保護支承區域44。
如圖4和5所示，支承區域44可以包括在主體的外表面的至少一部分上的覆層 46。覆層46可以包括位于主體外徑處的表面上的硬質合金材料薄層。覆層46的外徑可以 稍微小于鉆徑。覆層46可以在較高轉速和溫度下保護支承區域44。在圖5的實施例中，設 置了多個硬質合金耐磨墊46'作為替代方式。耐磨墊46'可以釬焊到位或以其它方式被合 適地固定。覆層46或耐磨墊46'的厚度在應用時可以合適地增加。覆層46或耐磨墊46' 可以由硬質合金材料形成，例如碳化鈦、碳化鎢、鋁青銅、高速鋼、硬鉻鍍層或其它合適的耐 磨材料。 如圖3的實施例所示，槽48可以沿噴吸器支架主體12的外表面設置，能夠將流體 導向刀片。槽48可以使切削液沿噴吸器支架主體12的外周流向切削刀片14，如圖3所示。 槽48可以近似平行于鉆頭的旋轉軸線。或者，槽48可以是傾斜取向、螺旋取向、弧形取向 或其它任何能夠將切削液導向刀片的取向。通過鉆孔系統的切削液可以用作冷卻劑來冷卻 切削區域的被剪切材料以促進可控切屑的形成。切削液還從切削區域沖走切屑并從鉆孔排 出切屑。沿支架主體12軸向設置的冷卻劑槽允許冷卻劑從冷卻劑管沿支架主體12的外周 向前流動并被導向刀片14的切削區。冷卻劑流體冷卻切削區中被剪切的材料，并提供沿這 種方向的冷卻劑流，使得形成的切屑從切削區移向下面描述的排出橫向孔和槽，通過冷卻 劑管并流出機加工中心。 噴吸器支架主體12還包括一個或多個橫向孔或洞50，其從一個或多個槽道52通向排出槽或導管38。槽道52用于使切屑和切削液從切削刀片14通向洞50。可以鄰近洞 50設置緩沖區54，用于將切屑和切削液導向洞中并減少槽道52中的切屑聚集。
在一個實施例中，排出橫向孔50近似垂直于支架主體12的中心軸線穿過兩個槽 道52。或者，洞50可以傾斜于噴吸器支架主體12的軸線穿過噴吸器支架主體12。洞50 使從切削區域沖走的切屑和切削液進入導管38。 導管38可以在桿端36和洞50之間延伸通過噴吸器支架主體12。從切削區域排 出的切屑可以沿槽道52被沖走，通過洞50進入導管38。來自鉆孔的切屑和切削液通過導 管38被沖入空心桿或管。切削液和切屑通過管流出機加工中心。 操作時，當切削刃22壽命已盡時，通過取下螺釘可以從噴吸器支架主體12取下切 削刀片14。可以安裝新的切削刀片14并繼續鉆孔過程。 鉆頭10可以用于單管或雙管系統。所公開的鉆頭IO相比現有鉆系統具有優點。首 先，基體、涂層和幾何形狀的選擇可以允許該刀具io在現有的鉆不能工作的應用中工作。 切削刀片14的基體材料可以改變以適應不同類型的應用。另外，不同的涂層可以用于刀片 14。例如，金剛石薄膜涂層可以用在切削表面上和刀片14的間隙表面上以最小化側面磨損 速度。這種類型的薄膜包括本領域熟知的碳氣相沉積(CVD)多晶金剛石薄膜。當例如切削 非金屬磨料時，金剛石薄膜涂層尤其有用。可以使用其它涂層材料例如鈦鋁氮化物。根據 刀具10的具體應用，刀片14可以利用已知的合適方法被涂覆所需涂層。刀片14的使用還 允許形成用于各種應用的切削幾何形狀，切削幾何形狀可以有各種變型以改進用于不同應 用或材料的切削性能。例如，不同的幾何形狀可以包括但不限于，具有正前 角的鉆唇幾何形 狀、具有正前角的切削腹板、具有自對中點的刀片14和/或提供與切削刃相關的所需切屑 分解構造。正鉆唇幾何形狀產生緊密巻曲切屑，這種切屑易于通過刀具排出，具有源于預定 的唇位置、尺寸和構造的微小切屑尺寸。可以對唇構造進行多種變型以例如改進切屑形成 物的導出。正切削腹板幾何形狀的使用允許刀片14的刀刃處的材料剪切和形成更加可控 的切屑，這會最小化由于鉆點中心處的低速差鉆孔中心處的材料擠出作用。腹板幾何形狀 因此可以構造成允許在鉆點的該位置處形成更多的機械切屑，并由于腹板切削刃的剪切能 力產生更少的擠出物，以及更自由的切削鉆中心。這還可以提供鉆孔的好處其自中心開始 并保持改進的總體準直度。自對中點幾何形狀可以由刀片14刀刃上的間隙特征的組合提 供，其改善了對中能力。改善對中能力可以改善鉆孔穩定性和總的孔準直度。切屑分解器 的引入可以控制產生的切屑寬度，由此幫助產生能夠通過支架主體的中心被排出的成型切 屑，如后所述。 這種鉆頭10的第二個優點是減少每個孔的成本。這可以多種不同方式來實現。現 有技術的釬焊鉆頭是單體件設計。當刀具磨壞或損壞時，必須更換整個鉆頭。這非常浪費， 尤其是當孔徑增加時。利用本發明公開的鉆頭IO，操作者可以更換磨壞或損壞的刀片14。 鉆頭10因此提供快速有效更換被磨壞的切削刃的能力。噴吸器支架主體12的成本可以通 過多次切削刀片14的更換而被分攤，從而降低了總的刀具成本。 每個孔的成本還可以基于增加的鉆速來計算。本發明公開的鉆頭10可以包括兩 個有效的切削刃。這種設計可以相對于具有單一切削刃的現有技術具有顯著的優點。相對 于單一切削刃設計，本發明公開的鉆頭IO具有的兩個切削刃可以倍增供給速率。這種增加 的鉆速減少了切削釋放加工時間。根據本發明的實施例的布置提供了各種優點并克服了現有系統的問題。例如，這種布置不會產生鄰近孔處的材料或工件硬化，因為沒有顯著的力被 施加在形成的孔的邊上。該系統不會像現有STS系統那樣切削自身，耐磨墊不會對孔施加 多余的力，因為該系統中有兩個有效的切削刃。切削幾何形狀設定夾角，使得施加在系統上 的徑向負荷最小化，發熱也最小化，從而不會出現加工材料的脆變。 圖6示出了本發明的替代實施例，其中噴吸器支架主體112可以具有大致筒形，包 括第一端或桿端136以及第二端或刀片端，刀片端具有如已有實施例中的刀片214。支架主 體112也可以具有通過噴吸器支架主體112至少一部分的排出槽或導管，其從桿端離開，用 于將切屑和切削液通過噴吸器支架主體112進入桿或管。桿端136可以構造成連接于空心 桿或管(未示出)。管可以具有內徑和用于連接鉆頭的內螺紋140。噴吸器支架主體112 可以包括鄰近第一端或桿端136的螺紋140，對應于桿上的螺紋，將導管138與桿或管的內 徑對準。當導管與管對準時，導管38的直徑無需與管的內徑相同。螺紋140可以是復合引 導鎖定螺紋。或者，螺紋140可以是單一引導螺紋。 另一個實施例示于圖7，其中噴吸器支架主體212也可以具有大致筒形，包括第一 端或桿端以及第二端或刀片端。排出槽或導管也設置成通過噴吸器支架主體212的至少一 部分，從桿端離開，用于使切屑和切削液通過噴吸器支架主體212進入桿或管。桿端可以構 造成連接于空心桿或冷卻劑管(未示出)。管可以具有內徑和用于連接鉆頭的螺紋。噴吸 器支架主體212可以包括鄰近第一端或桿端的螺紋240，對應于桿上的螺紋，將導管與桿或 管的內徑對準，如已有的實施例那樣。螺紋240可以是復合引導鎖定螺紋，或者螺紋可以是 單一引導螺紋。管支承表面242可以設置在噴吸器支架主體212上，鄰近管和噴吸器支架 主體212的交點。管支承表面242可以適配在管的內徑內并適配管的內表面。管支承表面 242可以用于將噴吸器支架主體212與冷卻劑管對準。管支承表面可以精確地磨平以緊密 配合管的內表面。緊密公差配合可以減少與噴吸鉆系統相關的總指示器振擺并改善孔的準 直度。空心桿或管可以在內表面上設有對應于噴吸器支架主體212的螺紋240的螺紋。內 管螺紋可以是復合引導鎖定螺紋，當鉆孔系統被旋轉操作時，鎖定螺紋將螺紋240更緊地 引入管中，并將支架主體12牢固地安裝于冷卻劑管。 噴吸器支架主體212可以包括支承區域244。支承區域244可以包含噴吸器支架主 體212的一個或多個外表面。支承區域244可以具有鉻層或其它耐磨材料層以在操作時保 護支承區域244。鉻層或其它耐磨材料層用于在引導鉆10時保護支架外徑。支承區域244 的外徑可以稍微小于鉆徑。鉻層可以在低轉速和溫度下保護支承區域244。對于更高的轉 速，可以在支承表面244上使用硬質合金覆層材料。另外，可以使用硬質合金耐磨帶246來 保護噴吸器支架主體212。硬質合金耐磨帶246可以設置在支承區域244內。耐磨帶246 設置在主體外表面的至少一部分上，可以包括位于主體外徑處的表面上的硬質合金材料薄 帶。帶246的外徑可以稍微小于鉆徑。耐磨帶246可以在較高轉速和溫度下保護支承區域 244。耐磨帶246可以釬焊到位或以其它方式被合適地固定于支架主體212。或者，耐磨帶 246可以栓接或以其它合適方式連接于支架主體212。可以利用硬質合金焊接來制造耐磨 帶246，但其它合適的方法也是可行的。根據應用耐磨帶246的厚度可以適當增加/減少。 耐磨帶246可以由硬質合金材料形成，例如碳化鈦、碳化鎢、鋁青銅、高速鋼、硬鉻鍍層或其 它合適的耐磨材料。槽248可以沿噴吸器支架主體212的外表面設置，能夠將流體導向刀 片214。槽248可以使切削液沿噴吸器支架主體212的外周流向切削刀片214。
雖然在前面的附圖和說明中詳細描述了本發明，但這應被認為是示例性而非限制 性，應當理解，僅示出和描述了示例性實施例，在所附權利要求限定的本發明的范圍內的所 有改變和變型都在保護范圍內。在研究本說明書后本領域技術人員會了解本發明的其它特 征。可以在不脫離本發明的精神和范圍內進行多種變型。
權利要求
一種用于筒形桿的鉆頭，該筒形桿具有內徑和螺紋，所述鉆頭包括軸向主體，包括通過第一端離開的導管；鄰近第一端的螺紋，與所述桿上的螺紋對應并將導管與桿的內徑對準；從主體的外表面至導管的洞；以及鄰近第二端的兩個軸向近似平行延伸并錯開的表面；和固定在所述兩個錯開表面之間的刀片，所述刀片包括至少部分接觸一個錯開表面的第一面和至少部分接觸另一個錯開表面的第二面；鄰近第一面和/或第二面的一個或多個切削刃；以及鄰近一個或多個切削刃的鉆唇。
2. 根據權利要求1的鉆頭，所述主體還包括 在主體外表面的至少一部分上的覆層。
3. 根據權利要求2的鉆頭，所述覆層位于主體的外徑處。
4. 根據權利要求2的鉆頭，所述覆層選自硬質合金材料、硬質鉻、鋁青銅、高速鋼或其組合。
5. 根據權利要求2的鉆頭，其中所述覆層被釬焊連接至所述主體。
6. 根據權利要求1的鉆頭，所述主體還包括 沿主體外表面的槽，能夠將流體導向刀片。
7. 根據權利要求6的鉆頭，所述槽近似平行于旋轉軸線。
8. 根據權利要求1的鉆頭，所述主體還包括圍繞所述洞的緩沖部。
9. 根據權利要求l的鉆頭，所述洞是延伸通過所述主體的橫向洞。
10. 根據權利要求l的鉆頭，所述洞近似垂直于所述導管。
11. 根據權利要求1的鉆頭，所述主體還包括 與所述桿的內徑對應的支承表面。
12. 根據權利要求1的鉆頭，所述刀片還包括 一個或多個切屑分解器，設置成通過一個或多個切削刃。
13. 根據權利要求1的鉆頭，所述刀片還包括 一個或多個切削腹板，設置成鄰近一個或多個切削刃。
14. 根據權利要求l的鉆頭，所述螺紋是所述主體外表面上的外螺紋。
15. 根據權利要求l的鉆頭，所述螺紋是鄰近所述導管的內螺紋。
16. 根據權利要求l的鉆頭，所述螺紋是復合引導鎖定螺紋。
17. 根據權利要求l的鉆頭，還包括鄰近第一面和第二面的至少兩個切削刃。
18. 根據權利要求17的鉆頭，其中切削幾何形狀在至少兩個切削刃之間設定夾角，以 最小化徑向負荷。
全文摘要
一種用于筒形桿的鉆頭，該筒形桿具有內徑和螺紋，所述鉆頭包括軸向主體，軸向主體包括通過第一端離開的導管、鄰近第一端與所述桿上的螺紋對應并將導管與桿的內徑對準的螺紋、從主體的外表面至導管的洞以及鄰近第二端的兩個軸向近似平行延伸并錯開的表面；和固定在所述兩個錯開表面之間的刀片，所述刀片包括至少部分接觸一個錯開表面的第一面和至少部分接觸另一個錯開表面的第二面、鄰近第一面和/或第二面的一個或多個切削刃以及鄰近一個或多個切削刃的鉆唇。
文檔編號B23P15/32GK101730603SQ200880022338
公開日2010年6月9日 申請日期2008年6月20日 優先權日2007年6月29日
發明者C·M·林奇, D·A·盧茨, J·R·波特 申請人:聯合機械工程公司