專利名稱：研磨工具插件及其制造技術
技術領域：
本發明涉及研磨工具插件的領域，更特別的是涉及如下的插件，該插件具有支承件，該支承件具有鋸齒形圖案的同心環，該同心環具有疊置的并從支承件的中心徑向向外傾斜到其周邊的凹槽，并且其中該基體的輪廓從其中心到其周邊向下傾斜。
背景技術：
研磨坯塊在切削、銑銷、磨削、鉆銷和其他研磨操作中廣泛使用。研磨顆粒坯塊是例如金剛石和/或立方氮化硼(CBN)的多晶體的研磨顆粒，該顆粒粘接在一起以便形成整體、耐磨、高強度物體。這種部件可以顆粒和顆粒之間自粘接的關系通過布置在顆粒之間的粘接介質及其組合粘接在一起。研磨坯塊的研磨顆粒含量很高并且存在大量直接的顆粒和顆粒之間的粘接。研磨坯塊在升高的或高壓和溫度(HP/HT)的條件下制成，在該條件下顆粒、金剛石和CBN的晶體結構穩定。例如，見美國專利No.3,136,615，3,141,746和3,233,988。
受到支承的研磨顆粒坯塊(這里稱為合成坯塊)是研磨顆粒坯塊，該坯塊粘接在例如燒結的碳化鎢的基體材料上。
研磨坯塊很脆，并在使用中經常通過粘接在硬質合金基體上來支承。這種受到支承的研磨坯塊在現有技術中公知為合成研磨坯塊。此類型的坯塊例如描述在美國專利No.3,743,489，3,745,623和3,767,371中。粘接在支承件上可以在形成研磨顆粒坯塊期間或之后形成。合成研磨坯塊可用于研磨工具的工作表面中。
已經發現合成坯塊作為鉆頭的切削元件時特別有用。用于巖石鉆銷、耐磨材料的加工和其他需要高耐磨操作的鉆頭通常包括多個固定在保持件上的多晶研磨切削元件。特別是，美國專利No.4,109,737和5,374,854描述帶有碳化鎢支承塊(基體)的鉆頭，其中多晶金剛石坯塊位于切削元件的外表面上。多個這種切削元件接著通過干涉配合安裝在例如轉動鉆頭的鉆頭頭部的凹口內。這些鉆頭通常具有在鉆銷操作中提供冷卻水或其他冷卻流體到鉆頭頭部和正在鉆銷的基體之間的界面上的裝置。通常該切削元件包括由可以是燒結或粘合碳化物(例如碳化鎢)的金屬碳化物制成的細長銷(栓)，在該銷的一端有研磨顆粒坯塊(例如多晶金剛石)以便形成合成坯塊。
合成坯塊的制造通常通過將硬質合金基體放置在壓力機的容器中。金剛石顆粒或金剛石顆粒以及催化粘接劑的混合物放置在基體的頂部并在HP/HT條件下壓縮。為此，金屬粘接劑游離基體并穿過金剛石顆粒以有助于金剛石顆粒的燒結。因此，金剛石顆粒相互粘接以便形成金剛石層，該金剛石層沿傳統平界面伴隨地粘接在基體上。金屬粘接劑可保持在金剛石層中，其中孔限定在金剛石顆粒之間。
以所述方式形成的合成坯塊可存在許多缺點。例如，硬質合金和金剛石的熱彭脹系數和彈性常數接近但不相同。因此在多晶金剛石坯塊(PDC)加熱和冷卻時，在金剛石層和結合硬質合金基體之間的界面處出現熱應力，這些應力的大小例如取決于熱彭脹系數和彈性常數的不同。
應該考慮的另一潛在的缺點與金剛石層內的內應力的產生相關，該應力可導致該層的裂紋。這種應力還由硬質合金基體的存在造成，并按照硬質合金基體和多晶金剛石層的尺寸、幾何形狀和物理特性進行分布。
近年來，已經提出不同的PDC結構，其中金剛石/硬質合金界面包括多個凸脊、凹槽或其他凹口，旨在降低金剛石/硬質合金界面對于機械和熱應力的敏感性。在美國專利No.4,784,023中，PDC包括具有多個交替的凸脊和凹槽的界面，其頂部和底部大致平行于坯塊表面，并且其側部大致垂直于該坯塊表面。
美國專利No.4,972,637提出一種PDC，其具有包括延伸到硬質合金層的離散隔開的凹口的界面，該凹口包括研磨材料(例如金剛石)并且布置層一排，每個凹口相對于相鄰排的最臨近的凹口成交錯形式。’637專利聲稱當金剛石/硬質合金界面出現磨損時，填充金剛石的凹口的磨損比硬質合金慢，并該凹口實際上用作切削邊緣或突出部。當PDC安裝在柱形刀具上時，如’637專利的圖5所示，磨損平面38暴露硬質合金區域42，該區域比凹口18內的金剛石材料更快磨損。因此，在填充金剛石的凹口之間的這些區域內出現下陷。’637專利聲稱暴露金剛石材料的另外邊緣的這些下陷區域增加了PDC的切削作用。
美國專利No.5,007,207提出一種可選擇的PDC結構，在碳化物層上具有多個凹口，每個凹口填充金剛石，該凹口形成螺旋或同心圓的圖案(在盤形坯塊處向下觀看)。因此，’207結構不同于’637結構之處在于’207結構沒有采用大量的離散凹口而是使用一個或幾個形成螺旋或同心圓圖案的細長凹口。’207專利的圖5表示磨損平面，該平面在PDC安裝和使用在柱形刀具上時形成。對于’637結構，磨損過程在’207結構在的填充金剛石的凹口之間的硬質合金材料中產生下陷。與’207專利類似，’637專利還聲稱在磨損過程中形成的這些下陷提高切削作用。
美國專利No.5,484,330提出一種研磨工具插件，其中硬質合金支承件形成鋸齒形截面輪廓，并包括多個向該插件的切削邊緣向外和向下傾斜的表面。
美國專利No.5,486,137提出一種研磨工具插件，該插件具有研磨顆粒層，該層具有上表面、外周邊和整體形成在限定其中界面的基體上的下表面。該研磨顆粒層在其外周邊處形成切削平面。研磨顆粒層在其外周邊切削平面的厚度徑向向內減少。因此，該界面可具有鋸齒形截面輪廓，至少一從所述研磨顆粒層外周邊徑向向內延伸的細槽或根據本發明的思想的其他構形。同樣，向外傾斜輪廓的角度可與當PDC使用時磨損形成的磨損平面的預定角度相配。
美國專利No.5,494,477提出一種研磨工具插件，該插件包括硬質合金基體和通過高壓、高溫工藝形成其上的多晶金剛石層。基體和金剛石層之間的界面包括至少一傾斜的輪廓，其中所述輪廓向該插件的周邊向下并向外傾斜。
由此所述專利聲稱在切削巖石中可獲得所需切削作用，還非常希望減少金剛石層對于部分由內部殘留應力造成的裂紋和碎片的敏感程度。
因此，還非常希望提供一種多晶金剛石坯塊，該坯塊具有增加的抵抗金剛石碎片裂紋的能力。
發明內容
一種研磨工具插件，由基體形成，該基體具有表面和連續的研磨層，該研磨層具有中心和形成切削邊緣的周邊，切削邊緣整體形成在基體上并限定其中的界面。該界面形成為從所述中心延伸到該周邊的同心環的鋸齒圖案。從該中心延伸到周邊的徑向向外傾斜的凹槽疊置在該同心環上。該界面的輪廓從該中心到該周邊向下傾斜。研磨層有利的是金剛石并且該基體有利的是金屬硬質合金。
還披露一種形成研磨工具插件的方法，該方法由提供具有表面的基體開始。接著，該表面上形成從該中心延伸到該周邊的同心環的鋸齒圖案，從該中心延伸到該周邊的徑向向外傾斜的凹槽疊置在該同心環上，界面的輪廓從該中心到該周邊向下傾斜。最后，具有中心和形成切削邊緣的周邊的連續研磨層整體形成在基體上。
本發明的優點包括通過在碎片和裂紋通常出現的位置上降低研磨層內的殘留拉伸應力來增加研磨工具插件的使用壽命。另一優點是能夠增加金剛石切削層和硬質合金支承件之間機械互鎖。另一優點是能夠降低多晶刀具的切削邊緣區域內的拉伸應力。這些和其他優點對于本領域技術人員便于理解。
為了更完全理解表面的本質和優點，對于以下與附圖結合的詳細描述進行參考，附圖中圖1是本發明界面構形的一個實施例的透視圖；圖2是本發明界面構形的另一實施例的透視圖；圖3是對于傳統刀具元件和具有圖2所示構形的刀具元件來說沖擊能力對刀具類型的圖表。
附圖將在下面詳細說明具體實施方式
圖1和2內的硬質合金支承件的形狀獨特之處在于它包括兩個不同的疊置圖案，該圖案一起有助于改善切削性能。首先參考圖1，透視圖所示的刀具支承件10包括總體平的圓柱形狀，其帶有平的底部(圖1中未看到)和環形直側面。對于支承件10獨特之處在于其上表面的圖案，該圖案形成與通過多晶或其他超硬材料制成的上切削表面的界面。特別是，所看到的界面表面包括同心環的鋸齒圖案(環形鋸齒圖案環)12、14和16。例如由環形環16的齒18為代表的齒形成不同的構形，其包括方形、鑿子形、尖形等。圖1表示齒的三個環形排，該排數可以更多或更少。
疊置在鋸齒形環12、14和16并由形成在環16、14和12內的凹槽部段10、22和24表示的凹槽從支承件10的中心延伸到支承件10的周邊。盡管可以設置更多或更少的這樣的凹槽，圖1中表示12個這樣的凹槽。
最后，支承件10界面的輪廓從中心26向下傾斜到支承件10的側表面28。這意味著從支承件10的中心到周邊的每個連續的環形鋸齒環低于其相鄰的內環。在圖1中，這意味著界面的輪廓在中心26最高，在環16最低，其中每個環14和16比其內側的相鄰環形環更低。向外傾斜的界面輪廓可以是直的或弧形的。
類似的圖案表示在圖2中。即，看到支承件30具有中心32；環形環34、35和38；環形側面40；和例如由凹槽部段42、44和46形成的凹槽。再次，出于說明的目的表示出三個環形環，但不作為限制。同樣，出于說明目的表示出12個凹槽，但不作為限制。同樣，界面從中心32傾斜到外環38。
多晶上層最好是多晶金剛石(PCD)。但是，在本發明的范圍內包括的其他材料是合成和天然金剛石、立方氮化硼(CBN)，纖維鋅礦氮化硼及其組合和類似材料。但是多晶金剛石是優選的多晶層。硬質合金基體是傳統的組分，并因此可包括任何的Group IVB，VB或VIB金屬，該金屬在鈷、鎳或鐵、或其合金的粘接劑存在的情況下壓制并燒結。優選的硬質合金是碳化鎢。
另外，在本發明的實踐中，金剛石層的外表面構形不重要，優選的是該層大致是半球形的。該金剛石層的表面構形還可以是平面、錐形、減小或增加半徑、鑿子形或非對稱形狀。通常，用于鉆銷工業中的碳化鎢插件的所有形式可以通過添加金剛石層來強化，并通過本發明增加這里所述的凸脊圖案來改善。
披露的研磨工具插件通過本領域公知的傳統高壓/高溫(HP/HT)技術制造。這種技術特別披露在上面所述的現有技術中。
在本發明參考優選實施例描述的同時，本領域技術人員將理解可以進行不同的改變并以等同物代替其部件，而不超出本發明的范圍。另外，可以進行許多變型以便按照本發明的教導適應特定的情況或材料，而不超出本發明的范圍。因此，不打算將本發明限制在作為實施本發明的最佳模式進行披露的特定實施例中，而是本發明將包括落入所附權利要求范圍內的所有實施例。在此應用中，除非特別指出，所有單位是米制系統，并且所有的量和百分比以重量為基礎。同樣，這里參考的所有引用結合于此作為參考。
實例按照以下試驗方法收集沖擊阻力數據
Parkson Mill參數復合刀具-7°徑向/12°軸向紅山花崗巖工件350rpm切削速度3”/min(7.62cm/min)進給速度沒有冷卻劑圖2所示的本發明刀具與傳統右旋滾刀(與GE Superabrasives，Worthington，OH，US的美國專利No.5,484,330，5,486,137和5,494,477類似)，其中金剛石層的厚度大致相同。進行兩個相同的操作。記錄以下數據。
表1
圖3表示的表內數據，其中長條48表示傳統刀具兩次操作的平均值，長條50表示具有圖2所示界面的刀具的兩次操作的平均值。
這些結果表示本發明的刀具顯示了改進的沖擊性能，這對產品質量很關鍵。另外，試驗現場測試結果已經證實這些數據，并表示出與美國專利No.5,484,330，5,486,137和5,494,477相比，ROP(切入速度)提高3倍，WOB(刀頭重量)減少50％。
權利要求
1.一種研磨工具插件，其包括(a)具有表面的基體；(b)具有中心、形成切削邊緣整體形成在所述基體上而且限定其中的界面的周邊的連續研磨層，其中所述界面包括從所述中心延伸到所述周邊的同心環的鋸齒圖案，從所述中心延伸到所述周邊的徑向向外傾斜的凹槽疊置在所述同心環上，所述界面的輪廓從所述中心向下傾斜到所述周邊。
2.如權利要求1所述的研磨工具插件，其特征在于，所述基體包括硬質合金。
3.如權利要求2所述的研磨工具插件，其特征在于，所述硬質合金從大致包括Group IVB，Group VB和Group VIB金屬碳化物的組中選出。
4.如權利要求1所述的研磨工具插件，其特征在于，所述研磨層從大致包括金剛石、立方氮化硼、該纖維鋅礦氮化硼及其組合的組中選出。
5.如權利要求3所述的研磨工具插件，其特征在于，所述研磨層從大致包括金剛石、立方氮化硼、該纖維鋅礦氮化硼及其組合的組中選出。
6.一種形成研磨工具插件的方法，該方法包括以下步驟(a)設置具有表面的基體；(b)在所述表面上形成從所述中心延伸到所述周邊的同心環的鋸齒圖案，從所述中心延伸到所述周邊的徑向向外傾斜的凹槽疊置在所述同心環上，所述界面的輪廓從所述中心向下傾斜到所述周邊；以及(c)具有中心和形成切削邊緣的連續研磨層整體形成在所述基體上。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述基體包括硬質合金。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述硬質合金從大致包括Group IVB，Group VB和Group VIB金屬碳化物的組中選出。
9.如權利要求6所述的方法，其特征在于，所述研磨層從大致包括金剛石、立方氮化硼、該纖維鋅礦氮化硼及其組合的組中選出。
10.如權利要求8所述的方法，其特征在于，所述研磨層從大致包括金剛石、立方氮化硼、該纖維鋅礦氮化硼及其組合的組中選出。
11.一種改進研磨工具插件的沖擊性能的方法，該方法包括以下步驟(a)設置具有表面的基體；(b)在所述表面上形成從所述中心延伸到所述周邊的同心環的鋸齒圖案，從所述中心延伸到所述周邊的徑向向外傾斜的凹槽疊置在所述同心環上，所述界面的輪廓從所述中心向下傾斜到所述周邊；以及(c)具有中心和形成切削邊緣的連續研磨層整體形成在所述基體上。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述基體包括硬質合金。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述硬質合金從大致包括Group IVB，Group VB和Group VIB金屬碳化物的組中選出。
14.如權利要求11所述的方法，其特征在于，所述研磨層從大致包括金剛石、立方氮化硼、該纖維鋅礦氮化硼及其組合的組中選出。
15.如權利要求13所述的方法，其特征在于，所述研磨層從大致包括金剛石、立方氮化硼、該纖維鋅礦氮化硼及其組合的組中選出。
全文摘要
一種形成在基體(10)上的研磨工具插件，其具有表面和連續研磨層，該研磨層具有中心(26)、形成切削邊緣并整體形成在所述基體上而且在其中限定界面的周邊。界面形成為從所述中心延伸到周邊(28)的同心環(16、14、12)的鋸齒圖案。從中心延伸到該周邊的徑向向外傾斜的凹槽疊置在同心環上。界面的輪廓從中心向下傾斜到周邊。有利的是研磨層是金剛石，基體是硬質合金。本發明還涉及形成研磨工具插件的方法。
文檔編號B24D7/00GK1500023SQ02807797
公開日2004年5月26日 申請日期2002年2月22日 優先權日2001年4月30日
發明者S·R·斯奈德, E·M·奧蒂赫爾奈, S R 斯奈德, 奧蒂赫爾奈 申請人:通用電氣公司