專利名稱：含有纖維的嵌有金剛石的切削刀具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及切削刀具及其使用方法。尤其是，本發(fā)明涉及含有纖維的嵌有金剛石的切削刀具。

背景技術(shù)：
切削刀具可嵌入金剛石從而用于研磨、拋光或者以其它方式切削普通切削刀具所無法切削的物質(zhì)。這些切削刀具中用以執(zhí)行切削作業(yè)的部分(或切削刀具的切削部分)通?？捎砂蹱罱饘倩驁?jiān)硬粒狀材料，如碳化鎢的基體形成。有時(shí)，此基體材料會(huì)被滲入粘結(jié)劑，例如銅合金。最后，這些刀具的切削部分可被嵌有金剛石晶體或一些其它形式的研磨切削介質(zhì)。當(dāng)?shù)毒哐心ズ颓邢髌谕奈镔|(zhì)時(shí)，刀具的切削部分將磨蝕和曝露出金剛石晶體(或其它切削介質(zhì))的新層，從而使切削部分于切削過程中始終保持有銳利的表面。任何嵌有金剛石的切削刀具均可連續(xù)進(jìn)行有效地切削直至刀具上嵌有金剛石的部分被完全磨損。此時(shí)，刀具將變鈍并且必須用新的刀具加以替換。
有些時(shí)候，嵌有金剛石的切削刀具會(huì)很昂貴并且更換刀具會(huì)耗時(shí)、提高成本，同時(shí)還會(huì)有危險(xiǎn)。例如，在更換嵌有金剛石的鉆芯取樣鉆頭時(shí)，需要將整個(gè)鉆桿柱從已經(jīng)被鉆削的孔洞(鉆孔)中移出(或取出)。鉆桿的每一部分必須依序地從鉆孔中移出。一旦鉆頭被更換，整個(gè)鉆桿柱還必須一部分接一部分地進(jìn)行組裝之后再裝回到鉆孔中。由于鉆孔的深度及被鉆削物質(zhì)的特性不同，對(duì)于單一鉆孔來說上述過程有可能需要重復(fù)多次。
同時(shí)，傳統(tǒng)的嵌有金剛石的切削刀具經(jīng)常會(huì)具有一些能夠增加其切削部分的損耗速度的特性，并且因此會(huì)增加與軟管切削刀具有關(guān)的作業(yè)成本。首先，切削刀具中的粘結(jié)材料與切削介質(zhì)相比會(huì)比較柔軟。因此，切削部分會(huì)過早地磨蝕并使得金剛石或其它研磨切削介質(zhì)過早地脫落。其次，切削部分的磨蝕速度會(huì)由于在刀具切削表而或者刀具切削部分與被切削物質(zhì)之間的界面上或其周圍潤(rùn)滑不良而增加。最后，傳統(tǒng)的嵌入型切削刀具還會(huì)因過于耐磨而無法曝露和更新切削部分的層。


發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上問題，本發(fā)明之目的在于提供一種嵌有金剛石的切削刀具及其制造和使用方法。該切削刀具包含嵌有金剛石的切削部分，該切削部分包含由碳、玻璃、陶瓷、聚合物等制成的纖維。該纖維可為任意形式，其中包含切短纖維與研磨纖維。該纖維也可覆蓋有金屬、陶瓷或其它可增強(qiáng)性能的涂層。該纖維可用于控制切削部分中基體的抗拉強(qiáng)度及其磨蝕速度從而優(yōu)化刀具的性能。另外，該纖維還可削弱結(jié)構(gòu)并使更高模數(shù)的粘結(jié)劑以較低的消耗使用到切削刀具，其中所允許的纖維量將適合于保持切削部分中的金剛石達(dá)到期望的時(shí)間量。并且當(dāng)切削部分磨蝕時(shí)，該纖維還可增加切削部分表面的潤(rùn)滑性。使用該纖維可使切削刀具使用更長(zhǎng)的時(shí)間，并且由于無需經(jīng)常對(duì)刀具進(jìn)行更換，因而使切削刀具更具安全性且更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
附圖簡(jiǎn)要說明 參照以下附圖，隨后的說明書可被更加清楚地加以理解，附圖中

圖1表示了鉆芯取樣鉆頭的示意圖； 圖2表示了金剛石繩的橫截面的示意圖； 圖3表示了另一金剛石繩的橫截面的示意圖；以及 圖4表示了單獨(dú)的金剛石繩串珠的橫截面的示意圖。
結(jié)合如下的說明，上述附圖表明并解釋了本發(fā)明以及使用本發(fā)明的方法的原理。在上述附圖中，為了表示清楚，部件的厚度和結(jié)構(gòu)可能被放大。并且在不同附圖中的相同標(biāo)號(hào)代表相同的部件。

具體實(shí)施例方式 以下說明將提供詳細(xì)的描述以便全面理解本發(fā)明。盡管不利用這些詳細(xì)的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員也可理解本發(fā)明的設(shè)備以及制造和使用該設(shè)備的有關(guān)方法能夠得以實(shí)現(xiàn)并加以使用。而實(shí)際上，該設(shè)備及有關(guān)方法可被用于相關(guān)的已被慣常地應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)中的任何系統(tǒng)、部件和/或技術(shù)中。例如，對(duì)于下面說明所關(guān)注的在嵌有金剛石的切削刀具中使用纖維來說，本發(fā)明也可同樣應(yīng)用于其它多種切削刀具中，例如可應(yīng)用于嵌有任何切削介質(zhì)的切削刀具中，這些切削介質(zhì)可以是超耐磨材料(例如多晶金剛石)、氧化鋁、碳化硅、氮化硅、碳化鎢、立方氮化硼、礬土、加晶種或未加晶種的溶膠凝膠礬土等等以及上述物質(zhì)的多種組合物。
這里所描述的切削刀具可被用于切削巖石、地下礦物層、陶瓷、地瀝青、混凝土及其它硬質(zhì)材料。這些切削刀具中可包含鉆芯取樣鉆頭、刮刀鉆頭、滾錐鉆頭、金剛石繩、研磨杯、金剛石刀片、開槽片(tuck pointer)、開槽梳刀(crack chaser)等等。例如，該切削刀具可為任意類型的對(duì)地鉆頭(即鉆芯取樣鉆頭、刮刀鉆頭、滾錐鉆頭、納維鉆、全孔鉆、孔鋸、開孔機(jī)等等)，金剛石鋸片(例如激光焊接刀片、凹形金剛石刀片、分段刀片、連續(xù)輪輞刀片、波形取芯刀片、通風(fēng)取芯刀片等等)，研磨杯(例如單排杯、雙排杯、具有T形片段的研磨杯等等)，開槽片(例如三排等等)，開槽梳刀，拋光盤等等。而在一些具體實(shí)施例當(dāng)中，這些切削刀具為鉆芯取樣鉆頭及金剛石繩。
用以執(zhí)行切削作業(yè)的部分切削刀具(或刀具的切削部分)包含具有粉狀金屬或堅(jiān)硬粒狀材料，例如碳化鎢或其他任何超耐磨材料的基體。該基體有時(shí)可被滲入有粘結(jié)劑，例如銅合金或基本等同的物質(zhì)，并且該基體可被燒結(jié)成片段。如同在切削刀具為鉆芯取樣鉆頭及金剛石繩的實(shí)施例中所詳細(xì)描述的那樣，這些刀具的切削部分還可嵌入有金剛石或一些其他形式的研磨切削介質(zhì)，并且混合(并且在一些實(shí)施例中得以加強(qiáng))有纖維材料(或纖維)。
圖1表示了一個(gè)含有纖維的切削刀具，一含有(并且在一些實(shí)施例中纖維得以加強(qiáng))纖維的鉆芯取樣鉆頭的實(shí)例。如圖1所示，該鉆頭20包含連接至鉆桿柱其余部分的第一部分21。該鉆頭20還可包含用于在鉆孔工程中切削期望物質(zhì)的第二部分22。鉆頭20的主體具有一外表面和一個(gè)其中包含中空部分的內(nèi)表面。由于具有這樣的結(jié)構(gòu)，鉆削下來的物質(zhì)碎塊可穿過中空部分并向上進(jìn)入到與鉆頭相連的鉆桿柱之內(nèi)，于是可以被收集。
鉆頭20可為任意尺寸，并因此可用于收集任意尺寸的鉆芯取樣。當(dāng)鉆頭具有任意的周長(zhǎng)并且用于去除和收集具有任意期望的直徑的鉆芯取樣時(shí)，該鉆頭的直徑常?？蔀榇蠹s1至大約12英寸。同樣，當(dāng)鉆頭的切口(鉆頭的外表面半徑減去內(nèi)表而半徑)為任意寬度時(shí)，該切口寬度通?？蔀榇蠹s1英寸至大約6英寸。
鉆頭20的第一部分21可由公知技術(shù)中任何適當(dāng)?shù)牟牧现瞥?。在一些?shí)施例中，該第一部分可由鋼或者在粘結(jié)劑中以堅(jiān)硬粒狀材料鑄造成的基體制成。在一些實(shí)施例中，第一部分21可包含夾頭端，該夾頭端有時(shí)被稱為間隔部、鉆頭體或鉆柄，其可具有各種用途，其中包括將鉆頭連接至最近的鉆桿柱部分。因此，夾頭端可由本領(lǐng)域所公知的結(jié)構(gòu)構(gòu)成，以便將鉆頭20連接至任何所期望的鉆桿柱部分。
鉆芯取樣鉆頭20的第二部分22可包含具有切削元件12的切削部分，該切削元件12具有一切削表面14。切削元件12之間具有一間隔16，因此，如本領(lǐng)域所公知的，在鉆孔過程中，鉆孔流體可沿著由箭頭所表示的路徑流動(dòng)。該鉆芯取樣鉆頭的切削部分常被稱為鉆冠，其可由本領(lǐng)域中公知的任何材料構(gòu)成。此種類型的鉆頭(鉆芯取樣鉆頭)通?？捎射摶蚍蹱罱饘俚幕w形成，該粉狀金屬為堅(jiān)硬粒狀材料，例如碳化鎢、鎢、鐵、鈷和/或鉬。上述材料隨后可被滲入粘結(jié)劑，例如銅合金、鋅、銀、鉬、鎳、鈷或其等同物，并且/或者可被燒結(jié)。該鉆頭的切削部分還可嵌入有任何形式或組合形式的切削介質(zhì)，例如金剛石晶體。
用于鉆頭的切削介質(zhì)可具有任意期望的特性或特性的組合。例如，該切削介質(zhì)可具有任何的尺寸、形狀、粒度、質(zhì)量、磨度、濃度等等。在一些實(shí)施例中，該切削介質(zhì)可非常小并且可大致上為圓形以使得在鉆芯取樣鉆頭所切削的物質(zhì)上留下高的光潔度。在另一些實(shí)施例中，該切削介質(zhì)可較大以便更深地切入被切削的物質(zhì)。
該切削介質(zhì)可均勻地或不均勻地包含于鉆頭中。同時(shí)，該切削介質(zhì)可以特別的方式排列以使得該切削介質(zhì)的切削性能可存在于相對(duì)于鉆頭的切削部分比較有利的位置。同樣地，該切削介質(zhì)也可以各種不同的密度包含于鉆頭中以具有期望的特定用途。例如，間隔較大的大磨粒與緊密地壓縮在一起的小磨粒相比可以更加快速地切削物質(zhì)。但是磨粒的尺寸、密度及形狀可依據(jù)期望的鉆頭成本與性能而具有各種不同的組合形式。
在一些實(shí)例中，鉆頭的切削部分可由一個(gè)或多個(gè)層制成。例如，切削部分可包含兩個(gè)層其中一層可為基體層，其用以進(jìn)行切削作業(yè)，另一層可為一襯墊層，其可用于將基體層連接至鉆頭的第一部分。在這些實(shí)施例中，基體層可包含實(shí)際的切削介質(zhì)，其可用于研磨和侵蝕要被鉆削的物質(zhì)。與被切削物質(zhì)相接觸的基體層的部分即被認(rèn)為是切削表面。
切削刀具的另一個(gè)實(shí)施例包含具有纖維(并且在一些實(shí)施例中纖維可被加強(qiáng))的金剛石繩片段或串珠。金剛石繩可用于切削各種堅(jiān)硬的物質(zhì)。例如，一個(gè)相對(duì)較大的金剛石繩可用于在采石場(chǎng)中從花崗巖層中切割出大塊的花崗巖以便進(jìn)一步加工。然而，在其他使用場(chǎng)合中，一個(gè)相對(duì)較小的金剛石繩可用于在實(shí)驗(yàn)室中切割堅(jiān)硬物質(zhì)的樣本以便進(jìn)行測(cè)試。
圖2表示了金剛石繩的一個(gè)實(shí)例。如圖2所示，該金剛石繩包含有任何適當(dāng)?shù)母邚?qiáng)度材料，例如鋼制成的芯線2，該芯線2可涂覆有切削材料涂層4.在此金剛石繩中的該涂層4可作為該金剛石繩的切削部分。該涂層4可含有粘結(jié)劑(例如銅合金、鐵、碳化硅等)及可由鋼或粉狀金屬/堅(jiān)硬粒狀材料(例如碳化鎢、鎢、鐵、鈷、鉬等)形成的基體材料。該涂層4還可被嵌入有任何的切削介質(zhì)8，例如金剛石晶體。位于該涂層4中的該切削介質(zhì)8可具有任何期望的特性，其中包括尺寸、形狀、排列方式、粒度、質(zhì)量、磨度、濃度、配額等等。
在一些實(shí)例中，該金剛石繩的涂層4可由一個(gè)或多個(gè)層制成。在這些實(shí)施例中，每一層可由任何期望的材料制成。例如，該襯墊層可包含鐵合金及介于基體與襯墊層之間的通常由銅合金或黃銅合金獲得的粘結(jié)劑。
圖3表示了含有纖維的金剛石繩的另一個(gè)實(shí)例。如圖3所示，該金剛石繩可具有研磨串珠，該研磨串珠被施加于一芯線纜28(或芯線)上以形成一連串研磨串珠從而作為金剛石繩上的切削部分。該研磨串珠可由任意適合的材料形成。例如，該研磨串珠可具有由基體材料形成的金剛石基體27，該基體材料可為粉狀金屬或堅(jiān)硬粒狀材料(例如碳化鎢、鎢、鈷、鉬等)。該基體材料可滲入有粘結(jié)材料(例如銅合金)。并且該研磨串珠可嵌入有任意的切削介質(zhì)(例如金剛石晶體)，該切削介質(zhì)可具有任何期望的特性，其中包括尺寸、形狀、排列方式、粒度、質(zhì)量、磨度、濃度、配額等等。
圖4表示了使用圖3中所示的金剛石繩的單獨(dú)的金剛石繩串珠26。該串珠26可為本領(lǐng)域公知的任何形狀和尺寸并且其可以本領(lǐng)域公知的任何方式施加至芯線。例如，圖3中的金剛石繩可借由制造包含有一涂層34及一通道32的串珠26而得以制成，其中該涂層34具有磨粒38及纖維36。在此實(shí)例中，該串珠26可隨后與一鋼制套圈接合，該套圈可被螺接在芯線之上。因此，位于金剛石繩上的該串珠26可與芯線分別制造，然后再與其它串珠在芯線上排成一串從而形成金剛石繩。在芯線上介于串珠之間可涂覆有本領(lǐng)域公知的密封劑借以形成金剛石繩，該密封劑通?？蔀橄鹉z25或一些其它的聚合材料。
金剛石繩也可為任意尺寸并因此可被用于任何公知的使用金剛石繩的加工過程中。例如，圖3中的金剛石繩的長(zhǎng)度可為大約5米至超過100米，并且具有直徑為大約4毫米至大約12毫米的串珠26。并且對(duì)于圖2中的金剛石繩來說，其長(zhǎng)度可為大約10厘米且芯線和切削材料涂層的直徑可為大約幾微米。不過，金剛石繩仍可長(zhǎng)于或短于前述實(shí)例中長(zhǎng)度并且還可具有任何期望直徑的串珠及線纜。
除了上面這些特征，包含有鉆芯取樣鉆頭或金剛石繩的嵌有金剛石的切削刀具還包含本領(lǐng)域公知的任何其它特征。例如，鉆芯取樣鉆頭可具有附加的鉆頭保徑、硬帶材沉積物、各種不同的鉆頭形面及其組合。位于鉆頭上或鉆頭中的鉆徑保護(hù)器可于鉆頭降入到鉆井壁中時(shí)用來減少對(duì)鉆頭以及鉆井壁的損傷。此外，該鉆芯取樣鉆頭可施加有硬質(zhì)合金帶用以防止鉆頭的切削部分被過早地磨蝕。
該嵌有金剛石的切削刀具的切削部分包含有纖維。任何公知的纖維材料或纖維組合物均可被添加至該切削刀具中。在一些實(shí)施例中，該嵌有金剛石的切削刀具的切削部分可包含碳化纖維、金屬纖維(例如由鎢、碳化鎢、鐵、鉬、鈷或其組合物制成的纖維)、玻璃纖維、聚合纖維(例如由凱夫拉爾制成的纖維)、陶瓷纖維(例如由碳化硅制成的纖維)、涂層纖維等等。
在一些實(shí)施例中，該嵌有金剛石的切削刀具的切削部分可含有任何種類的碳化纖維。也就是說，任何公知類型的碳化纖維均可被包含于該嵌有金剛石的切削刀具的切削部分之中。
在一些實(shí)施例中，該纖維可于被包含在該切削刀具中之前隨意地涂覆有一種或多種其它的材料。此涂層可用于加強(qiáng)各種性能。例如，一種纖維涂層可有助于保持切削刀具中的纖維。在另一實(shí)例中，一種纖維涂層可用于在纖維涂層被磨蝕脫落并且形成細(xì)顆粒材料時(shí)增加切削刀具的切削表面附近的潤(rùn)滑性以便減少摩擦。還有在另一實(shí)例中，一種纖維涂層可作為研磨材料并由此用于輔助切削加工。
任何公知的材料均可被用于涂覆在該切削刀具中所使用的纖維類型。例如，任何期望的金屬、陶瓷、聚合物、玻璃、膠類、濕潤(rùn)劑、熔劑或其他物質(zhì)均可用于涂覆在一切削刀具中所可能包含的期望類型的纖維。在一實(shí)例中，碳化纖維可被涂覆有金屬，例如鐵、鈦、鎳、銅、鉬、鉛、鎢、鋁、鉻或其組合物。在另一實(shí)例中，碳化纖維可被涂覆有陶瓷材料，例如碳化硅、氧化硅、二氧化硅等等。
當(dāng)纖維被涂覆有一個(gè)或多個(gè)涂層時(shí)，該涂層材料可覆蓋于該纖維的任何部分并且可具有任意期望的厚度。因此，涂層材料可以本領(lǐng)域所共知的任何方式施加至該纖維。例如，該涂層可通過噴鍍、刷涂、電鍍、浸潤(rùn)、氣相沉積或化學(xué)氣相沉積而施加至該纖維。
該嵌有金剛石的切削刀具，如鉆芯取樣鉆頭的切削部分中的纖維可為任意尺寸或尺寸的組合，其中包括不同尺寸的混合。例如，纖維可為任意長(zhǎng)度并具有任意期望的直徑。在一些實(shí)施例中，該纖維可長(zhǎng)約10至25000微米并可具有大約1至500微米的直徑。在另一些實(shí)施例中，該纖維可長(zhǎng)約150微米并可具有大約7微米的直徑。
該纖維可為任意的形狀或形狀的組合。其中該纖維可為帶狀、圓柱狀、多邊形、橢圓形、直線、弧形、卷曲形、盤繞形、成角度彎曲狀等等。例如，在圖2所示的實(shí)施例中，大多數(shù)的纖維6可為弧形。在其它實(shí)施例中，例如當(dāng)切削刀具包含鉆芯取樣鉆頭時(shí)，該纖維具有大致為圓柱形的形狀。
另外，該纖維也可為任意類型或多種類型的組合。例如，該纖維類型包括切短纖維、研磨纖維、辮形纖維、編織及盤繞纖維或束狀纖維。在一些實(shí)施例中，例如當(dāng)切削刀具包含鉆芯取樣鉆頭時(shí)，該纖維可含有切短纖維與研磨纖維之混合物。在一些實(shí)施例中，嵌有金剛石的切削刀具可含有一種類型的纖維。但在其它實(shí)施例中，該切削刀具可含有多種類型的纖維。在這些實(shí)例中，當(dāng)切削刀具含有一種以上的纖維類型時(shí)，纖維類型、質(zhì)量、尺寸、形狀、等級(jí)、涂層和/或具有其它特性的纖維的任意組合均可被加以使用。
切削刀具中的纖維可以任何期望的濃度存在于該切削刀具中。例如，切削刀具的切削部分可具有很高濃度的纖維、很低濃度的纖維或任何介于上述兩濃度之間的纖維。在一些實(shí)施例中，該切削刀具可含有大約為0.1至大約70的體積百分比濃度的纖維。在其它實(shí)施例中，該切削刀具可含有大約為0.1至大約30的體積百分比濃度的纖維。該切削刀具的第一部分可具有第一濃度的特定類型的加強(qiáng)纖維，并且其他部分可具有不同濃度(較低濃度或較高濃度)的相同或不同類型的加強(qiáng)纖維。在一些實(shí)施例中，纖維可均勻地散布于整個(gè)切削刀具的切削部分。而在另一些實(shí)施例中，纖維濃度可根據(jù)需要在切削刀具的任意期望的部分發(fā)生變化。實(shí)際上，任何期望的纖維濃度的變化均可被實(shí)現(xiàn)于切削刀具中。例如，當(dāng)切削刀具包含鉆芯取樣鉆頭時(shí)，其可含有呈階梯狀變化的纖維濃度。在此實(shí)例中，最接近于鉆頭切削表面的基體層部分可含有第一濃度的纖維，并且其纖維濃度可沿著朝向襯墊層的方向逐漸地減小或增大。這樣的鉆頭可被用于鉆削一開始具有柔軟、易磨損、松散的結(jié)構(gòu)，但隨著深入逐漸地變?yōu)閳?jiān)硬、固結(jié)的結(jié)構(gòu)的巖層。由此，散布于鉆頭中的纖維的濃度可根據(jù)該鉆頭將要鉆削的地層構(gòu)造而加以定制。
該纖維濃度還可以期望的方式在該切削刀具中變化。換句話說，切削刀具可包含與切削刀具其它部分相比具有不同濃度或混合物的纖維加強(qiáng)層的片段、帶、點(diǎn)、環(huán)或任何其它結(jié)構(gòu)。例如，鉆頭的切削部分可包含多個(gè)層、環(huán)或片段的含有纖維的基體層。該鉆頭的每一環(huán)、層或片段可具有在整個(gè)層、環(huán)或片段中濃度大致均等(或不均等)的纖維。而環(huán)與環(huán)(或片段與片段等等)之間的纖維濃度也可不同。并且不同纖維梯度的各種環(huán)可以任意的順序排列，可含有不同的纖維或纖維的組合，并且可具有任何期望的厚度。在另一實(shí)例中，鉆頭的外表面和內(nèi)表面可配置有與該鉆頭內(nèi)部的纖維濃度不同的纖維。
該纖維可以任何期望的方向或排列方式位于切削刀具的切削部分中。在一些實(shí)施例中，該纖維可在任何期望的方向上趨于彼此大致相互平行。然而，如圖2和圖4所示的那樣，在另一些實(shí)施例中，該纖維可隨意地形成并因此可朝向幾乎任何方向和/或所有的方向。
具有纖維的嵌有金剛石的切削刀具可使用任何公知的并能夠?yàn)槠涮峁┥鲜鎏卣鞯姆椒ㄖ瞥?。例如，上述鉆頭可按如下的具有示范性的方式制成。在此實(shí)例中，鉆頭的第一部分可由任何公知的方法得以制成。然后可使用任何能夠?qū)⑵谕睦w維配置到期望的位置并具有期望的濃度的方法將該纖維結(jié)合到鉆頭之中。例如，該纖維可被混合于用以制造該鉆頭的鉆冠的粉狀金屬中。然后，此混合物可被燒結(jié)和/或滲入有粘結(jié)劑。但在其它一些實(shí)施例中，該纖維可通過將其放入用以制造該鉆頭鉆冠的模具中而與鉆頭結(jié)合。而后，該鉆頭的第一部分可使用本領(lǐng)域公知的任何方法被連接至第二部分。例如，該第一部分可存在于用以形成該鉆頭的第二部分的模具中并且主體的兩端可被熔結(jié)在一起。此外，該第一部分與第二部分也可于第二加工，例如硬釬焊、焊接或粘結(jié)劑結(jié)合等過程中被成對(duì)的加以結(jié)合。
該具有纖維的嵌有金剛石的切削刀具可依據(jù)該切削刀具的類型被用于本領(lǐng)域所公知的任何場(chǎng)合。例如，嵌有金剛石的鉆芯取樣鉆頭可被連接至一鉆桿柱的端部，該鉆桿柱又被連接至鉆機(jī)。隨著鉆桿柱及鉆頭的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)，其便可磨削掉所鉆地層中的物質(zhì)。被鉆削出的鉆芯取樣可從鉆桿柱中抽取出來。鉆頭的切削部分可由于磨削作用而隨著時(shí)間的流逝被磨蝕。此過程將一直持續(xù)直至鉆頭的切削部分被磨蝕耗盡并且該鉆桿柱需要從鉆孔中取出以便對(duì)鉆頭進(jìn)行更換。
與不具有纖維的傳統(tǒng)切削刀具相比，上述纖維材料給嵌有金剛石的切削刀具增加了許多優(yōu)點(diǎn)。第一，所增加的纖維可控制切削刀具的抗拉強(qiáng)度及磨蝕速度，其既可加強(qiáng)也可削弱這些特性。在不被限制于上述認(rèn)知的情況下，可以相信纖維材料的出現(xiàn)可用于改變刀具切削部分中的砂眼數(shù)量。并且由于抗拉強(qiáng)度和磨蝕速度取決于砂眼的數(shù)量，因此改變纖維的數(shù)量能夠用于定制抗拉強(qiáng)度及磨蝕速度以便達(dá)到刀具特定的最終用途所需的額度。此增加的抗拉強(qiáng)度也可增加刀具的使用壽命，使得刀具的切削部分可以期望的速度磨損并且能夠提高刀具的切削速度。
第二，所增加的纖維也可削弱切削部分的結(jié)構(gòu)并使得更高模數(shù)的粘結(jié)劑可被用于該切削刀具，但只需要較低的成本。因此，切削部分中的纖維數(shù)量可適用于將金剛石保持在切削部分中以達(dá)到期望的持續(xù)時(shí)間。
第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，該纖維還可作為切削介質(zhì)以輔助切削加工。第四個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)位于切削部分中的纖維磨蝕脫落時(shí)，該纖維所產(chǎn)生的細(xì)小粒狀物質(zhì)可減少摩擦并且增加介于切削部分與被切削表面之間的界面上的潤(rùn)滑性能，從而使得切削更加容易且沖洗更加方便。此增加的潤(rùn)滑性能還可減少所需切削潤(rùn)滑劑(例如鉆孔泥漿、聚合物、膨潤(rùn)土等等)的數(shù)量，從而降低成本并減少因使用嵌有金剛石的切削刀具而可能對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。
在一個(gè)將傳統(tǒng)的嵌有金剛石的切削刀具(不含纖維)與含有纖維的嵌有金剛石的切削刀具進(jìn)行比較的實(shí)例中，首先制造出兩組基本類似的鉆頭。在此相比較的實(shí)例中，第一組鉆頭不含有纖維材料，而第二組鉆頭則用碳化纖維進(jìn)行加固。然后將對(duì)每個(gè)鉆頭進(jìn)行測(cè)試并且將對(duì)以下性能加以測(cè)定。
鉆孔速度第一組鉆頭的平均鉆孔速度為每班大約30米至大約40米。而第二組纖維加固鉆頭的鉆孔速度可始終達(dá)到每班大約50米。如此便等于將鉆孔速度提高了大約25％至大約67％。
鉆頭壽命第一組鉆頭的平均鉆頭壽命為可鉆64米。而第二組鉆頭的平均鉆頭壽命為可鉆大約104米。如此便等于將鉆頭壽命延長(zhǎng)了大約60％。
除了對(duì)前述內(nèi)容進(jìn)行任意修改以外，本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精髓與范圍的前提下還可做出許多其它的變化以及可供替換的配置方案，并且所附權(quán)利要求的保護(hù)范圍將覆蓋這些修改和可供替換的配置方案。因此，當(dāng)被認(rèn)為是本發(fā)明最具實(shí)用性且最佳的技術(shù)方案的特征及細(xì)節(jié)經(jīng)過上面的描述之后，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說可以顯而易見地理解，在不脫離本文所闡明的原理和概念的前提下，應(yīng)當(dāng)能夠?qū)Π幌抻诒景l(fā)明的形狀、功能、操作方法及應(yīng)用等方面提出眾多的修改。同時(shí)，本文中所使用的實(shí)例其目的僅僅是為了說明本發(fā)明而絕非要以任何形式來限定本發(fā)明。
權(quán)利要求
1、一種切削刀具，包含具有粉狀金屬或堅(jiān)硬粒狀材料并且滲入有粘結(jié)劑的基體，所述基體嵌入有切削介質(zhì)，并且含有纖維。
2、如權(quán)利要求1所述的切削刀具，其中所述纖維包含碳化纖維、玻璃纖維、金屬纖維、聚合纖維、陶瓷纖維或其組合物。
3、如權(quán)利要求1所述的切削刀具，其中所述切削刀具包含鉆頭。
4、如權(quán)利要求1所述的切削刀具，其中所述切削刀具包含金剛石繩。
5、如權(quán)利要求1所述的切削刀具，其中所述纖維被涂覆有碳、金屬、玻璃、聚合物、陶瓷或其組合物。
6、如權(quán)利要求3所述的切削刀具，其中所述切削刀具包含鉆芯取樣鉆頭。
7、如權(quán)利要求1所述的切削刀具，其中所述纖維包含碳化纖維。
8、如權(quán)利要求1所述的切削刀具，其中所述纖維包含切短纖維或研磨纖維。
9、如權(quán)利要求1所述的切削刀具，其中所述切削介質(zhì)包含金剛石晶體。
10、如權(quán)利要求1所述的切削刀具，其中所述纖維長(zhǎng)約10至約25000微米并具有大約1至大約500微米的直徑。
11、如權(quán)利要求1所述的切削刀具，其中所述纖維的濃度為大約0.1至大約70的體積百分比濃度。
12、如權(quán)利要求11所述的切削刀具，其中所述纖維的濃度為大約0.1至大約30的體積百分比濃度。
13、一種鉆頭制造方法，包含
配置用以連接鉆桿柱的部分；以及
配置切削部分，所述切削部分包含具有粉狀金屬或堅(jiān)硬粒狀材料并且滲入有粘結(jié)劑的基體，所述基體還嵌入有切削介質(zhì)并且含有纖維。
14、如權(quán)利要求13所述的鉆頭制造方法，其中所述纖維包含碳化纖維、玻璃纖維、金屬纖維、聚合纖維、陶瓷纖維或其組合物。
15、如權(quán)利要求14所述的鉆頭制造方法，其中所述纖維包含碳化纖維。
16、如權(quán)利要求13所述的鉆頭制造方法，其中所述鉆頭包含鉆芯取樣鉆頭。
17、如權(quán)利要求16所述的鉆頭制造方法，其中所述纖維包含切短纖維或研磨纖維。
18、如權(quán)利要求13所述的鉆頭制造方法，其中所述纖維被涂覆有碳、金屬、玻璃、聚合物、陶瓷或其組合物。
19、一種鉆頭使用方法，包含
配置用以連接鉆桿柱的部分；以及
配置切削部分，所述切削部分包含具有粉狀金屬或堅(jiān)硬粒狀材料并且滲入有粘結(jié)劑的基體，所述基體還嵌入有切削介質(zhì)并且含有纖維；以及
使用所述鉆頭對(duì)物質(zhì)進(jìn)行切削。
20、如權(quán)利要求19所述的鉆頭使用方法，其中所述纖維包含碳化纖維、玻璃纖維、金屬纖維、聚合纖維、陶瓷纖維或其組合物。
21、如權(quán)利要求19所述的鉆頭使用方法，其中所述纖維被涂覆有碳、金屬、玻璃、聚合物、陶瓷或其組合物。
22、如權(quán)利要求19所述的鉆頭使用方法，其中所述鉆頭包含鉆芯取樣鉆頭。
23、一種鉆孔系統(tǒng)，包含
鉆桿柱；以及
鉆頭，所述鉆頭包含具有粉狀金屬或堅(jiān)硬粒狀材料并且滲入有粘結(jié)劑的基體，所述基體還嵌入有切削介質(zhì)并且含有纖維。
24、如權(quán)利要求23所述的鉆孔系統(tǒng)，其中所述纖維包含碳化纖維、玻璃纖維、金屬纖維、聚合纖維、陶瓷纖維或其組合物。
25、如權(quán)利要求23所述的鉆孔系統(tǒng)，其中所述鉆頭包含鉆芯取樣鉆頭。
全文摘要
本發(fā)明公開了含有纖維的嵌有金剛石的切削刀具及其相關(guān)的制造和使用方法。該切削刀具包含嵌有金剛石的切削部分，該切削部分包含由碳、玻璃、陶瓷、聚合物等制成的纖維。該纖維可為任意形式，其中包含切短纖維與研磨纖維。該纖維也可覆蓋有金屬、陶瓷或其它可增強(qiáng)性能的涂層。該纖維可用于控制基體的抗拉強(qiáng)度及其磨蝕速度從而優(yōu)化刀具的切削性能。另外，該纖維還可削弱結(jié)構(gòu)并使更高模數(shù)的粘結(jié)劑以較低的消耗使用到切削刀具，其中所允許的纖維量將適合于保持切削部分中的金剛石達(dá)到期望的數(shù)量。并且當(dāng)切削部分磨蝕時(shí)，該纖維還可增加切削部分表面的潤(rùn)滑性。使用該纖維可使切削刀具使用更長(zhǎng)的時(shí)間，并且由于無需經(jīng)常對(duì)刀具進(jìn)行更換，因而使切削刀具更具安全性且更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
文檔編號(hào)E21B10/46GK101652533SQ200780050729
公開日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2007年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月30日
發(fā)明者克里斯蒂安·德里夫戴爾, 邁克爾·魯普 申請(qǐng)人:寶長(zhǎng)年公司