专利名称：用于制造平底孔的钻头的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于在原材料内产生平底孔的工具。
背景技术：
对于许多应用来说，会期望在工件基底上形成以平底表面终止的孔。已经发展了多种切削工具和钻孔系统用于产生具有平底部的孔。
现有技术中的一些切削工具使用一种钻头用于起始这种孔，然后使用第二金属切削工具以在孔内产生期望的平底部。
设计用来切削平底孔的现有技术切削工具具有各种缺陷。一些平底孔钻头具有能够形成平底孔的切削刃设计，但是这些钻头构造导致弱化区域、点或线，其中这些现有技术钻头有时候会损坏或破裂。在其它现有技术平底孔切削钻头中，钻头构造成使得钻孔过程中产生的碎屑不会有效地形成，引起过度的磨损和碎屑控制问题。另外，这些切削刃的特性导致高的切削力，特别是推力。
发明内容
本发明在于一种允许加工基本平底孔的螺旋钻头构造。本发明的钻头包括具有纵轴的细长主体构件、具有切削端的向前的槽部以及用于安装到旋转机器上的向后的圆柱柄部。螺旋钻头构造成围绕纵向轴可旋转驱动或者使工件旋转，或者主体构件和工具相对彼此旋转。在主体构件的切削端处，具有在钻头的旋转轴的相反侧上对称定向的至少两个切削刃。每个刃具有至少第一和第二切削刃部，第一切削刃部从邻近主体的纵向或旋转轴的位置径向延伸到第二切削刃部，并且第二切削刃部径向向外延伸到至少几乎接近在钻头的外部径向圆周上的边缘。
在本发明的实施例中，第一和第二切削刃部形成提供强度和工具稳定性的连续表面。每个切削刃的第二切削刃部的高度沿着水平方向保持相对恒定用于形成总体上平底孔。在该实施例中，中心点由两个倾斜的最高表面(peak surface)进行限定。通过两个倾斜表面的相交形成中心直线凿刃。第一切削刃部从凿刃延伸到第二切削刃部。最高表面以相对于水平方向角度伽马定向。钻头的中心尖头部分在孔的底壁中形成居中设置的圆锥凹槽。
在本发明中，通过凿刃和靠近具有平衡的几何形状的中心部分的切削刃的第一部分来限制在螺旋切削工具的中心部分处的应力。螺旋钻头的平衡的几何形状也防止钻头在正在形成的孔中摇晃及产生偏差。
与第一和第二切削刃相联系形成槽，用于去除由切削刃切削的材料碎屑。这些槽可以形成有正的前倾角以方便碎屑形成。可选择地，槽可以具有可变的前倾角表面，其中邻近中心轴的切削刃部的前倾角表面朝向在钻头外周附近的切削刃的最径向向外部分是负的和正的。预期切削刃部的前倾角可以根据本领域公知沿着切削刃的长度成角度。可选择地，如本领域公知的，能够在平底部工具钻头的切削表面刃内切入诸如凹口之类的碎屑破碎器，以允许在特定材料组中的更好的碎屑控制。
本发明的目的在于提供一种能够以成本有效方式制成并且能够有效及精确切削平底孔的钻头。
本发明的这些和其它目的及优点以及例示的实施例的细节通过下面的说明书和附图将会得到更完全地理解。
图1是用于切削平底孔的现有技术螺旋钻头的切削端的顶视图。
图2是沿本发明的螺旋钻头的切削端的基本垂直于并且在与主切削刃、第二切削刃部相同的水平面内的线截取的侧视图。
图3是图2所示钻头的第二侧视图，其沿着平行于主切削刃并且在与螺旋钻头的主切削刃相同的水平面内的线截取。
图3a是图3所示螺旋钻头的最前尖端部分的放大详细视图。
图4是图2所示平底孔的切削端的顶视图。
具体实施例方式
如本技术领域中公知的，本发明的螺旋钻头包括基本圆柱的、具有纵向轴的细长主体，带有切削端的向前的槽部，以及用于安装到旋转机器上的向后的圆柱柄部(未示出)。图2示出本发明的钻头的向前切削端，其具有由诸如高速钢、硬质合金等之类的硬质材料形成的钻头主体，并且基本形成为具有纵向中心轴A-A的杆形。
在图1中示出用于形成平底孔的现有技术的钻头。在这种现有技术平底钻头中，切削刃20、20是线性的并且在径向方向水平向外延伸到在钻头外圆周刃处的边缘17。现有技术的平底钻头具有由从水平面向上倾斜的两个最高表面24形成的中心点。向上倾斜的最高表面24在钻头的纵向中心轴处及邻近该处相交以形成凿刃23。图1中的横向阴影线表示在制造螺旋钻头的过程中由磨轮形成的第二薄化表面18。第一薄化表面平行于钻头的中心轴，因此在图1中未示出。第一薄化表面是向后延伸的平直平表面，并且其基本上平行于中心轴直到与第二薄化表面18相交为止。由最高表面24和第一薄化表面相交形成的刃限定切削刃的第一向内部分21。切削刃20、20包括从凿刃23延伸到第二切削刃部22的第一向内切削刃部21。切削刃的第二部分22是线性的并且从与切削刃的第一向内部分21的相交点向外延伸到钻头17的外周。当沿着中心轴截取的顶视图看时，切削刃的第一部分21以相对于切削刃的第二部分22的角度贝塔(β)定向。现有技术中的角度贝塔(β)通常在140度到170度的范围内。在第一切削刃部21和第二切削刃部22之间的相交点容易地认识为锋利刃。
在图2-4中所示的本发明的螺旋钻头构造为围绕纵向轴A-A被旋转驱动或者使工件旋转，或者主体构件和工件相对彼此旋转。布置钻头的主体使得在柄的外端处形成切削端并且具有两个碎屑排放槽32、32。槽32从切削端的顶端形成并且向后延伸邻近钻头的用于固定的柄部。槽32、32是对称的并且在圆周和轴向上等间隔，并且一对对称的切削刃30、30沿着相交脊形成，在该相交脊处向前的槽壁表面33、33与顶侧面34相交。顶侧面34是对称的并且在钻头的相反侧具有向前的表面部分34a和向后的表面部分34b。切削刃30、30相对于钻头旋转和中心轴线A-A同样是对称的。第一切削刃部36朝向直线凿脊41向内径向延伸。直线凿刃41由相交的最高表面45形成。每个切削刃具有至少曲线的第一切削刃部36和直线的第二切削刃部35，曲线的第一切削刃部36从中心的直线凿刃41径向延伸到直线的第二切削刃部35，并且第二切削刃部35向外径向延伸到至少几乎接近在钻头的外部径向圆周上的外边缘39。第二直线部分35向外径向延伸到第三外切削刃部37。第三外切削刃部37从第二直线部分35径向向外延伸到钻头边缘39以及轴向向后延伸。相比于钻头的直径，凿刃41的长度设计为大约在钻头直径的1％-10％之间。
切削刃30、30的上述对称设计极大有利于在使用钻孔系统中的稳定性。该特征通过切削表面的中性或平衡的几何形状而获得，这明显减少了钻孔系统在使用中摇晃的倾向性。
直接邻近切削刃30的所有部分的顶侧表面向前部分34a以本领域公知的5度到20度之间或者大约10度的第一后角定向。顶侧表面向后部分34b以比顶侧面向前部分34a更大的第二后角定向。顶侧表面向后部分34b以20度到50度之间、25度到40度之间或者大约30度的第二后角定向。在例示的实施例中，如图4所示，当从沿着中心轴的顶视图看时，第一切削刃部36是凸起的并且具有大致恒定的曲率半径“R”。当从沿着钻头的中心轴截取的顶视图看时，在图4中表示第一切削刃部36的外凸曲线具有设定为范围从钻头的外径XD的8％到20％的曲率半径R。曲率半径“R”对于工具的操作/寿命/功能来说是关键的。半径R消除在切削刃之间的突然过渡，使得不管钻孔条件都能够安全地防止切削刃的损坏。可替换地，预期第一切削刃部可以是其它外凸起曲线几何形状而不是具有大致恒定半径的外凸形状。
通过在钻头的切削端处薄化而形成钻头。在钻头主体的尖端处使得厚的中心部分薄化，并且曲线的第一切削刃部36通过薄化形成，第一切削刃部36从中心凿刃41延伸到直线的第二切削刃部35。注意，在该实施例中，第一切削刃部36不伸展到钻头的中心。切削刃的第一部分36在稍微与钻头的中心轴线间隔开的位置处形成，以减小由应力集中引起的钻头的中心的弱化。
在图2-4中示出的本发明的钻头尖端上的薄化表面从钻头的中心到达钻头的侧壁49。当从沿着图4的钻头的中心轴截取的顶视图看时，第一薄化表面38从碎屑排放槽32的后侧延伸到顶侧面向后表面34b。在本发明的实施例中，如图2-4中例示，布置薄化表面38以从外周侧壁49伸展到在钻头中心轴线附近的钻头中心。
在中心轴相反侧上的每个薄化由两个薄化表面一第一薄化表面38和第二薄化表面44构成；如图2所示，第二薄化表面44基本平行于钻头的中心轴。在本发明的可选实施例中，预期第二薄化表面44可以相对于钻头的切削方向稍微向前或向后成角度，以提供负的或正的前倾角。第一切削刃部36沿着第二薄化表面44与最高表面45相交的相交脊形成。第一薄化表面44大体向下延伸到与第二薄化表面38形成的折痕46。如图4中线36最佳表示的(注意，线36表示在第一薄化表面38与最高表面45相交形成的切削刃部)，第一薄化表面44不是平面而是外凸表面。
第二薄化表面38是平直和平面的。第二薄化表面38的平直平表面以相对于与钻头的中心轴A-A相交的平面恒定的向后角度斐(φ)定向。在本发明的一种实施例中，与纵向轴A-A相交的平面也平行于第二切削刃部35，尽管该中心轴相交平面不需要平行于第二切削刃部35。第二薄化表面38以角度斐(φ)向后倾斜，该角度斐(φ)处在30到50度之间，可选择地在40度到45度之间，或者可以是大约45度。应当理解到第二薄化表面38可以成形为不是平直的和平面的。
侧面刃43表示薄化的上边界。这是在研磨过程中磨轮和钻头之间第一接触的位置。侧面刃43限定为在第二薄化表面38和顶侧向后表面部分34b之间的相交处。参看图4，侧面刃43以相对于凿刃41角度太塔(θ)定向。角度太塔(θ)设定在从75度到105度的范围之间，或者在85度到95度之内，或者处在大约90度(如所示)。
在本发明的切削几何形状中，对称的顶侧表面和相关的切削刃30、30的相对特征对于期望形成平底孔来说能够产生显著的问题。为了形成真正平底孔，切削刃30、30的高度必须自始至终保持相对于中心轴A-A恒定。如果限定切削刃30的钻头的每一侧上的相反对称顶侧表面34a、34b中之一延伸超出旋转轴A-A的话，应当明显这些侧表面中每一个的这个部分将在这种侧表面延伸超过中心轴A-A的位置处对抗钻头的旋转。
在当前发明中，通过形成稍微向上倾斜的相反最高表面45克服了该问题。最高表面45从邻近中心轴A-A处大致径向向外和向后延伸。每个最高表面45的底部在线31处与顶侧向前部分34a相交。向上倾斜最高表面45与顶侧表面34a、34a和切削刃30、30中每一个相联系。在图2中，示出与最高表面45相联系的第一切削刃部36，角度伽马(γ)表示最高表面45和相联系的第一切削刃部36相对于切削刃(水平的)的第二直线部分35的倾斜角度。在旋转轴的一侧上的切削刃30与在旋转轴A-A的相反侧上的切削刃30对称。在当前实施例中，最高表面45相对于水平方向(图2所示的直线第二切削刃部35)以相同的角度伽马(γ)定向。角度伽马(γ)在10度和25度之间，可选择地在25度到45度之间或者大约15度。
如图2所示，并且如上所述，本发明在钻头的中心部分附近具有小的钻尖。在平底孔的中心处产生小的中心点或钻尖提高了工具的稳定性和强度。通过增加该尖头部分的角度伽马(γ)，根据各种应用所需，通过按照所需构造角度伽马(γ)，可以改进启动、稳定性和减少钻头的摇摆。增加伽马(γ)总体上改进了启动、稳定性和减少钻头摆动，但是也弱化了钻头的最高尖端。
如上所述的本发明的中心芯部分的设计提供两个切削刃30、30都基本上与直线凿刃41连续。切削刃部36、36与本发明的凿刃一起总体上切削出孔几何形状而孔的中心部分不会如现有技术钻头一样通过研磨而不期望地去除。
与根据本发明的钻孔系统和钻头插件相联系的切削几何形状的另一显著益处在于相对易于制造。在本发明的实施例中，薄化表面38、44能够使用磨轮通过一步研磨加工形成。在图1中例示的现有技术钻头的切削端的横向阴影部分描绘的薄化表面使用本领域公知的典型磨轮通过“一步”线性研磨形成。通过复合的“一步”研磨制成本发明的薄化表面，该复合的“一步”研磨起始于初始的向后倾斜线性研磨，直接连续进入离开钻头的中心轴指引的曲线向后研磨。
能够理解到，上面揭示的切削几何形状允许凿刃长度的减小而不牺牲工具的有效性。由于凿刃不是真正的切削刃，其研磨和挤压而不切削材料。所揭示的几何形状替换了带有切削刃的凿刃的大部分，由此极大减小所需用来适当钻孔的推力。
如图2所示的第三外切削刃部37可以是曲线的并且具有恒定的旋转半径。如图2中例示的这种钻头设计将会导致加工具有圆化角的钻孔。预期第三外切削刃部37也可以进行倒角，使得钻孔围绕其圆周具有带有倒角边的底表面。也预期钻头的另一实施例可以不具有第三外切削刃部37，但是可以仅仅由第一切削刃部36和第二直线水平切削刃部35构成，该第二直线水平切削刃部35从第一切削刃部36径向向外延伸到形成锐角的钻头最边缘37处。
本发明的平底孔能够通过诸如高速钢HSS、碳化物之类的材料和本领域公知的其它材料制造，以具有硬度和刃锋利保持性的类似特性。这些基底材料然后能够由诸如氮化钛(TiN)、碳氮化钛(TiCN)和氮化钛铝(TiAlN)之类的硬覆盖材料或者其它合适的覆盖材料进行覆盖，以进一步增加硬度和刃保持质量。这些或其它合适基底材料和覆盖材料的各种组合也能够用于符合多种应用。
平底切削钻头能够用于形成所有工业中许多应用场合下的平底孔。例如，本发明的钻头能够用于在如美国专利3788409中揭示的井下探测钻孔装置上形成盲底孔。这些盲孔接收由碳化物或其它硬材料制成的紧密按钮。这些按钮通常压装入盲底孔内。期望具有与紧密按钮的平底面相配合的平底孔。平的紧密表面与盲孔的底平表面的邻接限制了潜在的应力集中，否则这些潜在的应力集中会由于具有不规则形状的接触表面而存在。在钻孔操作过程中，配合表面遭受由按钮相对土地材料的冲击而引起的大的应力和力。期望在圆形平底部圆周周围具有倒角或倒圆的刃部。
这里所描述揭示的实施例的其它应用、实施例以及变体对于本领域技术人员来说将会是明显的，并且它们可以在不脱离由附加的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下进行。
权利要求
1.一种具有切削端部的切削工具，包括凿刃、第二切削刃部以及位于所述凿刃和所述第二切削刃部之间的第一切削刃部，其中，所述第一切削刃部是曲线的。
2.如权利要求1所述的切削工具，进一步包括第三切削刃部，其中，所述第三切削刃部是曲线的或倒角的。
3.如权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述第一切削刃部具有恒定的曲率半径。
4.如权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述切削工具大体是圆柱的并且具有中心轴，所述切削端部具有两个最高表面，所述两个最高表面在形成所述凿刃的中心轴处及大体靠近该中心轴处相交。
5.如权利要求1所述的切削工具，其特征在于，由第一薄化表面和最高表面相交形成所述第一切削刃部。
6.如权利要求4所述的切削工具，其特征在于，由第一薄化表面和所述最高表面中至少一个相交形成所述第一切削刃部。
7.如权利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述第二切削刃部是大体水平的，并且所述两个最高表面以相对于水平的第二切削刃部大约10-25度之间的角度伽马进行定向。
8.如权利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述第二切削刃部是大体水平的，并且所述两个最高表面以相对于水平的第二切削刃部大约25-45度之间的角度伽马进行定向。
9.如权利要求1所述的切削工具，其特征在于，由顶侧表面和槽相交形成所述第二切削刃部。
10.如权利要求9所述的切削工具，其特征在于，所述顶侧表面包括顶侧向后部分和顶侧向前部分，顶侧向前部分以第一后角定向并且顶侧向后部分以更大的第二后角定向。
11.如权利要求3所述的切削工具，其特征在于，所述切削工具是大体圆柱的并且具有外直径，其中，所述曲率半径具有所述外直径的大约8％到20％之间的尺寸。
12.如权利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述凿刃是基本上直线的。
13.一种具有切削端部的切削工具，包括凿刃、第二切削刃部以及位于所述凿刃和所述第二切削刃部之间的第一切削刃部，其中，所述第一切削刃部由曲线的第一薄化表面和最高表面相交形成。
14.如权利要求13所述的切削工具，其特征在于，所述切削工具是大体圆柱的并且具有中心轴，所述第一薄化表面基本上平行于所述中心轴。
15.如权利要求14所述的切削工具，进一步包括第二薄化表面，所述第二薄化表面是平直的和平面的。
16.如权利要求15所述的切削工具，其特征在于，所述第二薄化表面以相对于中心轴向后的角度斐进行定向，所述角度斐在30和50度之间。
17.如权利要求16所述的切削工具，其特征在于，所述第二切削刃部是大致水平的，并且所述最高表面以相对于水平的第二切削刃部大约10-25度之间的角度伽马进行定向。
18.如权利要求16所述的切削工具，其特征在于，所述第二切削刃部是大致水平的，并且所述最高表面以相对于水平的第二切削刃部大约25-45度之间的角度伽马进行定向。
19.如权利要求13所述的切削工具，进一步包括第三切削刃部，其中，所述第三切削刃部是曲线的或倒角的。
20.一种具有切削端部的平底孔钻头，包括凿刃、第二切削刃部以及位于所述凿刃和所述第二切削刃部之间的第一切削刃部，其中，所述第一切削刃部是曲线的。
21.一种制造具有纵向中心轴的螺旋切削工具的方法，其中，该切削工具具有向前的切削端部，并且具有至少一个槽，所述切削端部具有顶侧面、切削刃和凿刃，所述凿刃在邻近所述中心轴的两个倾斜最高表面的相交处形成，其中所述顶侧面包括对称的向前表面部分和向后的表面部分，所述切削刃包括第二切削刃部以及位于所述凿刃和所述第二切削刃部之间的第一切削刃部，并且其中，该方法包括步骤经由磨轮的至少一次通过而产生所述第一切削刃，该磨轮的至少一次通过起始于在向后方向上初始的线性研磨，连续进入指向离开切削工具的中心轴的曲线向后研磨。
22.如权利要求21所述的制造螺旋切削工具的方法，其特征在于，所述磨轮的至少一次通过是磨轮的一步通过。
23.如权利要求21所述的制造螺旋切削工具的方法，其特征在于，所述磨轮的至少一次通过产生第一薄化表面和第二薄化表面。
24.如权利要求23所述的制造螺旋切削工具的方法，其特征在于，所述磨轮的至少一次通过产生以相对于中心轴的向后角度斐进行定向的平直和平面的第二薄化表面。
25.如权利要求24所述的制造螺旋切削工具的方法，其特征在于，所述角度斐在30和50度之间。
26.如权利要求21所述的制造螺旋切削工具的方法，其特征在于，所述磨轮的至少一次通过产生曲线的第一薄化表面，并且所述第一薄化表面基本平行于所述中心轴形成。
27.如权利要求21所述的制造螺旋切削工具的方法，其特征在于，所述磨轮的至少一次通过产生第一薄化表面，并且所述第一薄化表面形成为曲线形状。
28.一种具有纵向中心轴的切削工具，其特征在于，该切削工具具有向前的切削端部，并且具有至少一个槽，所述切削端部具有顶侧面、切削刃和凿刃，所述凿刃在邻近所述中心轴的两个倾斜最高表面的相交处形成，其中所述顶侧面包括对称的向前表面部分和向后的表面部分，所述切削刃包括第二切削刃部以及位于所述凿刃和所述第二切削刃部之间的第一切削刃部，其中，该切削工具以包括如下步骤的方法制造经由磨轮的至少一次通过而产生所述第一切削刃，其中所述至少一次通过起始于在向后方向上的初始线性研磨，连续进入指向离开切削工具的中心轴的曲线向后研磨。
29.如权利要求28所述的方法制造的切削工具，其特征在于，所述磨轮的至少一次通过是磨轮的一步通过。
30.如权利要求28所述的方法制造的切削工具，其特征在于，所述磨轮的至少一次通过产生第一薄化表面和第二薄化表面。
31.如权利要求30所述的方法制造的切削工具，其特征在于，所述磨轮的至少一次通过产生以相对于中心轴的向后角度斐进行定向的平直和平面的第二薄化表面。
32.如权利要求31所述的方法制造的切削工具，其特征在于，所述角度斐在30和50度之间。
33.如权利要求28所述的方法制造的切削工具，其特征在于，所述磨轮的至少一次通过产生第一薄化表面，并且所述第一薄化表面形成为基本曲线的形状。
34.如权利要求33所述的方法制造的切削工具，其特征在于，产生所述第一薄化表面的所述磨轮的至少一次通过产生具有恒定曲率半径的所述第一薄化表面。
全文摘要
本发明涉及一种螺旋钻头构造，其允许加工基本平的底孔。在主体构件的切削端部处，具有在钻头的旋转轴的相反侧上对称定向的至少两个切削刃(35)。在本发明的实施例中，第一切削刃部(36)和第二切削刃部(35)形成提供强度和工具稳定性的连续表面。每一个切削刃的第二部分(35)的高度沿着水平形成大体平的底孔的方向保持相对恒定。在实施例中，通过两个倾斜的最高表面(45)限定中心点。通过两个倾斜最高表面(45)的相交形成中心直线凿刃(41)。第一切削刃部(36)从凿刃延伸到第二切削刃部(35)。对于两个切削刃来说，第一切削刃部通过对称薄化两个最高表面(45)而形成。在本发明中，通过凿刃(41)和靠近具有平衡的几何形状的中心部分的切削刃的第一部分(36)来限制在螺旋切削工具的中心部分处的应力。螺旋钻头的平衡的几何形状也防止在形成孔过程中钻头摇晃及产生偏差。
文档编号B23B51/02GK1756610SQ200480005690
公开日2006年4月5日 申请日期2004年1月22日 优先权日2003年1月30日
发明者S·M·乔治, R·E·莫林, D·L·福特 申请人:钴碳化钨硬质合金公司