专利名称：铸造钢体钻头的制造方法
技术领域：
本发明的背景本发明的领域本发明一般地涉及油井和气井钻孔用的钢体钻头的制造。更具体点说，本发明涉及钻头的设计和铸造钻头的生产过程，这些钻头具有复杂的形状、不同的尺寸和形状改动，而不需使用复杂的、可重复使用的模样模具。
现有技术的说明制造钢钻头的基本过程是从固态钢坯出发，将它加工成所需的最终钻头形状。这个基本过程可加改进，即采用钢铸件，将它铸造成接近最终钻头形状，这样便可大大减少机加工量。虽然由于增加金属铸造工步使程序较为复杂，但在时间和费用上的总的节省大可抵销采用铸件的化费。
通常用较多的材料铸造钻头体，以便在一特定的钻头中能用机械加工制出另一种设计细节。在该情况下留在铸件上的多余材料就可使人们多一个可供选择的机会，如果该钻头在制造时不需要添加另外的细节，那么就可用机械加工去掉多余部分，要添加的细节也就不存在了。这种在内部采用的折衷办法带来的问题是，当要制造不需添加另外细节的钻头时，本来可以采用比较通用的铸件，现在却要添加较大的机械加工量来去除铸件上的多余材料。采用只是与一种特定型式钻头的最终形状接近相似的特定铸件虽然可在一定程度上解决这个问题，但接下来又需权衡该怎么办，因为这个特定铸件由于没有包括产生另外细节所需的材料，也就不能通过机械加工来具有另外的细节。在正常生产中，在将一种铸件机加工成为数种不同的终极形状而得到的灵活性及为每一种不同的设计形状准备一种特定铸件所需费用之间必需作出权衡。
在钻头制造的领域内，通常需要比较专用的钻头大小、形状和形状来满足具体的用途。钻头常按用户的规格要求来制造。具体钻头的设计和大小要求的样式越多，通用铸件的形状就越接近基本钢坯。在过去，经常需要在一种特定钻头设计的生产运行的提高效率和减少费用及为较小的生产批量甚至单一定制的钻头设计保持在钻头大小或钻头设计上提供变化的能力两者之间作出权衡。
在金属铸造领域内人们知道有一种方法可以用来铸造实体上较复杂的形状，在该方法中，每做一个铸件便要消耗一套模具。一种这样的方法一般被称为熔模铸造，它是在一个可消耗的、一次使用的模具内采用一个可消耗的、一次使用的塑料模样。这种方法的一种变化是采用泡沫塑料作为模样，这时这种方法可称为“熔泡塑模铸造”。当有大量相同的物件要用熔泡塑模法(lost foam)铸造时，可用一个可重复使用的金属模型制造出许多泡沫塑料模样。在模型中制出的每一个模样接下来在另一个工步内被可硬化的流态材料覆盖以致形成一个壳模。这种特殊方法所使用的材料和工步在美国专利4,660,623号中有较完整的说明。一旦壳模被硬化，便可用化学方法或加热方法将泡沫塑料模样消除。然后可用熔化的钢水注入到硬化的壳模内制出铸件。每做一个铸件，牺牲一个塑料模样和一个可消耗壳模的工步都要重复一次。
上述熔泡塑模铸造法典型地包括一个多工步的过程，首先是将要铸造的物件制出一个正的模样。然后用这个模样制出一个可重复使用的、金属的、具有负的模样的模型。按照要被模样模型所要制出的模样的复杂程度，模样模型可能需要由多个可分离的部分组成，以便使模型能够从模样上脱出。模样模型一旦完成，便可用这模型制出大量模样。要铸造的物件的设计如有改变，模样模型也要随之而变。
对于复杂的形状，如同钻井钻头所具有的那种使模样不能从两瓣的模型中拿掉的复杂形状，制作一个金属的模样模型是很费时费钱的。在需要为一个钢体钻头设计制造一个泡沫塑料模样用的模型的典型情况下，制造一个合适的金属模型可能需要数个星期并可耗费多达50,000美元或更多。而任何一点钻头设计的变动需要修改旧模型或制造新的模样模型，这样便要支付相关的时间损失和费用。因此，按常规采用这种中间的金属模样模型来提供熔泡塑模铸造方法中使用的泡沫塑料模样对制造复杂的钢体钻头来说是不合适的。
美国专利5,197,527号曾说明过一种方法，其中泡沫塑料的块状工件被机加工成为可消除的泡沫塑料模样以便用在整体模型内进行铸造。在该系统所制定的方法中采用多个机械加工站，使当有大量相同的模样需要制造时可在一个过程中实现最佳的效率。拥有专利的程序曾说明有一直线的三轴机床位在工件之下，该机床在沿着三个标准的、互相垂直的轴线移动时便可加工使工件的表面成形。这些工件虽然也要经过机械加工，但这样制出的模样也可适宜作为中间模样而被用来制作壳型，比起上面所说先制作一个金属模型而后采用由此模型铸出的模样，对系统来说，毋宁是一个改进。所以说它适宜用作中间模样，是因为只用三轴运动制出的模样具有并不复杂的形状，因此能从比较简单的两瓣模型中脱出。在现有技术的方法中所示出的一些简单而并不复杂的设计如有改动也可容易地用本法来完成，只须对模样略加修改即可。本法还适用于需要铸造大量相同零件的情况。
美国专利4,423,646号曾说明一种制造牙轮钻头的方法，其中使用泡沫塑料的铸造技术被用来制出钢质钻头体。泡沫塑料被模制成一个基本上与钻井钻头体相同的形状，切割件则被安装在泡沫塑料成形体(模样)上。泡沫塑料成形体可被机加工以便产生添加的钻头细节。这个组合件(钻头体加切割件)然后被可硬化的模型材料覆盖以便形成模型体。接着将泡沫塑料从硬化的模型中烧掉，以资在模型中留出空腔，熔化的钢水就可浇注到这模型空腔内。待钢水冷凝后，模型可用化学处理法从完成的钻头上除去。这样看来生产所需的泡沫塑料模样需要有一个包括在模型内浇铸和用机械加工的两个工步的过程。
虽然人们认识到那些不容易在模型内铸出的复杂模样可以从一块模样材料上用机械加工制出，但要看到，机械加工对用此法制造的每一个模样也有其局限性。用机械加工制造一个模样而不是在一个复杂的模型内把它浇铸出来，并没有消除消耗费用和时间的问题。
虽然采用合适编程的数控机床来机加工模样可以制造出任何所需数目的相同的模样，但如同任何一种机加工程序那样，被机加工零件越是复杂，制造该零件所需的时间和费用也就越多。弯曲的零件特别能消耗时间，因为它们通常需要加工好多次才能制出光滑的曲面。
传统的螺旋形刀片钻井钻头具有一个连续弯曲的刀片端以便用来将切割元件安装成螺旋形。在钢铸件上机加工弯曲而盘旋的刀片十分困难并且费时。将塑料机加工成弯曲的形状也要消耗时间，并且由于每一个模样必须分开来制造，在一个生产流程内的时间损失还应乘上该时间内所能机加工模样的数目。因此，任何一种设计的改变只要能减少机加工的复杂性，就能显著地节省时间和费用，不管该设计是用于钢料还是塑料。
塑料模样的机加工还使我们有可能创造出如果在钢铸件上进行机加工则并不切合实际的那种钻头设计。这样在钢钻头体上也许需要一个小时才能形成的表面，在塑料模样上可能只需要几分钟便可机加工出来。这个能力使我们能够切合实际地创造出如果直接在钢钻头上机加工则是不切合实际的那种铸造钻头的细节。
在钢体钻头的典型制造方法中迂到的一个问题来自将表面硬化材料焊接在钻头的基准面上。如果材料不是适当地焊敷，会造成钻头的尺寸过大或过小，或者会造成能钩抓井孔表面的粗糙的边。在任何一种情况下，该钻头都必须重新加工来改正缺点。
传统的钢钻头还采用从刀片边延伸到另一刀片边而横越刀片表面的表面硬化材料。如果该表面硬化材料没有适当地施加好，那么当钻头体由于其与较硬的表面硬化材料接触而被磨耗时，该表面硬化材料可能形成一条尖锐的边，该边能卡在井孔壁上，并造成钻头振动和其他不希望有的钻孔动作。因此，应该知道将表面硬化材料适当地施加在钻头的正确区域上对钻头的适当操作是一件至关紧要的事。
本发明的简要说明本发明为那些形状复杂、不能在雨瓣可重复使用的模型内铸出的钢钻头体提供一种制造方法。本发明还提供一种能用本发明的方法制造的新颖的钻头设计。在本发明的方法中，首先将块状塑料机加工成模样，形成第一个可复制的复杂模样体。在本文中，名词“复杂模样”被用来说明一种不能从由少于三瓣构成的、可重复使用的模型内取出的模样。该复杂模样体在熔模铸造中被用作熔化的材料以便制出第一复杂模样体的金属复制品。从机加工的复杂模样中制出的金属铸件可制成两个或多个，只要对每一个模样重复进行相同的机加工过程即可。本发明的一个重要特点是本方法可用来制造复杂模样体的变型，只须改变机加工的控制程序使它生产出变型的机加工模样即可。这个能力使它能有限地制造出多个为给定的、复杂钻头设计和修改设计使用的模样而可省掉制造一个可重复使用的模样模型和改变模样模型从而生产出修改模样的中间工步。
在本方法的较优实施形式中，复杂模样是由挤压的聚苯乙烯材料机加工而成。五轴的数控机床被用来制造复杂的钻头模样体。采用基本的核心程序来生产出给定模样体设计的多个复制品，并通过基本核心程序的修改来生产出一种或多种钻头设计修改型式的多个复制品。
机加工的复杂钻头模样可被用在“复制铸件”(Replicast)法或其他类似的方法中，其时可硬化的材料被用来覆盖在聚苯乙烯的模样上以便制成一个薄壳模型。覆盖的模样被加热使覆盖层硬化并使模样烧掉或汽化。最后造成的壳模最好是陶瓷的，被放置在支承砂床上或其他支承结构上，将熔化的钢水注入其内便可造出所需的钻头体。一旦金属冷凝，陶瓷的壳模便可从金属上破除，从而露出具有所需复杂形状的钻头。
用作机加工坯料的塑料最好是轻质的、挤压出来的聚苯乙烯，它可被机加工制出一个比较光滑表面，这种材料除了具有这个特性外，还具有足够的强度使它在被机加工成为模样时，能被制成细长、较小的、自我支撑的形状。而通常用于模铸或制型用模样的塑料与本发明所采用的较优材料加挤压的聚苯乙烯相比，前者较多团粒、较少致密、并且结构上较弱。
塑料坯料在一道工步的机加工操作中被加工成为复杂的形状可以消除工件重新装夹的需要，增加被加工模样的精度重现能力。采用器轴或五轴的机床还可消除在塑料坯上设置中央安装心轴或其他装夹夹具的需要，而这种心轴或夹具在传统的三轴机床上为了制出复杂的机加工细节而将工件重新定位时可能会需要。
设计用来机加工软材料的专用五轴机床被采用以便增加机速和灵活性。在多次进行的生产流程中，如果需要比较频繁地更换钻头模样的设计，那么采用这种专用机床来制造复杂的钻头模样表面将特别适合。
本发明的钻头具有由于其设计和其制造方法而造成的独立特点。本发明的钻头为一螺旋刀片钢体钻头，其相邻刀片之间的间距被增大以便当钻头钻孔时增大切屑的排出通道。钻头刀片对钻头轴线偏斜并形成多个相连的平表面，这些平表面结合便可在刀片边缘上产生一条连续的螺旋曲线以便用来安装切割元件。采用这种方法，便可用比较简单的平表面机加工过程来得到一个螺旋曲线的机加工表面。
本发明的钻头的另一特点为刀片的向前偏斜，这样作用在旋转刀片上的钻孔力就会大部分从刀片边缘通过刀片导向钻头体。与此相反，在一不偏斜的刀片上，钻孔力会以直角方向作用在刀片侧面上，从而增加使刀片向后弯曲的力。将力施加在刀片边缘上而不是施加在刀片的侧面上可允许刀片减薄，刀片厚度的减少有助于刀片间间距的增加，这样又可改善切屑经过钻头的流动。
本发明的钻头的另一特点是，在基准面上设有凹槽区，用以施加表面硬化材料。凹槽区被机加工在塑料模的基准表面区内。钻头铸件含有相应的凹槽。施加在凹槽区内的表面硬化材料在钻头旋转时能起到抗拒磨耗的作用，从而能帮助维持恒定的钻孔直径。在刀片边缘之间用来施加表面硬化材料的凹槽区能使钻头刀片材料和表面硬化材料之间有一光滑的接触面，从而可防止表面硬化材料的边缘凿到形成的壁内或从刀片上裂开。凹槽还可用作标记，以便焊工施加表面硬化材料而制成一个比较均匀、完整的表面硬化层。虽然在钢钻头本身内形成凹槽区需要一个费时的机加工过程，但凹槽可迅速而且容易地在塑料模样内制出，而该塑料模样可被使用在本发明所用铸造过程中。
由上可知本发明的一个重要目的是要提供一种方法，其中多个复杂的钢体钻头可用熔泡塑模铸造法铸出，而所用模样可用可编程的程控机床制出。
本发明的另一重要目的是要提供一种方法，以便通过改变用来控制计算机数控机床的核心程序来改变基本的钻头设计。
本发明还有另一目的是要提供一种方法，它可用来制造一个基本钻头设计的多个相同的金属复制品，并可容易而迅速地修改设计，制造出修改设计的多个相同的复制品。
本发明的另一个目的是要提供一种方法，其中被用来生产钻头铸件的、复杂的泡沫塑料模样可以其与所要铸造的复杂钻头体十分接近的最终形状供检验，从而可以容易地检验出模样体上的缺陷。与其他方法相比，其中最终的钻头模样是通过一系列工步造成的，所产生的模样只是与最终所需的形状笼统地近似，而本发明的系统由于能在终端产品和模样之间直接比较，即使经验较差的检验员也能检验出缺陷。
本发明的一人重要目的是要提供一种铸造钻井钻头的方法，该法可用来制造数量较少的、特殊设计的钻井钻头，还可用来将基本设计的变型制造出来，不需另外费用，也不耽搁时间。
本发明的一个目的是要提供一种利用塑料模样来形成多个复杂的金属钻头体的生产方法，所说塑料模样由计算机控制的机床加工出来，这样可以生产出复杂钻头体的多个立即可复制的并且立即可修改的塑料模样的复制品。
本发明还有另一个目的是要提供一种铸造金属钻头的方法，其中模样材料被机加工成为在熔化模样铸造法中可熔化材料的模样，而且该可熔化材料具有紧密性，能容易地被机加工成为一个光滑耐用的模样，其形状使它成为与所需钻头设计符合的基本上正确的复制品。
本发明的一个目的是要提供一种制造复杂钻头的方法，该方法能以较少的数量经济地生产，并能用改变数控机床编程的办法来改变钻头的设计。
本发明另一个目的是要提供一种方法，其中具有四轴或更多轴的机床能在一次装夹操作的条件下完成复杂的塑料模样，从而能有多个具有所需钻头形状的准确复制品可在熔化模样铸造法中被浇注。
本发明的一个相关目的是要提供一种在五轴机床上加工软材料的方法，从而使数量较少的特殊设计能经济地制造。
本发明另一个重要目的是要提供一种具有特殊形状刀片的钻头，该刀片在钻头体上向前偏斜形成螺旋边缘的模样以便用来安装切割元件。
本发明的一个相关目的是要提供一种具有向前偏斜刀片的钢体钻头，该刀片是由多个平面的机加工相互配合而形成的，能成为一个螺旋的供切割刃安装的形状，其作用如同一个连续曲线的螺旋刀片设计。
本发明还有一个目的是要提供一种刀片在钻头旋转方向上向前偏斜的钻头，使钻头刀片边缘以一个角度咬合地层，这样来沿纵长方向导引钻孔力使它通过刀片传向钻头体，以资增加刀片在钻孔方向上的强度。
本发明的一个目的是要提供一种方法，其中用来制造多刀片钢体钻头的塑料模样上有许多平表面经过机加工使它们互相配合而具有螺旋刀片的效果。
本发明的一个一般目的是要提供一种钻头设计，该设计具有简化的机加工表面细节，可产生与采用较复杂的机加工表所能得到的效果类似的效果。
本发明的一个目的是要采用一种具有上述那种改进的机加工特征的模样以便在熔化模样铸造法中使用。
本发明另一个目的是要提供一种钻头设计，该设计能从塑料模样中浇铸出来，而该塑料模样具有比钢更容易被机加工的特征。
本发明的一个相关目的是提供一种具有凹槽区的钻头，以便将表面硬化材料施加到钻头的基准面。
本发明还有一个相关目的是要提供一种具有凹槽区的模样，该凹槽区被机加工到塑料模样的基准面内，以便将表面硬化材料施加在其上，该塑料模样在溶泡塑模铸造法中被用来生产钻头。
附图的简要说明
图1为方块图说明制造本发明的钢体钻头的各个工步。
图2为本发明的钻头模样的端视图；图3为本发明的钻头模样的一个剖面的立视图；图4为按照本发明的说明制造的钻头的立视图；图5为图4中钻头的端视图；及图6为在本发明的方法中用来制造模样的五轴CNC机床的机动头的立视图。
较优实施例的说明本发明的方法的基本工步一般地在图1中用标号10指出。该方法的第一工步要求对一挤压的聚苯乙烯坯料进行机加工借以形成一个与要用铸造方法制造的钻头基本等同的复杂模样。该模样使用一台五轴计算机操作的数控机床来机加工，能在塑料坯一次装夹的条件下制出复杂的形状。
如在方块12中所示，经过机加工的模样被一层可硬化的、耐火材料的泥浆覆盖。将具有覆盖层的模样放置到一个干燥器内，如在方块13中所示，使耐火材料硬化成为一个陶瓷壳体，同时把塑料模样烧掉。
将陶瓷壳模定位在一个砂台上，如在方块14中所示，以便使薄的陶瓷壳模取得结构支撑。
将熔化的钢水浇注到陶瓷壳模内，如在方块15中所示。
在钢冷却后，从制成的铸件上破碎并去除陶瓷壳模，如在方块16中所示。
铸件随后被机加工或用其他方法处理，这样便完成一个钻头，如在方块17中所示。
在方块12-17中示出的工步为现有技术所熟知。而形成制型用模样的程序、和该方法产生的特殊钻头、以及钻头的设计(不管其生产方式如何)为本发明的研究对象。在本发明的方法中，建有一个生产系统，其中对特定的复杂钻头设计编有程序，因此可将采用这种设计的有限数目的模样通过机加工制出。同时该程序又可修改，从而作出修改钻头设计。该修改设计可在一段时间内采用，又可再进行修改，从而可生产出第二次修改设计的一个或多个模样。这样这个系统便可与一般系统区别开来，在一般系统中，对每一个新的或不同的钻头生产流程都要制造或修改一个中间模样的模型。
图2示出一个已被机加工成为一个五刀片钻头模样的聚苯乙烯坯料的端头。一般地用标号18指出的模样之所以“复杂”是因为其形状使它不能从简单的、可重复使用的两瓣模型结构中取出。虽然能够造出一个能被用来制出模样18的模型，但这个模型将需要大量分开的部分和复杂的安排，构造这样一个模型所需的费用和时间将使这个方法不能实行。
本发明的一个特点是钻头的设计，在该设计中，模样18可被机加工成为一连串平表面如表面19、20、21和22，这些表面互相连接在一起便可使模样得到所需的表面形状。使钻头细节由多个平表面构成的重要意义在于，与由曲面构成的细节机加工时所需时间相比，机加工平表面所需时间可大为减少。这个优点适用于机加工塑料模样以及从钢坯机加工钻头体的过程。
模样18是从挤压聚苯乙烯的实心坯料机加工出来的。该坯料被定位在一台特别适用于加工塑料的五轴计算机操作的机床内。在图6中局部示出的该机床具有三条直线运动的轴线和两条旋转运动的轴线。在图6中一般地用标号25指出的机动头包括一个机械工具26，它可在工具中心线的任一侧从垂直方向旋转一个135°的弧线。而机动头的安装件能回转360°，如图6所示。三条直线轴线和两条旋转轴线的结合使该机床25能制出球面的、复杂的模样而可不需将工件重新装夹。这个能力具有重大意义，因为如果工件必须在夹盘内重新定位，那么对于较软的塑料模样来说，所需公差将难以维持并能被超过。如果工件被定中在中央心轴上而要用运动范围有限的机床来机加工模样上所需的复杂表面细节时，由于心轴需要在机床内重新设定，因此也会发生同样的问题。
本发明的钻头模样设计的一个重要特点在图2中示出，从该图可以看到，由本表面30、31、32和33形成的后刀片面可以得到与曲线的螺旋刀片面相同的效果而可不需用较费时的过程来机加工曲面。刀片的前表面(图上看不到)类似地由多个连接的平表面构成，这样得出的刀片可完成与光滑曲线的螺旋刀片相同的功能。只要可能，钻头模样18的外部表面细节都可机加工成一连串的平表面来减少形成模样的所需机加工时间。
本发明还有一个重要特点在图3中示出，从该图可以看到，钻头刀片35从钻头模样的本体36上向外伸出。钻头刀片35的平面一般沿着A-A线延伸，而钻头体的中心轴线一般沿着B-B线延伸。如图3所示，刀片35的平面与钻头模样的轴线B-B相交成一角度。这个刀片相对于模样轴线的位置在这里被称为刀片的“向前偏斜”。而且在这方面，“向前”这个词还被用来指相对于模样36所制出的钻头的向前旋转方向。钻头的向前旋转方向就是钻头被用来钻出井孔的那个旋转方向。对本发明的钻头设计来说，向前偏斜是一要点，它将刀片这样定位，使钻孔力沿着刀片平面被向后导引到钻头体。在传统的、不偏斜的刀片安装件内，钻孔力成直角地作用在钻头刀片上，从而在刀片上施加一个很大的弯曲力。而刀片的偏斜可导引钻孔力使它通过刀片体，向后来到钻头体，这样刀片就能抵挡钻孔运动时的弯曲力。这个钻孔力的通过刀片体的重新取向使我们能够采用较薄的刀片，而较薄的刀片又能使相邻刀片之间的间距增大。这个在图2中一般地用标号38指出的间距被称为“废料槽”，它使钻头钻孔时去除的地层切屑能够向上流动通过钻头而返回到井表面。增大废料槽的区域能增大钻头的钻孔能力。
还应注意到，除了被偏斜外，在钻头体模样上安装座内的刀片还被“倾斜”。“倾斜”这一词是指一个位置，在该位置上刀片的平面在钻头的向前旋转的方向上偏离径向而向前倾斜一个角度。
将刀片设置在钻头体模样上的钻头设计使钻头切割刃可按所需的螺旋模式沿着刀片的边缘安装。这个模式最好同时参阅图4和5，是这样一个模式，切割刃沿着刀片的边缘设置在最接近钻头旋转轴线的地方，并且随着钻头的向前旋转，在钻头向前旋转的方向上，切割刃会进一步离开钻头轴线，同时随着切割刃的离开钻头端，切割刃偏离钻头轴线的程度也逐渐增大。这种合乎需要的形状可以得到，不需另外加工出支承结构来导引切割刃的螺旋曲线配置。
本发明的钻头的另一重要特点是在钻头的外部表面上设有凹槽区。这些凹槽区用来作为施加表面硬化材料的限定场所，而表面硬化材料用来保护钻头体使它免受腐蚀和磨损。在图3中用标号50指出的一个这样的区域被设置在刀片35的径向最外边上。从图3所示的模样制出的铸件会在钻头刀片上具有相应的凹槽区。凹槽区被用来施加表面硬化材料，通常是通过焊接过程来完成的。凹槽区具有边缘51可作为焊工施加重敷材料时的基准并在钻头刀片材料和硬质焊敷层材料之间形成一个过渡区。这些特点结合起来便可防止产生粗糙边缘和尺寸过大或尺寸不足的硬质焊敷层，如果不加以防止，这些都会产生不希望有的钻头性能。
参阅图4和5，其中示出按照本发明说明制出的钻头，该钻头包括本发明钻头的特点。图4中的钻头一般地用标号60指出，它包括一连串的、形式为具有硬质表面的、圆柱形锒嵌件的切割元件61。这些传统上常用的切割元件用铜焊或其他合适的方法被固定在钻头刀片上。
钻头60在其一端有一钻头面62而在其另一端有一连接部63。钻头体沿轴线C-C在轴向上延伸并载有刀片64、65、66、67和68。钻头包括废料槽，例如包括在两个相邻刀片65和66之间的槽69。在钻头60上有五个这样的废料槽。废料槽69的尺寸显然比那些采用较厚刀片的钻头设计所能得到的废料槽大得多。因此，该钻头能提高切割去除量，从而能较快和较有效地钻出井孔。定位在钻头体内的喷嘴70被这样设置和取向以便从切割刃的刀片上冲洗掉废弃物。
图4示出施加表面硬化材料的基准区71、72和73。这些区域位在钻头体径向的外端并确定钻头所钻井孔的直径。
人们将会知道，本发明的钻头的上述这些特点，其价值还不止上面所说明的这一些。例如，在钻头的表面上设置凹槽区以便接纳表面硬化材料对任何一种钢钻头的制造方法都是有效的。当能在一个较软的模样材料上进行机加工以便在随后的铸造中得出所需的形状时这个特点特别有用。又如采用机加工多个过程平表面的方法来达到机加工一个连续的曲面的效果，这个做法不论是将钢坯直接机加工成为钻头还是将塑料坯机加工成为下一步铸造过程所要用的模样都是有效的。
与此类似，在钻头体上的刀片的向前偏斜能提供有益的效果不管刀片是用哪一种方式制成的。
虽然上面曾经说明挤压的聚苯乙烯是一种较优的模样材料，但其他材料也是可用的。一般地说，任何一种模样材料，只要能够容易地加工，具有足够轻的重量，具有足够的构造强度使它能形成自我支撑的模样细节，并能被用作熔化模样铸造法的模样，都是可用的。
在实施本发明时采用五轴机床特别适宜，因为它在加工塑料模样时只施加极小的力，因此模样的公差可做得很小。但应知道，任何一种器轴机床，只要它能在一次装夹操作的条件下以所需的公差合适地制造所需的复杂模样，也是可用的。
在上述说明的启示下，本行业的行家显然能对本发明作出各种变化和修改，但所有这些从本发明衍生出来的变化和修改自应属于本发明的范围内。
权利要求
1.一种用来制造复杂金属体的多个复制品的生产方法，包括(a)按照预编程序的机加工过程机加工模样制造材料的坯料以形成一个第一、可复制的、复杂的模样体；(b)在熔模铸造法中采用所说第一复杂模样体作为熔化材料以便制出所说第一复杂模样体的金属复制品；及(c)重复步骤(a)和(b)以制出所说第一复杂模样体的多个金属复制品。
2.按照权利要求1的生产方法还包括下列步骤(a)修改所说预编程序的机加工过程以便形成一个第二可复制的、复杂的模样体；(b)按照所说修改的、预编程序的机加工过程加工模样制造材料的坯料以形成第二可复制的、复杂的模样体；(c)在熔模铸造法中采用所说第二复杂模样体作为熔化材料以便制出所说第二复杂模样体的金属复制品；及(d)重复工步(b)和(c)以制出所说第二复杂模样体的多个金属复制品。
3.按照权利要求1的生产方法，其特征为，所说模样制造材坯料为塑料。
4.按照权利要求1的生产方法，其特征为，所说塑料为聚苯乙烯。
5.按照权利要求1的生产方法，其特征为，所说机加工过程采用多轴计算机控制的机床。
6.按照权利要求5的生产方法，其特征为，所说机床为一用来加工较软材料的高速机床，适宜具有四个或多个控制轴线。
7.按照权利要求1的生产方法，还包括下列步骤(a)在所说第一复杂模样体上形成一个壳模；(b)从所说壳模上去除所说第一复杂模样体；(c)将熔化金属浇注到所说壳模内；及；(d)从所说金属上去除所说壳模。
8.按照权利要求7的生产方法，其特征为，所说壳模是用可硬化的耐火材料覆盖层覆盖在所说第一复杂模样上形成的；所说覆盖层被加热以硬化所述覆盖层，并从所说壳模上去除所说第一复杂模样。
9.按照权利要求1的方法，其特征为，所说坯料是在一次装夹中被机加工成为所说第一复杂模样体的。
10.按照权利要求9的方法，其特征为，所说坯料是被一台具有至少三条直线运动轴线和两条旋转轴线的机床加工成为所说第一复杂模样的。
11.按照权利要求1的方法，其特征为，所说金属体为一钢体钻头。
12.按照权利要求10的方法，其特征为，所说模样被用来铸造具有多个平面，向前偏斜的刀片的钢体钻头。
13.按照权利要求10的方法，其特征为，被用来铸造钢体钻头的所说模样在其基准面上设有凹槽区以便接纳表面硬化材料。
14.一种用来制出复杂钻头体的多个金属复制品的生产方法，包括(a)在编程数控的五轴机床上机加工挤压的聚苯乙烯坯料，以形成第一复杂的多刀片钻头模样；(b)用可硬化的耐火材料泥浆覆盖所说钻头模样；(c)处理所说已覆盖的模样，使所说覆盖层硬化成为壳模，并从所说壳模上去除模样；(d)将熔化金属注入所说壳模内；(e)冷却所说熔化金属使它成为固态金属铸造钻头体；及(f)从所说铸成的钻头体上去除所说壳模。
15.按照权利要求14的方法，其特征为，所说第一复杂模样为具有平面，向前偏斜的刀片的钢体钻头用的模样。
16.按照权利要求14的方法，其特征为，所说第一复杂模样为在基准面上具有施加表面硬化材料的凹槽区的钢体钻头用的模样。
17.按照权利要求15的方法，其特征为，所说第一复杂模样而且是在所说平面、向前偏斜的刀片上形成带凹槽的基准面区用的模样。
18.按照权利要求14的方法，其特征为，所说第一模样具有向前偏斜的刀片，而所说机加工包括将所说刀片加工成多个相连平表面的步骤，使所铸成的钻头体具有钻头切割元件用螺旋形安装表面。
19.按照权利要求18的方法，其特征为，所说机加工步骤还包括在所说第一模样上加工出带凹槽的基准面区的步骤，使所铸成的钻头体在所说刀片上具有带凹槽的基准面区。
20.按照权利要求14的方法，还包括在所说铸成的钻头体上添加切割元件和表面硬化材料的步骤。
21.按照权利要求19的方法，还包括在所说铸成的钻头体上添加切割元件和表面硬化材料的步骤。
全文摘要
钢质钻头体是在熔泡塑模铸造法中用聚苯乙烯模样制造出来的。模样被机加工,因此能生成复杂的形状,这种复杂形状是能从可重复使用的、两瓣模样模型中脱出的简单模样所不能复制的。模样是由坯料按照一个基本的、编好程序的五轴机加工过程制造出来的,可形成可复制的复杂模样体的多个复制品。该机加工过程可以修改,从而可形成修改设计的多个复制品。机加工复杂模样由程序控制,修改设计只须修改程序,因此可制出具有各种形状的钻头模样,而可不需制造中间的、可重复使用的、可能需用多瓣构成的模样模型,这样在为每一个变型制造新的模样模型所需的有关时间和费用便都可省去。模样是在一次装夹的条件下、在一台适宜用三维球面运动加工塑料的机床上加工的。塑料的成分和密度使它能被机加工成为一个具有较小悬空突出和光滑表面细节的模样。形成的钻头模样具有向前偏斜的刀片,刀片的曲面由多个相连的平表面组成借以简化机加工。刀片的边缘形成一个螺旋面用来安装切割元件。向前偏斜使刀片更为坚强,因此可以较薄,从而可增大刀片之间的间隙,改善经过钻头的切屑的流动。在模样的基准面上机加工出凹槽,从而在铸件上亦可产生凹槽供接纳表面硬化层之用。当钻头在使用中逐渐磨耗时,该表面硬化层与周围的刀片材料配合,形成一个光滑的过渡区。
文档编号B21B1/46GK1242724SQ97181230
公开日2000年1月26日 申请日期1997年11月6日 优先权日1997年11月6日
发明者D·H·西蒙德, R·W·阿费勒, G·A·埃斯皮里图, 小E·R·马丁 申请人:德雷塞工业公司