具有多个切削刃的多晶刀具的制作方法

专利名称：具有多个切削刃的多晶刀具的制作方法
相关申请和优先权要求本申请要求于2004年10月28日递交的美国临时申请号60/623,120的权益和优先权，所述美国临时申请在这里通过引用被整体包括。
背景本公开涉及具有多个切削刃的超级磨料(superabrasive)刀具。具体地，用于凿岩刮刀钻头(rock drilling drag bit)的超级磨料刀具(cutter)被描述成具有两个或更多个切削尖端或刃，所述两个或更多个切削尖端或刃被形成在刀具的外边缘中。
金刚石和立方氮化硼(“CBN”)已经被广泛地用作在锯、钻以及利用超级磨料来切削、成形或者抛光其他硬性材料的其他工具上的超级磨料。多晶金刚石(“PCD”)切削元件是普遍已知的。PCD复合件是大量金刚石颗粒结合在一起，形成整体的、刚性的、高强度的团块(mass)。金刚石或CBN颗粒可以以颗粒间自结合的关系结合在一起成为复合件，可选地，利用设置在颗粒之间的结合介质，所述结合介质诸如用来将磨料颗粒结合在一起的催化材料。例如，美国专利号3,236,615；3,141,746；和3,233,988描述PCD复合件及其形成方法，所述美国专利中的每一篇的公开在这里通过引用被整体包括。
磨料颗粒复合件可以被结合到基底材料，所述基底材料诸如烧结碳化钨。结合到基底的这种类型的复合件有时被称为复合的复合件(composite compact)，诸如在美国专利号3,743,489；3,745,623；和3,767,371中描述的复合件，所述美国专利中的每一篇的公开在这里通过引用被整体包括。
复合的复合件已经发现作为钻头中的切削元件的专门应用。用于凿岩、耐磨材料的机加工和需要高抗磨性或耐磨性的其他操作的钻头一般由固定在夹持器中的多个多晶磨料切削元件组成。例如，美国专利号4,109,737和5,374,854描述具有碳化钨基底的钻头，所述碳化钨基底具有在切削元件外表面上的多晶金刚石复合件，所述美国专利中的每一篇的公开在这里通过引用被整体包括。
多个切削元件通常可以通过过盈配合或其他方式被安装到钻头(如旋转钻头)的冠的凹座中。PCD在钻削、采矿和木工应用中被用作抗磨损和冲击的表面。PCD复合件已经被设计成既提供抗磨性又提供冲击强度。
另外，美国专利号5,848,657和6,196,340描述用于牙轮钻头(roller cone bit)的圆头刀具，所述美国专利中的每一篇的公开在这里通过引用被包括。所述刀具具有圆锥形的、圆头形的或半球形的表面形状，所述表面形状具有在刀具表面上的沟(groove)或脊(ridge)，所述刀具表面被形成在其他非平坦形状上或周围。这样的刀具被设计用于滚动(roll)或快速旋转(spin)进入到工作件中。相反地，刮刀钻头通过剪切材料来去除材料，并且通常在处于刮刀钻头的平坦刀具表面的边缘的单个点处，而不是在刀具表面本身上进行接触。因此，刮刀钻头的刀具表面上的沟或脊在切削材料时不会有益处。
当前，大部分PCD刀具在形状上是圆柱形的，并且具有接触要被切削的材料的切削表面或者金刚石台或者金刚石层。PCD刀具通常具有13mm、16mm和19mm大小的直径。被称为刻划刀具(scribe cutter)的具有尖锐切削尖端的非圆柱形刀具也已经被描述。在凿岩刮刀钻头10中，如在

图1A和1B中示出的，圆柱形或者刻划刀具11可以初始地在单个点13处接触岩石12，并且随着刀具11磨损，在连续表面区域14之上接触岩石12。因此，刀具11在要被切削的材料12的表面14之上被“拖曳”，并且在点13处接触材料，即如在图1B中示出的，所述点13在使用期间发展成为磨损面15。随着刀具11的磨损，它形成变得更宽的平坦区域15，但是它初始仍然是在金刚石台的前端上的单个接触点13。
刮刀钻头被构造成包括各种刀具大小。性能的增强(机械钻速和总体钻进深度)是通过在以上描述的大小和形状之间选择具有磨损和/或冲击性能改进的PCD刀具，并且根据各种钻头设计策略布置它们来实现的。
包括PCD刀具的凿岩刮刀钻头的成本效益可以由钻头的机械钻速(ROP)以及PCD刀具和其他钻头部件的寿命来确定，所述机械钻速可以以在所占用的时间内钻进的深度(诸如每操作小时多少英尺或米)来测量。除了钻头的总体稳定性以外，刀具寿命是多晶金刚石材料的(1)抗磨性和(2)冲击强度的函数。过去的努力已经证明抗磨性增强通常伴随着冲击强度的降低。因此，由改进的刀具材料造成的成本效益降低已经被证明难以实现。因此，许多新近的努力已经集中在刮刀钻头设计的改进上，而不是改进的刀具设计上。
例如，美国专利号6,564,886描述了包括具有交替的正和负前倾角(back rake angle)的刀具布置的钻头设计；美国专利号5,551,522描述了包括具有各种刀具的不同暴露高度的刀具布置的钻头设计；美国专利号5,582,261描述了包括这样的刀具布置的钻头设计，即，一些刀具具有对岩石的较大的初始暴露；在这里通过引用被整体包括的美国专利号5,549,171描述了结合使用不同前倾角和刻划刀具的钻头设计；美国专利号5,383,527描述了具有不对称支撑和胚(ovular)的刀具设计；美国专利号5,607,024描述了包括这样的刀具的钻头设计，即，所述刀具包含具有不同抗磨性的区域，诸如不同粒度的PCD；以及美国专利号5,607,025描述了包括重叠的大和小圆柱形PCD刀具的钻头设计。上面参考文献中的每一篇的公开在这里通过引用被包括进来。
但是，在现有技术中，机械钻速和钻头稳定性的问题是通过钻头设计，而不是刀具设计来解决的。钻头设计曾将多个刀具引入到刮刀钻头设计中。因此，人们期望不改变多晶金刚石材料的材料性质而提供导致增加的刀具寿命、机械钻速和钻头稳定性的刀具设计。通过刀具本身的设计，而不是复杂的钻头设计来实现这些目标的刀具设计是优选的。这种具有改进的机械钻速、寿命和强度性质的刀具可以被引入到许多钻头设计中。
本申请描述针对以上描述的问题中的一个或更多个的解决方案。
内容概述在实施方案中，切削元件包括设置在基底上的整体结合的超级磨料层。所述层可以具有包括至少一个槽的外周边，所述至少一个槽在所述槽的每一侧具有不同的切削尖端。所述超级磨料颗粒可以包括金刚石或立方氮化硼，并且所述基底可以包括IVB族、VB族或VIB族金属碳化物。所述槽可以通过放电加工(EDM)被机加工在所述层中。所述基底在形状上可以是圆柱形的，可以具有在其中可以形成至少一个槽的外周边，并且可以具有基本上平坦的顶部表面。
在实施方案中，所述层可以具有两个或更多个槽，所述两个或更多个槽包括在所述槽之间的具有不同切割刃的齿或多个齿。在一些实施方案中，所述齿可以是约0.07英寸高，约0.05英寸宽，并且可以具有约0.1英寸的间距。在另一个实施方案中，所述切削元件包括可以在所述层的一侧以约0.1英寸的距离间隔开的两个齿，以及可以在所述层的相对一侧以0.1英寸的距离间隔开的两个齿。其他大小是有可能的。在另一个实施方案中，所述槽包括相对所述切削元件的中心轴的非零的角度。
为了刮刀钻头在切削材料中的进一步使用，所述切削元件可以被包括在凿岩刮刀钻头中。所述切削元件可以初始地接触岩石或矿物材料的表面，所述岩石或矿物材料诸如花岗岩、砂岩、石灰岩、页岩或另一种材料，并且它可以沿着所述材料的所述表面被拖曳来进行切削。所述切削元件可以以一角度(例如约5°到约30°的角度)被拖曳横过所述材料，其中所述角度可以在所述切削元件的中心轴和所述材料的所述表面之间形成。所述切削元件可以在或者接近齿的中心处以第一一个或更多个切削尖端接触所述材料。额外的切削尖端可以在所述第一切削尖端已经经历磨料磨损之后接触所述材料。
附图简要说明被包括并且形成说明书一部分的附示各个实施方案，并且与所述描述一起，用来说明各个实施方案的原理。
图1是示出接触材料的凿岩刮刀钻头的图示。
图2是根据一个实施方案的切削元件的侧视图的图示。
图3示出接触材料的切削元件，以及所述切削元件的相对运动。
图4是根据一个实施方案的切削元件的视图。
图5是根据一个实施方案的切削元件的俯视图。
图6是根据一个实施方案的切削元件的侧视图。
详细描述在描述本发明的实施方案、方法和材料之前，应当理解，本公开不被限制到描述的特定实施方案、方法和材料，因为他们可以变化。还应当理解，在描述中使用的术语仅仅是出于描述特定的实施方案的目的，而不是想要限制范围。
还必须注意，如在这里以及在所附的权利要求书中使用的，除了在文中明确地指出的以外，单数形式的“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”包括复数的引用。除了在这里以其他方式定义的以外，在这里使用的所有技术和科学术语具有与本领域普通技术人员通常所理解的相同的含义。在这里提到的所有出版物通过引用被包括。在此没有什么可以被解读成承认本文所公开的实施方案没有资格比根据现有发明的公开更早。
在一个实施方案中，刮刀型钻头通过给每个刀具提供多个切削尖端(point)或刃(edge)，引入超级研磨材料(即具有约3000kg/mm2或更大的维氏硬度的材料，诸如，金刚石或CBN)。超级磨料刀具可以被生产成将两个或更多个切削刃结合到超级磨料层的外周边。如在本领域中已知的，两个或更多个切削刃可以通过任何机加工方法被形成到外周边中。如果槽或圆形凹陷(rounded recession)被机加工到超级磨料层中，则两个或更多个切削刃可以被形成到超级磨料层的外周边中，槽的每一侧一个。因此，齿可以被形成在两个槽之间。齿可以被平坦化成细长的三角形脊，所述脊从所述层的外周边突起。所述齿还可以是圆形的、尖锐的、锯齿状的或者一些其他期望的形状。槽可以被形成到传统的超级磨料刀具的周围或者边缘中。槽可以沿着超级磨料刀具的整个侧延伸，或者槽可以部分沿着刀具的高度延伸，或者槽可以完全或部分沿着刀具的磨料层向下延伸。刀具的简单实施方案可以包括在超级磨料刀具中的单个槽，其中所述槽的每一侧存在不同的切削尖端。
诸如两个、三个、四个或更多个槽的额外的槽可以被添加来形成额外的切削刃。这些槽可以在制造期间被整体地形成在刀具中，或者通过(诸如，通过放电机加工或磨削(grind))将它们机加工到刀具的侧中，或者通过一些其他方法来形成。与其中存在单个切削尖端的圆柱形的、刻划的或者各种其他形状的刀具的现有技术形成对照，在这里描述的超级磨料切削元件具有两个或更多个切削刃。
所述一个或更多个槽可以沿着超级磨料层的外周边以平行于层的中心轴的方式伸展。槽是被形成在所述层的外周边中的细长的凹陷，使得在槽的每一侧，存在一个切削尖端。因此，任何在其外周边上具有至少一个槽的超级磨料层具有多个切削刃。在其他的实施方案中，槽可以被这样地形成，从而使它们不平行于刀具的中心轴。一个实施例在图2中被图示，其中槽22可以以向内倾斜的角度被形成在超级磨料层23的外周边中。在具有向内切割或形成在超级磨料层23的外周边中的槽22的情况下，刀具20将具有多个切削刃25。当然，非圆柱形的刀具是有可能的。槽22与刀具20中心轴形成非零的角度，其中槽22仅部分沿着刀具20的外表面向下延伸。槽22可以被这样地形成到层23中，即，它们不平行于刀具20的中心轴，同时仍然在槽22的每一侧提供不同的切削尖端28。槽22相对超级磨料刀具20的中心轴的角度可以从约0°到约90°，优选约15°到约45°。因此，如果在这样的实施方案中存在多于一个的齿21，则齿21可以是不同的大小和形状。两个最外面的齿21a具有与两个里面的齿21b不同的形状。在图2中图示的四个齿21之间的五个槽22可以通过放电加工(“EDM”)或另一种适当的工艺来形成。槽22可以以不同的切割角度和切割深度来形成，导致不同形状的齿。
在所述切削元件实施方案中，基底可以包括金属碳化物，所述金属碳化物包括IVB族、VB族和/或VIB族金属。这些族包括诸如钛、锆、钒、铌、铬和钼的金属。其他的材料是可能的。在一个实施方案中，基底在形状上可以基本上是圆柱形的，所述基底可以具有外周边，并且所述外周边可以具有形成在所述基底的所述外周边中的至少一个槽。因此，超级磨料层的槽可以基本上对应于基底的槽，将细长的凹陷创建在层和基底中，并且因此形成多个切削尖端或刃。其他的形状是可能的。
超级磨料复合件和包括超级磨料层和基底两者的复合的复合件的制造是公知的。例如，美国专利号3,743,489；3,745,623；和3,767,371描述了PCD复合件和它们的形成，所述专利中的每一篇的公开在这里通过引用被包括。复合的复合件的制造可以通过将烧结碳化物基底放入压制机(press)的容器中来实现。金刚石粒或者金刚石颗粒和催化结合物的混合物可以被放置在基底的顶部上，并且在高压/高温(HP/HT)条件下被压缩。需要的催化剂粘结剂可以包括钴、铁、镍(铁族金属)或者它们的混合物。这些条件包括约25千巴到约75千巴之间的压力，以及约1000℃或更高的温度。在这样的条件下，金属粘结剂从基底迁移并且掠过(sweep)金刚石颗粒，以促进金刚石颗粒的烧结。结果，金刚石颗粒变为彼此结合并且形成金刚石层，与此伴随地，所述金刚石层沿着界面被结合到所述基底。在将金刚石颗粒和可选的催化剂粘结剂放置在压制机中的基底的顶上时，可以使用放置在金刚石颗粒周围的适当的铸型(cast)或模型(mold)，从而以适当的设计来形成PCD层。例如，铸型或模型可以包括要整体地形成到PCD层的外表面中的一个或更多个齿。其他的大小是可能的。
在这里描述的实施方案的切削元件可以具有许多齿，并且可以具有可选地以等距方式围绕外周边间隔开的齿，但是等距不是必需的。在一个实施方案中，在外周边上存在几个齿，例如好像在3点钟位置。在另一个实施方案中，在外周边上存在两组或更多组的几个齿，例如好像在3点钟和9点钟位置。刀具可以具有这样的多组齿，从而如果期望，它可以在钻头内旋转，并且被再使用。在另一个实施方案中，切削元件可以具有形成在外周边中的齿，所述齿为约0.07英寸高乘0.05英寸宽，并且以约0.1英寸的距离彼此间隔开。其他的大小是可能的。
在一个实施方案中，切削元件包括可以具有至少一个槽的超级磨料层，所述至少一个槽通过EDM被加工到所述层的外周边中。在这种工艺中，可以使线电极与刀具处于近距离接触，导致电火花来成形。这些电火花烧穿它接触的材料，并且所述线继续移动通过刀具，通过电火花腐蚀来去除材料。所述线的移动可以由计算机数控来控制，或者可以利用已编程的计算机来执行任何期望的路径。所述线可以以平行于刀具轴的方式接触材料，使得槽延伸于刀具的整个长度，或者所述线可以以相对刀具轴约0°到约90°之间的非零的角度来接触材料，使得槽仅部分沿着刀具的侧向下延伸。
在另一个实施方案中，一个或更多个槽可以与超级磨料层一起被整体地形成。模制成型(molding)可以被用来满足期望的槽和/或齿间距、形状、深度和宽度要求。这样的模型可以本质上对应于去除部分(cutout)的形状。模型可以由碳化钨或其他适当的材料形成，并且可以是部分或完全的环形的形状，模型齿被附接到所述环。该模型环可以被放置在耐火金属杯的底部中，并且金刚石颗粒可以被添加到所述杯。碳化钨基底随后可以被置于杯中，在金刚石颗粒的顶部上，形成杯组件。杯组件随后可以被放置在压力室(pressurecell)中，并且使用制作超级磨料刀具的通常方法来处理。生成的制品包括其顶上为多晶金刚石台的基底，所述多晶金刚石台包含碳化钨模型件。已经形成在各个模型件之间的金刚石在刀具的外周边中形成多个切削尖端。碳化钨模型件可以通过几种方法中的任意一种来去除，所述几种方法包括利用磨料砂(abrasive grit)(诸如包括碳化硅(SiC)的磨料砂)喷砂处理或者在侵蚀(attack)碳化钨而不会侵蚀多晶金刚石的强酸中溶解它们。可替换地，碳化钨模型件可以被保留在刀具中。所述模型件具有较低的抗磨性，这可以导致它们在使用期间被磨损掉。
在另一个实施方案中，切削元件可以被引入到包括凿岩刮刀钻头的许多钻头设计中。这样的钻头设计可以包括在背景部分中描述的钻头设计中的任何一种。切削元件包括基本上平坦的切削表面以及具有至少一个槽的外周边，并且可以具有创建多个切削尖端的多个槽。刮刀钻头使用切削元件来通过剪切岩石去除材料，并且在刀具的前缘上的单条线上进行接触。因此，刀具在要被切削的材料的表面之上被拖曳，并且在某个点处进行接触，所述某个点在使用期间发展成为磨损面。外周边上的槽被这样安置，从而使得它们中断通常的接触区。因此，在磨合之后，由于槽的存在，新的切削尖端被引入。新的切削尖端还引入增强的切削应力，因为接触区域较小。因此，由于槽位于切削元件的外周边上以及由于它平坦形的切削表面，切削元件的机械钻速和钻头的稳定性被增强。
在另一个实施方案中，如在图3中所示，提供了切削材料的方法。所述方法包括使切削元件20与材料的表面接触。超级磨料刀具可以被拖曳横过材料的表面来进行切削。
在所述方法实施方案中，切削元件20可以接触材料32，并且它可以以约5°到约30°的角度30被拖曳或者被推动横过材料32，其中切削元件20的中心轴33和材料32的表面31限定了角度30。该角度30在钻头和钻削应用领域中有时被称为“前倾”角，所述角度30是在刀具的主轴和被切削的材料的表面之间形成的角度，处于垂直于接触点的平面中。前倾角30可以被定制或者根据不同的切削应用和/或刀具20在钻头中的位置被调整。另外，要被切削的材料32可以是岩石或者矿物，诸如石灰岩、砂岩、页岩、花岗岩，或者要被钻削的任何其他地质构造。切削元件可以在齿的中心或者接近齿的中心处用第一一个或更多个切削尖端来接触材料。额外的切削尖端可以在第一切削尖端已经经历磨料磨损之后接触材料。
具有两个齿21的刀具20的一个实施例在图4(侧视图)中被示出。图4图示槽22如何被切割到具有超级磨料层23和基底24的刀具20中。虚线表示通过诸如EDM线切割的加工被去除的材料。因此，两个齿21和四个不同的切削尖端或刃25可以被形成到刀具20的外周边中。在这个实施例中，如通过虚线所表示的，去除部分材料或槽22可以是半圆形的。去除部分22还可以是弯曲的、正方形的、三角形的或其他适当的形状。齿尺寸在图4中也是可见的，其中齿25的宽度26等于切除部分22之间的间距21。间距21是刀具20的材料去除部分22的宽度。齿深度27是径向切割到刀具20中的距离。
在另一个实施方案中，每个刀具可以有八个齿。齿可以这样布置，即，四个齿在刀具的一侧，并且四个齿在另一侧，如同在外周边上的3点钟和9点钟处。因此，刀具的寿命可以被延长，因为一旦刀具在一侧被磨损，它可以旋转并且在相对侧上被使用。在一个实施方案中，齿可以具有约0.07″的高度，约0.05″的宽度以及约0.1″的间距。如在图4中所说明的，齿的高度对应于曾创建了齿的槽或去除部分的深度。槽可以通过线放电加工被蚀刻或者机加工或者成形在所述外周边中。
齿可以被在超级磨料层的外表面中的槽或圆形切口间隔并且分离开。机加工或者切削出两个槽或者圆形凹陷，从而创建在两个槽之间形成的齿是可能的。图4还图示槽22可以被形成到基底24的外表面中，导致细长的槽22在超级磨料刀具20的整个高度延伸。
图5示出示例性的齿形状。图6示出实施例，其中齿的形状没有完全延伸进入到刀具基底中。虽然图5和6示出齿21是从超级磨料层23延伸的三角形上升缘，但是可以提供切削齿的其他大小和/或形状。图5是当向下看超级磨料层23时，刀具20的俯视图。围绕刀具20的外周边存在四个齿21和五个槽22。如在图6(刀具的侧视图)中所看到的，齿21和槽22可以在刀具20的高度的整个长度延伸。
在使用超级磨料切削元件进行切削期间，切削尖端或刃中的一个、两个或者更多个可以接合要被切削的材料，诸如岩石。在切削元件的一个实施方案中，所述层具有三个齿并且在切削期间这样地被定向，即，使第一齿初始地接合岩石，并且两侧的齿随着刀具的磨合而接合岩石。在另一个实施方案中，超级磨料刀具具有四个齿并且这样地被定向，即，使两个中心齿初始接合岩石。在另一个实施方案中，接触是这样的，即，使槽的中心接触要被切削的材料，其中槽的每一侧的两个切削尖端接合材料。在另一个实施方案中，单个齿可以接合材料。
在另一个实施方案中，切削元件可以旋转，从而使得一旦切削元件的第一侧的切削尖端被磨损，另一侧的切削尖端可以被使用。齿可以被形成在围绕超级磨料台的周边的两个或更多个位置上，从而在钻削并且利用新的切削刃再使用之后，刀具可以被去钎焊(de-brazed)。
与传统圆柱形超级磨料刀具相比，包括在磨料层中的一个或更多个槽的切削元件呈现出增加的寿命。在所述切削元件中，一个或更多个优点可以是，但不限于(1)在相同钻压(WOB)的情况下，每个切削尖端较低的力，(2)在切削期间，由于非切削表面而减少的拖曳而导致的较低的摩擦和较低的温度，(3)导致较高机械钻速的增加的切削深度，(4)由于刀具在多个沟内行进(run)而导致的增强的钻头稳定性，所述多个沟在钻削过程期间被形成，(5)冲击损伤被局部化到刀具上的单个齿，允许剩余的齿继续钻削通过，(6)切削尖端中残余和施加的应力场的改变，以及(7)通过在切削齿之间形成的沟道(channel)，从刀具表面的更加有效的切屑去除。
实施例刀具性能的实验室测试在卧式端铣刀上进行，所述实验室测试在16英寸长×10英寸高的红花岗岩块上进行断续切削(interrupted cut)。横过所述块的横向速度是每分钟约2.5英寸，并且，切削的深度是约0.15英寸。所述块的一次通过(pass)相当于刀具上的大致约2080个单独冲击。该测试同时评估冲击性能和抗磨性，或者换而言之，总体的刀具性能。测试在两个刀具上进行一个刀具是19mm直径的超级磨料刀具，而另一个刀具是具有五个齿的19mm直径的超级磨料刀具，所述五个齿约0.07英寸高乘约0.05英寸宽，间距为约0.1英寸，该刀具是通过使用EDM将槽切割在刀具的外周边中来加工的。带齿的刀具被这样地定向，即，使两个中心齿都接合岩石。测试的结果表明带齿的刀具的刀具寿命有40％的改进(22,173次冲击对比15,725次冲击，或者10.66次对比7.56次横过岩石面的通过)。
应该注意到，从实施方案可期望的许多益处依赖于钻头中多切削尖端刀具的引入，并且将高度依赖于钻头设计和结构的适合性。但是，这些结果表明仅仅由于多个切削刃而导致的刀具寿命的固有改进。因此，在这里描述的切削元件可以被引入到各种钻头设计中。
应当可以理解，以上公开的各种特征和功能以及其他特征和功能，或者它们的可替换形式可以以可期望的方式被组合到许多其他不同的系统或应用中。同样，本领域中的那些技术人员可以后续做出各种当前在这里未预见的或者未预先考虑到的替换、修改、变体或者改进，所附的权利要求书旨在包含所述替换、修改、变体或者改进。
(按照条约第19条的修改)(按照2007年10月3日 申请日期2005年10月28日 优先权日2004年10月28日
发明者亨利·怀斯曼, 汤姆·伊斯利, 斯科特·阿伦·里斯 申请人:戴蒙得创新股份有限公司