天然金刚石表镶无芯钻头的制作方法

本发明涉及矿山钻探装备技术领域，具体地说就是一种天然金刚石表镶无芯钻头。

背景技术

金刚石是目前世界上发现的最硬的材料，金刚石钻头也是目前在各种钻探工程中应用比较广泛和比较先进的的工具之一，金刚石钻头钻进效率比较高，钻孔质量好，施工劳动强度轻，钻探成本比较低，按照金刚石在钻头胎体中的镶嵌方式来分，可分为表镶金刚石钻头和孕镶金刚石钻头，表镶金刚石钻头是将金刚石颗粒镶嵌在钻头胎体的表面，而孕镶金刚石钻头是将金刚石颗粒均匀地镶嵌在钻头胎体内，表镶金刚石钻头在钻进时进齿块，效率高，在中软硬岩层中应用广泛；这种表镶金刚石钻头由于表面是单颗粒金刚石，因此表镶的单颗金刚石颗粒的排列方式影响这金刚石颗粒的受到的冲击性和摩擦力，且金刚石胎体的直面焊接方式严重影响着钻头刀翼的牢固性和可靠性，在长深距离的钻进过程中如果钻头发生偏心钻或松动，则金刚石颗粒的受力更加不均匀，偏载大的一侧受到的冲击和摩擦力大，磨损严重，使得钻头过早的发生报废。

技术实现要素：

针对以上问题，本发明提供一种天然金刚石表镶无芯钻头，通过改进金刚石钻头胎体在刀翼上的焊接结构形式来加强金刚石刀头的稳定形，改变镶嵌金刚石表面的形状和采用金刚石颗粒大小交错排列的方式来减小钻进时受到的冲击力和摩擦力，采用锥形导向和多边形防松装置防止钻头的偏心和松动。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种天然金刚石表镶无芯钻头，包括钻头本体，胎体柱，立柱，金刚石颗粒，所述的钻头本体包括钻头上部本体和钻头下部本体，其特征在于：所述的钻头上部本体包括上部中空的圆柱段和下部梯形段，所述的圆柱段内部从上到下依次设置为多边形孔和锥形孔，所述的多边形孔段设置径向方向的销孔，所述的锥形孔末端三角锥位于下部梯形段内，所述的梯形段外侧面为圆弧面，所述的梯形段内开设孔一，孔二，孔三，孔四；所述的钻头下部本体为钻头的冠部，设置于上部本体的梯形弧面上，所述的钻头冠部之间设置排屑槽，排屑槽可设置为螺旋形式，所述的钻头冠部包括前端部，侧弧面，背部，u形槽，保径带，所述的前端部包括前刀翼、侧刀翼和下刀翼，所述的前刀翼、侧刀翼和下刀翼上设置弧形槽，所述的弧形槽内固定胎体柱，所述前端部与胎体柱组成刀翼的主刀翼；所述背部形成副刀翼，副刀翼的倾斜角为5-20度；所述u形槽位于背部的下侧并从冠部的侧弧面开设，所述的侧弧面为同一直径柱形弧面，所述的保径带位于前刀翼与副刀翼之间，所述钻头各冠部的保径带上表面位于同一平面内，保径带外侧圆直径等于柱形侧护面直径；所述立柱竖向固定于钻头本体段开设的孔四内，所述的胎体柱固定于钻头冠部的弧形槽内及立柱上，所述的胎体柱在钻头冠部和立柱上的安装方向相同；所述金刚石颗粒表镶在胎体柱上，所述金刚石颗粒切削面朝向相同。

作为优化，所述的钻头上部本体梯形段内所述的孔一设置于梯形段的梯形弧面上并与上部本体的锥形孔末端的三角锥相通，所述的孔二开设于梯形段的下端面上，并与上部本体的锥形孔末端的三角锥形孔相通，所述的多个孔二对称排列于钻头本体段端面中心线一上，所述的孔三开设于梯形段的下端面上并与上部本体的锥形孔末端的三角锥形孔相通，所述的孔三对称排列于钻头本体段端面中心线二上，所述的中心线一垂直于中心线二，所述的孔四对称布置于中心线二上，所述的孔四不是通孔。

作为优化，所述的多边形孔可为四边形孔或六边形孔。

作为优化，所述的孔一，孔二和孔三设置为直通道或螺旋通道。

作为优化，所述的胎体柱前端面形状设置为平面形或锥形或梯形。

作为优化，所述的金刚石颗粒形状为立方体形或多边菱形。

作为优化，所述的金刚石颗粒大小交错排列，刀翼上胎体除了固定面外其他面镶嵌金刚石颗粒，立柱上胎体柱除了固定底面外其余面镶嵌金刚石颗粒。

作为优化，所述的胎体柱上前断面和外侧面上的金刚石颗粒品级大于上外弧面和内侧面上的金刚石颗粒等级。

作为优化，所述的前刀翼弧形槽设置为2-8个，可设置1-3排，所述的侧刀翼弧形槽设置为1-4个，所述的下刀翼弧形槽设置为1-2个，相应的胎体柱设置数量与弧形槽设置数量相等，弧形槽弧度与胎体柱弧度相匹配。

作为优化，所述的侧弧面或为从保径带开始逐渐减小的外弧面，倾斜角度大于0度小于15度，所述的保径带外弧面和前端部刀翼外弧面为最大直径外弧面。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的一种天然金刚石表镶无芯钻头，通过采用大小交错排列的金刚石颗粒减缓了钻头钻进时受到的冲击和摩擦，延长了金刚石颗粒的使用寿命，采用在钻头冠部上开设弧形固定槽固定胎体柱，使得钻头的冠部刀翼固定更加牢靠，采用的锥形导向和多边形放松结构，使得钻头在钻进时导向准确不偏心且在反转时钻头不发生松动，避免了掉钻现象的发生。

附图说明

图1为本发明总体结构图；

图2为本发明局部剖视图；

图3为本发明钻头本体柱形段多边形孔剖视图；

图4为本发明俯视图；

图5为本发明表镶金刚石颗粒的胎体柱；

图6为本发明另一实施例俯视图；

其中，1钻头本体，2胎体柱，3立柱，4金刚石颗粒，11钻头上部本体，12钻头下部本体，111圆柱段，112梯形段，1112锥形孔，1111多边形孔，1113销孔，1121孔一，1122孔二，1123孔三，1124孔四，13排屑孔，121前端部，123侧弧面，122背部,124u形槽，125保径带，1211前刀翼，1212侧刀翼，1213下刀翼。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

如图1-5所示的实施例一，一种天然金刚石表镶无芯钻头，包括钻头本体1，胎体柱2，立柱3，金刚石颗粒4，所述的钻头本体1包括钻头上部本体11和钻头下部本体12，其特征在于：所述的钻头上部本体11包括上部中空的圆柱段111和下部梯形段112，所述的圆柱段111内部从上到下依次设置为多边形孔1111和锥形孔1112，所述的多边形孔1111段设置径向方向的销孔1113，所述的锥形孔1112末端三角锥位于下部梯形段112内，所述的梯形段112外侧面为圆弧面，所述的梯形段内开设孔一1121，孔二1122，孔三1123，孔四1124；所述的钻头下部本体12为钻头的冠部，设置于上部本体11的梯形弧面上，所述的钻头冠部之间设置排屑槽13，排屑槽可设置为螺旋形式。

钻头冠部可设置为3-6组，可根据钻进的孔洞大小和岩层硬度来选取；所述的钻头冠部包括前端部121，侧弧面123，背部122，u形槽124，保径带125，所述的前端部121包括前刀翼1211、侧刀翼1212和下刀翼1213，所述的前刀翼1211、侧刀翼1212和下刀翼1213上设置弧形槽，所述的弧形槽内固定胎体柱2，弧形槽的设置相当于给胎体柱的焊接开设了焊接坡口，相比以往的平面焊接焊接融合部分更多，焊接更牢靠；所述前端部121与胎体柱1组成刀钻头冠部的主刀翼，起主要的钻削作用；所述背部122形成副刀翼，副刀翼的倾斜角为5-20度，副刀翼的后倾斜角的设置为减少刀翼在旋转钻进过程中的摩擦力，但是又不能过大，过大减弱了刀翼的整体强度；所述u形槽124位于背部122的下侧并从冠部的侧弧面123开设，u形槽设置为在竖向上减少刀翼在钻进过程中的摩擦力，u形槽设置为1-4个，u形槽设置是为了减少钻头本体刀翼在竖向面上的摩擦力，u形槽设置数量不能太多，太多削弱整体刀翼的机械强度；所述的侧弧面123为同一直径柱形弧面，所述的保径带125位于前刀翼与副刀翼之间，所述钻头各冠部的保径带上表面位于同一平面内，即每个钻头冠部上表面有一条保径带，使得钻头在钻进时各冠部处于同一平面内，保证钻进的同步不偏心，保径带125外侧圆直径等于柱形侧弧面直径，在本实施例中，整个外弧面都与保径带外弧面直径相同。

所述立柱3竖向固定于钻头本体段开设的孔四1124内，所述的胎体柱2固定于钻头冠部的弧形槽内及立柱3上，所述的胎体柱在钻头冠部和立柱上的安装方向相同，保证每个冠部的刀翼切削方向相同，钻头冠部的胎体柱上的金刚石颗粒形成主要的钻削刀刃，主要钻孔和扩径，钻头中心立柱上的胎体柱上的金刚石颗粒为辅助钻削刀刃，对钻孔中心的矿岩等进行钻削，同时可对冠部刀刃形成的不易碎断的螺旋钻屑进行破碎作用；胎体柱采用钎焊或熔覆固定方式；所述金刚石颗粒4表镶在胎体柱2上，所述金刚石颗粒4切削面朝向相同，保证在钻头钻削时的钻削角度相同以及钻削力的同向性。

钻头上部本体内设置的多边形孔1111和锥形孔1112，锥形孔能保证钻头在组装和钻进时的正确导向，不发生偏心现象，多边形孔为防止钻头在反转使时的防松，保证钻头在正转和反转时都不会发生掉钻现象；所述的多边形孔1111段设置径向方向的销孔1113，起到固定钻头和钻杆位置固定的作用。

作为本实施例的进一步优化，所述的钻头上部本体梯形段内孔一1121设置于梯形段的梯形弧面上并与上部本体的锥形孔末端的三角锥相通，所述的孔二1122开设于梯形段的下端面上，并与上部本体的锥形孔末端的三角锥形孔相通，所述的多个孔二1122对称排列于钻头本体段端面中心线一上，所述的孔三1123开设于梯形段的下端面上并与上部本体的锥形孔末端的三角锥形孔相通，所述的孔三1123对称排列于钻头本体段端面中心线二上，所述的中心线一垂直于中心线二，所述的孔四1124对称布置于中心线二上，所述的孔四不1124是通孔，孔一至孔三为排水孔，对钻头刀翼及金刚石颗粒进行喷水冷却，孔四1124内固定立柱3，立柱3的数量可根据实际需要和钻头的大小设置相应的数量，2个为优选。

作为本实施例的进一步优化，所述的多边形孔111设置为多边形以四边形孔或六边形孔为优选，主要为防止钻头在发转时发生松动掉钻现象。

作为本实施例的进一步优化，所述的孔一1121，孔二1122和孔三1123内设置直通道或螺旋通道，螺旋通道使得从上部来的水形成螺旋行走路线，排屑槽设置为螺旋形式时，排水孔的螺旋与排屑槽的螺旋为反方向，冷却水从排水孔出来后与到刀翼后改变方向与排屑槽的螺旋方向变为一致，更有利与排屑。

作为本实施例的进一步优化，所述的胎体柱2前端面形状设置为平面形或锥形或梯形，可根据不同硬度等级的岩层进行选取，硬度较大的可选取平面形，中硬度的可选取梯形，岩层中硬以下有一定软度的可选取锥形。

作为本实施例的进一步优化，所述的金刚石颗粒4为天然金刚石颗粒，天然金刚石硬度最硬，所述的金刚石颗粒形状立方体形或多边菱形，天然金刚石颗粒一般为立方体性或多边菱形，可根据岩层性质或实际工况选取。

作为本实施例的进一步优化，所述的金刚石颗粒4大小交错排列，金刚石颗粒在胎体上的分布要均布，为使得金刚石颗粒在钻削时受到的冲击力和摩擦力能均布，减少局部金刚石颗粒的受力过大，且便于冲洗后的钻屑的排出；刀翼上胎体除了固定面外其他面镶嵌金刚石颗粒，固定在刀翼弧形槽内的胎体柱由于下部弧面固定在槽内，所以只需在胎体柱的前端面、侧面和上外弧面镶嵌金刚石颗粒，由于受力不同，设置在前端和外侧端的金刚石颗粒品级要高于内侧面和上外弧面的颗粒；立柱上胎体柱除了固定底面外其余面镶嵌金刚石颗粒，即整个外弧面和胎体柱前端面都镶嵌金刚石颗粒。

如图6所示的实施例二，所述的侧弧面为从保径带开始逐渐减小的外弧面，倾斜角度大于0度小于15度，所述的保径带外弧面和前端部刀翼外弧面为最大直径外弧面，在实施例一中为了减小旋转钻进的摩擦力设置了u形槽，在本实施例中，设置保径带和前端刀翼的外弧面为最大直径处，保证钻头在钻进时的钻孔的同一直径，同时为减小旋转钻进时的摩擦力，保径带后侧即钻头冠部背部下为逐渐减小的外弧面，即保证了钻头冠部的整体强度，同时又减小了摩擦力，使得钻进更加快速，钻进效率更高。

在钻头钻进时，钻头冠部胎体柱上的金刚石颗粒作为主钻削刃钻进，钻头中心立柱胎体柱上的金刚石颗粒具有辅助钻削刃作用，同时随着钻头的旋转和钻进，钻出的钻屑呈螺旋排除，辅助钻削刃辅助将没有断裂的钻屑切断形成碎屑，并从排屑槽排出，由于钻屑的运动路线为螺旋状，当设置的排屑槽为螺旋状时，对于钻屑的排出起到加速排出的作用；同时，冷却液从钻头上部加入后从孔一至孔三中多路喷出，当设置的排水孔为反螺旋时，喷出的冷却液在遇到钻刃时反射后形成正螺旋，与排屑槽螺旋一致，也有加速钻屑排出的作用。

开设的弧形槽加强了胎体柱焊接的牢固性，同时金刚石颗粒采取大小交错排列的方式也减轻了对单一金刚石颗粒的钻削冲击性，均布了摩擦力，延长了金刚石颗粒的使用寿命；正确的导向和防松结构，使得钻头在钻进时不发生偏心，在反转是不产生松动掉钻现象。

上述具体实施方式仅是本发明的具体个案，本发明的专利保护范围包括但不限于上述具体实施方式的产品形态和式样，任何符合本发明权利要求书且任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应落入本发明的专利保护范围。