一种多层金刚石取心钻头及其制造方法与流程

本发明属于金刚石取心钻头领域，具体涉及一种多层金刚石取心钻头及其制造方法。

背景技术：

金刚石取心钻头主要用于工程勘察、地质勘探、矿产勘探、水文、煤田地质调查等硬地层岩心的获取；在坚硬中弱研磨性地层，常规孕镶金刚石钻头胎体磨耗低，金刚石难以出刃刻取岩石，因此钻探效率极低。

现有技术中，为了提高钻头的机械钻速，除了合理改善胎体配方外，还可以通过钻头的切削结构优化增加钻头的单位比压，从而提高钻进效率；多数厂家将钻头设计为齿轮钻头，但是这种钻头切削齿通常设计又窄又矮，且与钻头内外径同心布置，条状齿轮工作层很快磨平而导致钻头无法继续发挥高效钻进作用，钻头使用寿命较低。

基于上述金刚石取心钻头中存在的技术问题，尚未有相关的解决方案；因此迫切需要寻求有效方案以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述技术中存在的不足之处，提出一种多层金刚石取心钻头及其制造方法，旨在解决现有金刚石取心钻头效率低、寿命短的问题之一。

本发明提供一种多层金刚石取心钻头，该取心钻头包括钻头钢体，钻头钢体沿轴向设有通孔，从而形成圆柱状的中空结构；钻头钢体的一端设有连接螺纹，钻头钢体的另一端设有胎块安装头，胎块安装头的端面上沿周向设有多个金刚石胎块，各个金刚石胎块呈倾斜状设置于胎块连接头的周向上，从而形成以中空结构圆心为中心的偏心齿结构；胎块安装头的外壁上还设有多层金刚石胎块，各层金刚石胎块之间设有水口，水口的内侧设有隔水片。

进一步地，胎块安装头上设有胎块嵌入槽，胎块嵌入槽贯穿于钻头钢体的外壁，并沿竖直方向呈多层排列，金刚石胎块沿竖直方向焊接于胎块安装头的端面上和胎块嵌入槽内；水口与胎块嵌入槽平行设置，并沿竖直方向多层排列。

进一步地，胎块安装头端面上相邻的金刚石胎块之间形成有水口槽，水口槽呈倾斜状贯穿于胎块安装头的壁面，水口槽的内侧设有内水槽，水口槽的外侧设有外水槽。

进一步地，胎块安装头外壁上相邻的金刚石胎块之间设有水口，水口的内侧设有内水槽，水口的外侧设有外水槽；和/或，隔水片包括多个，各个隔水片沿竖直方向设置于水口内，并与钻头钢体的内壁相连接。

进一步地，水口包括外水路槽和内水路槽，水口与水口槽沿钻头钢体的外壁竖直连接；和/或，胎块安装头端面上相邻的金刚石胎块之间形成有抗扭后衬，抗扭后衬沿水平方向的正投影为直角三角形。

进一步地，胎块安装头端面上相邻的金刚石胎块之间形成有高度差β，高度差β满足0mm≤β≤20mm；和/或，胎块安装头外壁上相邻金刚石胎块或水口之间的底面形成有高度差γ，高度差γ满足0mm≤γ≤27mm；和/或，胎块安装头壁面上最低层相邻金刚石胎块或水口之间的底面形成有高度差δ，高度差γ满足0mm≤δ≤13mm。

进一步地，水口和胎块嵌入槽之间设有保径条。

进一步地，金刚石胎块包括胎块工作层和胎块非工作层；胎块工作层的胎体内含有切削材料和预合金粉末，胎块非工作层内无切削材料；相邻两层金刚石胎块之间，上一层的金刚石胎块的工作层底面高于下一层金刚石胎块非工作层的顶面；切削材料为金刚石。

进一步地，相邻所述金刚石胎块之间的倾斜角α相同；和/或，金刚石胎块的顶部为锥状的切削齿；和/或，金刚石胎块为条状的偏心齿。

相应地，本发明还提供一种多层金刚石取心钻头制造方法，该制造方法包括以下过程：

s1：钢体的车削加工：利用车床加工钢体的内外壁，从而使钢体形成圆柱状的中空结构；在加工过程中，使钢体通孔内壁最底层胎块嵌入槽以下部分的内径尺寸小于上半部分的内径，从而形成一个可以放置石墨模具的凸台；

s2：钢体的铣削加工：将取心钻头的三维模型输入数控机床中，利用数控机床对钢体进行加工；加工部分包括胎块连接头、抗扭矩后衬、胎块嵌入槽、水口槽、外水槽、保径条嵌入槽以及水口；在加工过程中，胎块嵌入槽为贯穿钢体的窗口状结构，水口部分应距离通孔部分1-2mm形成薄壁结构，从而形成隔水片初期结构；

s3：金刚石胎块的制作：通过进行配料、装料、烧块的步骤制作金刚石胎块；金刚石胎块包括胎块工作层和胎块非工作层，胎块工作层的胎体内含有切削材料和预合金粉末，胎块非工作层无切削材料，切削材料为金刚石；在制作成型过程中，金刚石胎块的顶部为锥状的切削齿结构；

s4：石墨模具的加工：加工成型两个尺寸不同的石墨模具，两个石墨模具直径尺寸差为3mm至5mm；尺寸较小的石墨模具的直径与钢体通孔的直径相同，并且尺寸较小的石墨模具的高度为钢体内壁的凸台顶面到钢体胎块连接头顶部的距离；

s5：金刚石胎块以及保径条的焊接：将尺寸较小的石墨模具放置于钢体的通孔内，并落在凸台上；将金刚石胎块放置于钢体胎块安装头的端面和胎块嵌入槽中；将尺寸较大的石墨模具放置在顶端，并装配保径条；分别对金刚石胎块进行高频焊接固定；

s6：钢体的再加工：加工钢体内通孔与内壁的连接螺纹。

进一步地，制造方法还包括以下过程：s7：内水槽的加工：在线切割加工床上对钢体内壁进行线切割加工内水槽。

进一步地，制造方法还包括以下过程：

s8：隔水片的电火花加工：利用预先制备的两种铜电极薄片，进行电火花加工；将隔水片的薄壁结构侧向切割成u型缝隙，只有顶边与钢体通孔的内壁相连接，形成隔水片。

进一步地，制造方法还包括以下过程：

s9：钻头的深加工：除去取心钻头表面的氧化层，在磨床上进行精加工。

本发明提供的方案，提高了钻头的使用寿命，取心钻头的排浆更加通畅，使得金刚石取心钻头切削钻进速度更快，扭转强度和耐冲击性能力更强，不但可以大幅度提高钻头的工作效率，亦可提高钻头的工作强度和寿命。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

以下将结合附图对本发明作进一步说明：

图1为本发明一种多层金刚石取心钻头主视图一；

图2为本发明一种多层金刚石取心钻头主视图一；

图3为本发明一种多层金刚石取心钻头俯视图；

图4为本发明一种多层金刚石取心钻头主视图二；

图5为图4局部a放大示意图；

图6为本发明一种多层金刚石取心钻头立体图。

图中：1、钻头钢体；11、胎块连接头；2、金刚石胎块；21、胎块非工作层；22、胎块工作层；3、抗扭后衬；4、通孔；5、水口槽；51、内水槽；52、外水槽；6、隔水片；7、保径条；8、胎块嵌入槽；9、水口。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图6所示，本发明提供一种多层金刚石取心钻头，该取心钻头包括钻头钢体1，钻头钢体1沿轴向设有通孔4，从而形成圆柱状的中空结构；钻头钢体1的一端设有连接螺纹，连接螺纹用于取心钻头的装配连接；钻头钢体的另一端设有胎块安装头11，胎块安装头11与钻头钢体1一体成型，从而提高强度，该胎块安装头11的端面上沿周向设有多个金刚石胎块2，各个金刚石胎块2呈倾斜状设置于胎块连接头的周向上，从而形成以中空结构圆心为中心的偏心齿结构，具体为：多个金刚石胎块2沿水平方向（即胎块安装头11的横截面方向）倾斜分布于胎块安装头11的周向上和胎块嵌入槽8中，从而使得各个金刚石胎块2的切削齿不经过金刚石胎块2轴向通孔4横截面的圆心；同时，在胎块安装头11的外壁上还设有多层金刚石胎块2，各层金刚石胎块2之间设有水口9，水口9的内侧设有隔水片6；本申请方案提供的方案，突破了传统取心钻头工作胎高的限制，大幅提高了胎体工作层，使钻头的使用寿命成倍增加，减少起下钻次数，从而提高了施工作业效率。

优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，胎块安装头11上设有胎块嵌入槽8，该胎块嵌入槽8贯穿于钻头钢体1的外壁，并沿竖直方向呈多层排列，金刚石胎块2沿竖直方向焊接于胎块安装头的端面上和胎块嵌入槽8内；具体为，由于考虑到钻头的施工环境，金刚石胎块2通过高频焊接于胎块安装头11的端面上和胎块嵌入槽8内，从而提高连接强度和稳定性；进一步地，水口9与胎块嵌入槽8平行设置，并沿竖直方向多层排列。

优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，胎块安装头11的端面上相邻的金刚石胎块2之间形成有水口槽5，水口槽5呈倾斜状贯穿于胎块安装头11的壁面，水口槽5的内侧设有内水槽51，水口槽5的外侧设有外水槽52。

优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，胎块安装头11的外壁上，相邻的金刚石胎块2之间设有水口9，该水口9的内侧同样设有内水槽51，水口9的外侧同样设有外水槽52；进一步地，隔水片6包括多个，各个隔水片6沿竖直方向设置于水口9内，并与钻头钢体1的内壁相连接。

优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，水口9包括外水路槽和内水路槽，水口9与水口槽5沿钻头钢体1的外壁竖直连接；进一步地，胎块安装头11的端面上相邻的金刚石胎块2之间形成有抗扭后衬3，该抗扭后衬3沿水平方向的正投影为直角三角形。

优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，胎块安装头11端面上相邻的金刚石胎块2之间形成有高度差β，高度差β满足0mm≤β≤20mm；进一步地，胎块安装头外壁上相邻金刚石胎块2或水口9之间的底面形成有高度差γ，高度差γ满足0mm≤γ≤27mm；进一步地，胎块安装头11壁面上最低层相邻金刚石胎块2或水口9之间的底面形成有高度差δ，高度差γ满足0mm≤δ≤13mm。

优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，水口9和胎块嵌入槽8之间设有保径条7，保径条7用以加强钻头的外保径。

优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，金刚石胎块2包括胎块工作层22和胎块非工作层21；胎块工作层22的胎体内含有切削材料和预合金粉末，胎块非工作层21内无切削材料；相邻两层金刚石胎块2之间，上一层的金刚石胎块2的工作层底面高于下一层金刚石胎块2非工作层的顶面；切削材料为金刚石。

优选地，结合上述方案，如图1至图6所示，相邻所述金刚石胎块2之间的倾斜角α相同，即相邻金刚石胎块2的侧边之间形成的夹角a都一样；这样设计使得多个金刚石胎块2可排列成均匀分布的偏心齿；进一步地，金刚石胎块2的顶部为锥状的切削齿；进一步地，金刚石胎块为条状的偏心齿。

相应地，结合上述方案，如图1至图6所示，针对上述本发明提出的多层金刚石取心钻头结构，本发明还提供一种多层金刚石取心钻头制造方法，该制造方法包括以下过程：

s1：钢体的车削加工，该钢体即为上述的钻头钢体1：利用车床加工钢体的内外壁，从而使钢体形成圆柱状的中空结构；在加工过程中，使钢体通孔4内壁最底层胎块嵌入槽以下部分的内径尺寸小于上半部分的内径，从而形成一个可以放置石墨模具的凸台；

s2：钢体的铣削加工：将取心钻头的三维模型输入数控机床中，利用数控机床对钢体进行加工；其主要加工部分包括胎块连接头11、抗扭矩后衬3、胎块嵌入槽8、水口槽5、外水槽52、保径条嵌入槽以及水口9；在加工过程中，胎块嵌入槽8为贯穿钢体的窗口状结构，水口9部分应距离通孔4部分1-2mm形成薄壁结构，从而形成隔水片6初期结构；

s3：金刚石胎块的制作：通过进行配料、装料、烧块的步骤制作金刚石胎块；金刚石胎块2包括胎块工作层22和胎块非工作层21，胎块工作层22的胎体内含有切削材料和预合金粉末，胎块非工作层21无切削材料，切削材料为金刚石；在制作成型过程中，金刚石胎块2的顶部为锥状的切削齿结构；

s4：石墨模具的加工：加工成型两个尺寸不同的石墨模具，两个石墨模具直径尺寸差为3mm至5mm；尺寸较小的石墨模具的直径与钢体通孔的直径相同，并且尺寸较小的石墨模具的高度为钢体内壁的凸台顶面到钢体胎块连接头顶部的距离；

s5：金刚石胎块以及保径条的焊接：将尺寸较小的石墨模具放置于钢体的通孔4内，并落在凸台上；将金刚石胎块2依次放置于钢体胎块安装头11的端面和胎块嵌入槽8中；将尺寸较大的石墨模具放置在顶端，并装配保径条7；分别对金刚石胎块进行高频焊接固定；

s6：钢体的再加工：根据地质需求，加工钢体内通孔内壁的连接螺纹，或钢体外壁上的连接螺纹；

s7：内水槽的加工：在线切割加工床上对钢体内壁进行线切割加工内水槽；

s8：隔水片的电火花加工：利用预先制备的两种铜电极薄片，进行电火花加工；将隔水片6的薄壁结构侧向切割成u型缝隙，只有顶边与钢体通孔的内壁相连接，形成隔水片；具体地，铜电极薄片长度要长于水口深度，其中一种铜电极薄片宽度与水口最长直边长度相同，另一种铜电极薄片宽度与水口最短直边长度相同，加工时分别将铜电极薄片贴近水口内壁，沿水口内壁竖直进行加工，直到将隔水片的薄壁结构三条直边分别击穿形成缝隙，形成隔水片；

s9：钻头的深加工：除去取心钻头表面的氧化层，在磨床上进行精加工。

本发明提供的方案，提高了钻头的使用寿命，取心钻头的排浆更加通畅，使得金刚石取心钻头切削钻进速度更快，扭转强度和耐冲击性能力更强，不但可以大幅度提高钻头的工作效率，亦可提高钻头的工作强度和寿命。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述所述技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术对以上实施例所做的任何改动修改、等同变化及修饰，均属于本技术方案的保护范围。