用于取芯钻头的钻环以及用于制造钻环的方法与流程

本发明涉及一种按权利要求1的前序部分所述的用于取芯钻头的钻环以及一种按权利要求9的前序部分所述的用于制造钻环的方法。

背景技术：

在构成为取芯钻头的金刚石工具中，在具有封闭的钻环的取芯钻头与具有若干切割部段的分段式的取芯钻头之间进行区分。取芯钻头由加工区段、圆柱形钻杆和带有插入端的接纳区段构成。取芯钻头通过插入端固定在取芯钻机的工具接纳部中并且在取芯钻机的钻运行时绕旋转轴线被驱动。

封闭的钻环由具有统计学分布的金刚石颗粒的粉末混合物制造。粉末混合物填充到模具中并且压制成生坯件；生坯件在温度和压力作用下烧结成一个封闭的钻环。

在制造用于分段式的取芯钻头的各切割部段时，在专业领域已经建立多种方法，在所述方法中，各切割部段作为生坯件由封装的金刚石颗粒构成。各金刚石颗粒由粉末混合物包裹并且构成封装的金刚石颗粒。封装的金刚石颗粒填充到模具中并且压制成生坯件；生坯件紧接着在温度和压力作用下烧结成最终的切割部段。

技术实现要素：

本发明的目的在于，将装封的金刚石颗粒的技术应用到封闭的钻环中，并且相对于具有统计学分布的金刚石颗粒的钻环，可通过这样制造的钻环实现的加工质量提高。

该目的在开头所述的用于取芯钻头的钻环中按本发明通过独立权利要求1的特征解决并且在开头所述的用于制造钻环的方法中通过独立权利要求9的特征解决。有利的进一步方案在从属权利要求中描述。

按本发明在钻环方面设定，各环区段在侧棱边上相互连接。钻环包括至少两个环区段，所述环区段由烧结的粉末混合物和金刚石颗粒构成。在此，钻环不是构成为一个封闭的钻环，而是由两个或更多个环区段组成，所述环区段在侧棱边上相互连接。

在一种优选的变型方案中，钻环包括数量为n(n≥1)的第一环区段和数量为n的第二环区段，第一和第二环区段沿着钻环的圆周方向相互交替地设置。钻环由第一和第二环区段构成，允许与不同的要加工的基础相适配。在钻入具有嵌入的钢筋的混凝土材料中时，钻环例如碰到以混凝土和钢筋的形式的不同的基础，所述混凝土材料也称作为钢筋混凝土材料。

尤其优选，第一环区段由烧结的第一粉末混合物和第一金刚石颗粒构成，并且第二环区段由烧结的第二粉末混合物和第二金刚石颗粒构成。第一环区段的特性能适配于第一基础例如混凝土，并且第二环区段的特性能适配于第二基础例如钢筋。各环区段的特性能通过粉末混合物和金刚石颗粒建立。在金刚石颗粒中，金刚石平均直径、金刚石分布和金刚石颗粒数量能改变。

尤其优选，第一环区段的第一粉末混合物与第二环区段的第二粉末混合物一致。尤其优选，第一环区段的第一金刚石颗粒和第二环区段的第二金刚石颗粒具有相同的金刚石分布和相同的金刚石平均直径。通过将相同的粉末混合物和相同的金刚石颗粒用于第一和第二环区段，能降低在制造钻环时在设备方面的耗费；仅需要一种粉末混合物和一种金刚石颗粒。

在一种优选的实施形式中，在各环区段之间设置至少一个水缝槽。在用钻环进行加工期间，冷却液必须输送到加工位置上；冷却液通过水缝槽流到加工位置上并且确保钻环的足够冷却。

尤其优选，所述至少一个水缝槽在钻环的总高的1/3与5/6之间的高度上延伸。在与钻杆焊接的钻环中，连接区域没有金刚石地构成并且不适用于加工。设有金刚石颗粒的基体区域适用于加工基础，该基体区域大约是钻环的总高的5/6。

尤其优选，所述至少一个水缝槽的高度是钻环的总高的2/3。在总高的2/3的部分中，确保制成的钻环的足够强度。在用钻环加工期间，冷却液必须输送到加工位置；因此，水缝槽尽可能长地在钻环中构成。

尤其优选，各环区段具有一个或多个孔，所述孔使得钻环的内侧与外侧连接。在此，孔尤其优选至少部分设置在所述至少一个水缝槽的下方。如果该至少一个水缝槽被损耗，那么附加的孔确保钻环的足够冷却。

按本发明的用于制造封闭的钻环的方法包括如下步骤：由封装的金刚石颗粒构成至少两个生坯件，这些金刚石颗粒由粉末混合物包裹；将生坯件在压力作用下成型成环区段；并且将环区段成环形地组合并且在温度作用下烧结成一个封闭的钻环。

按本发明的方法包括三个方法步骤，这些方法步骤利用不同的技术。在按本发明的方法中，钻环不是构成一个封闭的钻环，而且由两个或更多个环区段组成，这些环区段通过烧结而连接。

在第一方法步骤中，由封装的金刚石颗粒构成多个生坯件，这些金刚石颗粒由粉末混合物包裹并且构成封装的金刚石颗粒。细粒的粉末混合物和粒料状的粉末混合物概括成术语“粉末混合物”。铁粉末、钴粉末和/或青铜粉末可用作为粉末混合物；通过混入添加物例如碳化钨能够影响钻环的特性(焊接电阻、寿命、切割友好度)。此外，粉末混合物的成分影响烧结温度。各金刚石颗粒和带涂层的金刚石颗粒概括成术语“金刚石颗粒”。

生坯件具有直棱柱的几何形状，该棱柱具有多角形基面。棱柱形的生坯件在第二方法步骤中在压力作用下成型成环区段。生坯料的成型在温度作用下进行，该温度低于粉末混合物的熔化温度。在第三方法步骤中，环区段成环形地组合并且在温度作用下烧结成一个封闭的钻环。在环区段烧结时，一方面实现各环区段的压实并且另一方面实现在相邻的环区段之间的连接。

冷压、热压以及类似方法适用于成型方法。在冷压时，生坯件在高压下形成预定的形状。在冷压中虽然材料变热，但是在不产生再结晶的温度范围中进行成型；材料变形，而强度不明显下降。在也称作为锻模的热压时，在高压和添加热量的情况下，生坯件形成其最终形状。除了形状之外，锻件改变其材料结构；该锻件变得更坚固，并且因此得到更加紧密的组织和均匀的表面。

烧结是一种材料制造方法，其中，粉末或生坯件(被压制的粉末)加热到低于熔化温度的温度，以便通过连接各粉末颗粒来提高强度。烧结过程经历三个阶段，在这三个阶段中，生坯件的多孔性和体积明显减少。在烧结的第一阶段中仅实现生坯件的压实，相反在第二阶段中敞开的多孔性明显减少。烧结体的强度基于在第三阶段中构成的烧结连接(在粉末颗粒之间的熔合)，该烧结连接通过在粉末颗粒之间的表面扩散而产生。热压是一种特别的烧结方法，其中，除了温度之外也采用外部压力。

在一种优选的变型方案中，钻环由数量为n(n≥1)的第一生坯件和数量为n的第二生坯件构成，所述第一生坯件成型成第一环区段，所述第二生坯件成型成第二环区段，第一和第二环区段沿着钻环的圆周方向相互交替地设置。钻环由第一和第二生坯件制造，允许钻环适配于不同的要加工的基础，例如适配于在钢筋混凝土材料中的混凝土和钢筋。

尤其优选，第一生坯件由封装的第一金刚石颗粒制造，这些封装的第一金刚石颗粒包含第一粉末混合物和第一金刚石颗粒，并且第二生坯件由封装的第二金刚石颗粒制造，这些封装的第二金刚石颗粒包含第二粉末混合物和第二金刚石颗粒。钻环对要加工的基础的适配可以通过选择粉末混合物和选择金刚石颗粒实现。在粉末混合物中，材料的成分是可以变化的；在金刚石颗粒中，金刚石平均直径、金刚石分布和金刚石颗粒数量是可以变化的。

在一种替选的方案中，钻环由数量为n≥2的相同的生坯件构成，生坯件成型成环区段并且沿着钻环的圆周方向依次设置。通过采用相同的生坯件能降低在构成生坯件时在设备方面的耗费；仅需要一种粉末混合物和一种金刚石颗粒。

生坯件具有直棱柱的几何形状，该棱柱具有多角形基面。矩形基面、五角形基面和六角形基面适用于多角形基面。

在第一变型方案中，生坯件构成有矩形基面。矩形基面是最简单的几何形状，以便钻环由多个环区段制成。各环区段在侧棱边上与相邻的环区段连接。

在第二变型方案中，生坯件构成有五角形基面，该基面具有一个矩形和一个带有两个内直角的梯形。在倾斜的梯形侧边的区域中，在烧结时与相邻的环区段产生水缝槽。通过这种五角形基面，在具有2n(n≥1)个环区段的钻环中产生数量为n的水缝槽。

在第三变型方案中，生坯件构成有六角形基面，该基面具有一个矩形和一个等腰梯形。在倾斜的梯形侧边的区域中，在烧结时与相邻的环区段产生水缝槽。通过这种六角形基面，在具有n(n≥2)个环区段的钻环中产生数量为n的水缝槽。

在一种优选的进一步方案中，环区段在烧结时经受温度和压力作用。与在没有压力作用的烧结方法中相比，在具有温度和压力作用的烧结方法、例如热压中，烧结更快并且烧结在更低的温度中进行。因为在600℃中已经产生由热引起的金刚石损坏，所以较低的烧结温度可以是一种质的优点。

尤其优选，环区段通过压力作用在烧结时经受附加的外部造型。对于加工不同的基础来说，证实特别的屋顶形状是适合的。这种屋顶形状能通过压力作用在烧结时产生。

附图说明

下面借助于附图解释本发明的实施例。该附图不必按比例尺地描述实施例，更确切地说用于解释的附图以示意的和/或略微失真的形式构成。鉴于补充由附图直接可知的教导，参考有关的现有技术。在此可考虑，关于实施形式的形式和详情能进行各种修改和改变，而不偏离本发明的整体思想。本发明的在说明书、附图以及权利要求书中公开的特征不仅能单独地并且能以任意组合地对于本发明的进一步方案是基本的。此外，由在说明书、附图和/或权利要求书中公开的至少两个特征构成的所有组合落入到本发明的范围中。本发明的整体思想不受限于下面显示的且描述的优选实施形式的精确的形式或详情，或者不受限于如下主题，该主题与在权利要求书中要求保护的主题相比较是受限的。在给出的额定范围中，位于所述边界内的值也要作为界限值公开并且可任意使用和要求保护。基于简化，下面对于相同或类似的部件或者具有相同或类似功能的部件采用相同的附图标记。

其中：

图1显示取芯钻头，其包括钻环、圆柱形钻杆和接纳区段；

图2显示按本发明的钻环，其具有四个环区段和在所述环区段之间的四个水缝槽；

图3a～3d显示图2的钻环由第一和第二生坯件制造，所述生坯件具有六角形基面(图3a)，生坯件成型成第一和第二环区段(图3b)，所述第一和第二环区段相互交替设置(图3c)并且烧结成一个封闭的钻环(图3d)；并且

图4a～4c显示生坯件，其具有矩形基面(图4a)、五角形基面(图4b)和六角形基面(图4c)。

具体实施方式

图1显示取芯钻机10，其具有钻环11、圆柱形钻杆12和带有插入端14的接纳区段13。取芯钻头10通过插入端14固定在取芯钻机的工具接纳部中并且在取芯钻机的钻运行时沿旋转方向15绕旋转轴线16被驱动，旋转轴线16同轴于取芯钻头10的圆柱体轴线延伸。

钻环11与钻杆12熔焊、钎焊、螺纹联接或者以另外适合的固定方式固定在钻杆12上。为了能使钻环11与钻杆12焊接，在钻环11与钻杆12之间的连接区域需要由可焊接的材料构成并且不允许包括金刚石，因为金刚石是不能焊接的。

图2显示按本发明的钻环21的第一实施形式，该钻环由四个环区段组成。各环区段能划分成两个第一环区段22.1、22.2和两个第二环区段23.1和23.2，它们沿着钻环21的圆周方向相互交替地设置。第一环区段22.1、22.2由第一粉末混合物24和第一金刚石颗粒25构成，并且第二环区段23.1、23.2由第二粉末混合物26和第二金刚石颗粒27构成。

在各环区段22.1、23.1、22.2、23.2之间构成四个水缝槽28.1、28.2、28.3、28.4，通过所述水缝槽将冷却液输送到加工位置上。水缝槽28.1～28.4在钻环21的总高的约2/3的高度上延伸。为了确保当水缝槽28.1～28.4被损耗时钻环21的功能性，钻环21附加地具有两个孔29.1、29.2，通过所述孔，冷却液输送到加工位置上。

图3a～3d显示图2的钻环21由两个第一生坯件31和两个第二生坯件(图3a)制造，它们成型成第一环区段22.1、22.2和第二环区段23.1、23.2(图3b)。各环区段沿着钻环21的圆周方向相互交替地设置(图3c)并且在温度和压力作用下烧结成一个封闭的钻环(图4d)。

图3a显示第一生坯件31和第二生坯件32，该第一生坯件31由第一粉末混合物24和第一金刚石颗粒25构成，并且第二生坯件32由第二粉末混合物26和第二金刚石颗粒27构成。第一金刚石颗粒25由第一粉末混合物24包裹并且构成封装的第一金刚石颗粒33，并且第二金刚石颗粒27由第二粉末混合物26包裹并且构成封装的第二金刚石颗粒34。生坯件31、32的基面构成六角形的，并且由一个矩形35和一个邻接的等腰梯形36构成。在梯形侧边的区域中，在烧结时通过附加的压力作用构成水缝槽28.1～28.4，通过所述水缝槽，冷却液输送到加工位置上。

图3b显示第一环区段22和第二环区段23，该第一环区段由图3a的第一生坯件31在压力作用下产生，该第二环区段由图3a的第二生坯件32在压力作用下产生。各环区段22、23的内侧37凹形弯曲，对置的外侧38凸形弯曲。

第一环区段22具有第一和第二侧棱边41、42，所述侧棱边在烧结时与第二环区段23的第一和第二侧棱边43、44连接。在此，第一环区段23的第一侧棱边41与第二环区段23的第二侧棱边44连接，并且第一环区段22的第二侧棱边42与第二环区段23的第一侧棱边43连接。在具有第一和第二环区段22.1、22.2、23.1、23.2的钻环21中，相邻的环区段的相应第一和第二侧棱边相互连接。

图3c显示第一和第二环区段22.1、22.2、23.1、23.2，它们沿着钻环21的圆周方向依次设置并且以侧棱边41、42、43、44彼此邻接。各环区段22.1、23.1、22.2、23.2构成一个封闭的钻环并且在图3c显示的结构中在热压中继续进行加工。

图3d显示在热压之后的钻环。在热压时环区段22.1、23.1、22.2、23.2经受温度和压力作用。温度作用确保，粉末混合物24、26烧结成环区段并且环区段22.1、23.1、22.2、23.2在侧棱边41、42、43、44上相互连接。通过沿轴向方向的压力作用实现环区段的压缩，该压缩导致环区段压实。热压在模具中实现，该模具确定钻环21的最终形状。

在按本发明的方法中，钻环由多个生坯件构成，所述生坯件成型成环区段并且烧结成一个封闭的钻环；多角形基面作为几何形状适用于生坯件。图4a～4c显示具有矩形基面(图4a)的生坯件51、具有五角形基面(图4b)的生坯件52和具有六角形基面(图4c)的生坯件53。

生坯件51的矩形基面54是最简单的几何形状，以便形成由多个环区段构成的钻环。在图4a的实施例中，采用三个相同的生坯件51.1、51.2、51.3，以便形成一个封闭的钻环。

生坯件52的五角形基面能划分成一个矩形55和一个具有两个内直角的梯形。在倾斜的梯形侧边的区域中，在与相邻的环区段烧结时产生水缝槽57。通过这种五角形基面，在具有2n(n≥1)个环区段的钻环中产生数量为n的水缝槽57。

生坯件53的六角形基面能划分成一个矩形58和一个等腰梯形59。在倾斜的梯形侧边的区域中，在与相邻的环区段烧结时产生水缝槽60。通过这种六角形基面，在具有n(n≥2)个环区段的钻环中产生数量为n的水缝槽60。