用于制作取芯钻头用的封闭的钻环体的方法与流程

本发明涉及一种如权利要求1前序部分所述的用于制作取芯钻头的封闭的钻环体的方法。

背景技术：

对于设计成取芯钻头的金刚石工具，可区分为具有一个封闭钻环体的取芯钻头和具有单体切割段的分段式取芯钻头。取芯钻头包括一个加工部段、一个圆柱形钻杆和一个具有插接端部的夹装段。取芯钻头经由插接端部紧固在一个空心钻机的工具夹头中并在钻探运行中由空心钻机围绕一根旋转轴线驱动。

封闭的钻环体由一种具有统计分布的金刚石颗粒的粉末混合物制成。将粉末混合物填充到一个模具中并压成生坯件；在温度和压力作用下将生坯件烧结成一个封闭的钻环体。us5,316,416公开了封闭的、在钻环体的整个高度上具有良好的切削性能的钻环体的构造。钻环体具有多个上部槽和下部槽，这些槽沿着钻环体的圆周方向分布。上部槽在钻环体的高度的一半上延伸并通入钻环体的反向于钻杆的加工面中。下部槽沿着钻环体的圆周方向分别设置在上部槽之间并通入钻环体的朝向钻杆的连结面中。上部和下部槽在钻环体的高度中重叠。通过使上部和下部槽分布在钻环体的整个高度上，将冷却液和冲刷液在钻环体的整个工作时间上运送到加工位置并将切削的材料从钻孔区域中移除。

在制作用于分段式取芯钻头的切割段时在专业领域中确立了这样的工艺方法，其中，将金刚石颗粒以预定的安置模式设置。生坯件分层地由含有粉末混合物的粉末层和具有以一定安置模式设置的金刚石颗粒的金刚石层构造，并接着在温度和压力作用下烧结成切割段。切割段沿着圆柱形钻杆的圆周方向设置并通过熔焊、钎焊以及通过其他方式与钻杆紧固在一起。利用分段式取芯钻头可实现的切削速度主要取决于金刚石在切割段内的排列设置。在分层的构造中，金刚石颗粒的排列设置可受金刚石层的数量、金刚石层之间的间距和金刚石颗粒的尺寸的影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于，在封闭的钻环体上使用置入金刚石颗粒的工艺，并且提高利用这样制作的钻环体所能达到的加工质量。

这个目的在文首述及的用于制作取芯钻头用的封闭的钻环体的方法中根据本发明通过独立权利要求1的特征得以实现。在从属权利要求中给出了一些有益的发展设计。

本发明的用于制作封闭的钻环体的方法包括如下步骤：

■沿构造方向通过相继地敷设粉末混合物的粉末层和具有以一定安置模式布置的金刚石颗粒的金刚石层在底面与上面之间分层地构造至少两个生坯件，

■在压力作用下将生坯件成型为环段，和

■将各环段组合成环形并在温度作用下烧结成封闭的钻环体。

本发明的方法包括三个使用不同工艺的方法阶段。在第一方法阶段中，分层地由含有粉末混合物的粉末层和具有金刚石颗粒的金刚石层构造多个生坯件。在“粉末混合物”的概念中概括了微粒状的粉末混合体和粒化的粉末混合体；使用粒化的粉末混合体是用于体积的冷挤压的前提条件。作为粉末混合物可以使用铁粉、钴粉和/或青铜粉；通过混入添加物诸如碳化钨可以影响钻环体的特性(耐磨性、使用寿命、切削性能)。另外，粉末混合物的成份对烧结温度具有影响。在“金刚石颗粒”的概念中既概括了单独的金刚石颗粒也概括了包封的或涂层的金刚石颗粒。

生坯件根据分层构造具有一个带有多角基面的直棱柱体的几何形状。在第二方法阶段中，在压力作用下使棱柱形的生坯件成型为环段。在温度低于粉末混合物熔化温度的情况下进行生坯件的成型。在第三方法阶段中，将各环段组合成环形并且在温度作用下烧结成一个封闭的钻环体。在烧结环段时一方面将各个环段压实以及另一方面进行邻接的环段之间的连接。

冷挤压、热挤压以及类似的方法适合作为成型方法。在冷挤压中，在高压下使生坯件成为预定的形状。在冷挤压机中材料虽然变热，但是成型在一定温度范围内进行，在该温度范围内不发生再结晶；材料发生变形，而强度不明显下降。在也称为模锻的热挤压中，在高压和添加热量的情况下使生坯件成为其最终形状。除了成形形状，锻件还改变了其材料结构；它变得更加结实并因此获得了一种更加紧密的组织和一种均质的表面。

烧结是一种用于制作材料的工艺方法，在该工艺方法中将粉料或生坯件(经挤压的粉料)加热到低于熔化温度的温度，以便通过使各个粉末颗粒连接而提高强度。烧结过程分三个阶段进行，在这些阶段中生坯件的孔隙度和体积显著下降。在烧结的第一阶段中仅仅进行生坯件压实，而在第二阶段中敞开的孔隙度显著减小。烧结体的强度以在第三阶段中构成的烧结连接(粉末颗粒之间的熔化)为基础，这种烧结连接通过粉末颗粒之间的表面扩散而产生。热挤压是一种特殊的烧结法，在该烧结法中除了温度之外还使用外部压力。

在本发明的方法中钻环体不是构成为封闭的钻环体，而是由两个或更多通过烧结连接的环段组成。对于生坯件的分层构造，采用在制作用于分段式取芯钻头的切割段中的众所周知的工艺。

在方法的一个优选的变型方案中，由n(n≥1)个成型为第一环段的第一生坯件和n个成型为第二环段的第二生坯件构造钻环体，其中第一和第二环段沿着钻环体的圆周方向交替地相继设置。由第一和第二生坯件制作钻环体使得钻环体与不同的、需加工的基底物的匹配成为可能。在具有置入的钢筋的混凝土材料(也称为加筋混凝土材料)的取芯钻孔中，钻环体例如碰在形式上为混凝土和钢筋的不同的基底物上。

特别优选，第一环段由第一粉末混合物和第一金刚石颗粒构造，而第二环段由第二粉末混合物和第二金刚石颗粒构造。可以通过粉末混合物的选择和金刚石颗粒的选择实现使钻环体与需加工的基底物的匹配。在粉末混合物中材料的成份可以变化；在金刚石颗粒中平均的金刚石直径、金刚石分布和金刚石颗粒数量可以变化。

在方法的一个备选的优选变型方案中，由2n(n≥1)个相同的生坯件构造钻环体，其中使n个生坯件在压力作用下以凸形弯曲成型为第一环段并使n个生坯件在压力作用下以凹形弯曲成型为第二环段。通过使用相同的生坯件可以在生坯件的分层构造中降低设备支出；只需要一种粉末混合物和一个种类的金刚石颗粒。

特别优选，生坯件的上面在第一环段中设置在外侧上，而在第二环段中设置在内侧上，其中第一和第二环段沿着钻环体的圆周方向交替地相继设置。由于环段的不同的弯曲，可以由相同的生坯件制作两种不同的环段。生坯件在上面上具有一层金刚石层，该金刚石层在第一环段中设置在外表面上，而在第二环段中设置在内表面上。

特别优选如此地设定金刚石层的数量和金刚石颗粒的尺寸，使得金刚石颗粒的平均金刚石直径为钻环体宽度与金刚石层的数量的商的至少45％。金刚石颗粒在加工作业时画出的、圆形的切削轨迹尽可能相互接界并且钢筋几乎完全由金刚石颗粒切削已经证实有利于对加筋混凝土材料的加工。在金刚石颗粒的数量相同的情况下，可以通过交替地设置使金刚石颗粒在加工时产生的切削轨迹的数量翻倍。

生坯件根据分层构造具有一种带有多角基面的直棱柱体的几何形状。矩形基面、五角形基面和六角形基面适合作为所述多角基面。

在第一变型方案中，生坯件由具有矩形基面的粉末层构造。矩形基面是用于由多个环段制作钻环体的最简单的几何形状。环段在侧边缘上与邻接的环段连接。

在第二变型方案中，生坯件由具有五角形基面的粉末层构造，其中所述基面具有矩形和带有两个内直角的梯形。在倾斜的梯形的腰的区域内在与邻接的环段烧结时产生一个水槽。利用这样的五角形基面，在具有2n(n≥1)个环段的钻环体中产生n个水槽。

在第三变型方案中，生坯件由具有六角形基面的粉末层构造，其中所述基面具有矩形和等腰梯形。在倾斜的梯形的腰的区域内在与邻接的环段烧结时产生水槽。利用这样的六角形基面在具有n(n≥2)个环段的钻环体中产生n个水槽。

特别优选将梯形的高度设定在生坯件的总高度的1/3与5/6之间。在与钻杆焊接在一起的钻环体中，连结区域构造为无金刚石的并且不适合于加工。设置有金刚石颗粒的、构成生坯件的总高度的约5/6的基质区适合于加工基底物。特别优选将梯形的高度设定在生坯件的总高度的2/3上。在占比为总高度的2/3的情况中可以保证成品钻环体的充分的强度。在利用钻环体加工期间必须将冷却液运送到加工位置；所以将水槽尽可能长地构造在钻环体内。

在一个优选的发展设计中，环段在烧结时经受温度和压力作用处理。在利用温度和压力作用的烧结法中，如热挤压，比在无压力作用的烧结法中，如自由烧结，更快且在更低的温度中进行烧结。由于在600℃时已经出现金刚石热损害，所以较低的烧结温度可能是质量上的优点。

特别优选，环段通过压力作用在烧结时经受附加的外部造型处理。特殊的屋顶形(dachform)已经证实适合于加工不同的基底物。可以通过烧结时的压力作用产生这种屋顶形。

附图说明

下文借助附图来说明本发明的一些实施例。该附图并非必须按比例绘示各实施例，具体而言，附图为了有助于阐释，是以示意性的和/或略微变样的形式进行说明的。对于由附图能够直接看出的教导的补充，可参阅相关的现有技术。同时应该考虑到，针对某一实施形式的方式和细节可以进行各种各样的变型和改变，而并不脱离发明的总的思想。在说明书、附图以及权利要求书中所公开的发明特征，无论是它们本身单独存在还是任意组合，对于本发明的进一步发展设计都可能是重要的。此外，说明书、附图和/或权利要求书中所公开的特征的至少两个的全部组合均落入本发明的范围之内。本发明的总的思想并不局限于以下图示的和描述的优选实施形式的确切方式或细节，或者并不局限于一种与权利要求书中主张的方案主题相比是受到限制的方案主题。对于所给出的尺寸/数值范围，应该认为也公开了处在所说极限内的值作为极值，并且可以任意插入使用以及可以提出权利要求。为了简单起见，以下对于相同的或类似的部件或者具有相同或类似功能的部件均采用同样的附图标记。

附图示出：

图1为包括钻环体、圆柱形钻杆和夹装段的取芯钻头；

图2a至c为本发明的由四个环段构成的钻环体的第一实施方式的三维图(图2a)、垂直于钻环体的圆柱体轴线的横截面(图2b)和细节放大图(图2c)；

图3为本发明的由四个具有水槽的环段构成的钻环体的第二实施方式；

图4a至d为由四个同样的、具有六角形基面的生坯件制作图3所示出的钻环体(图4a)，其中两个生坯件成型为凹形的第一环段和两个生坯件成型为凸形的第二环段(图4b)，将第一和第二环段沿着圆周方向交替地相继设置(图4c)和在温度和压力作用下连接成一个封闭的钻环体(图4d)；和

图5a至c为具有矩形基面(图5a)、五角形基面(图5b)和六角形基面(图5c)的生坯件。

具体实施方式

图1示出了具有一个钻环体11、一个圆柱形钻杆12和一个带有插接端部14的夹装段13的取芯钻头10。该取芯钻头10经由插接端部14紧固在一个空心钻机的工具夹头中和在钻探运行中由空心钻机沿一个旋转方向15围绕一根旋转轴线16驱动，其中旋转轴线16与取芯钻头10的圆柱体轴线同轴地延伸。

钻环体11与钻杆12以熔焊、钎焊、螺接方式或者以其他适当的紧固方式紧固在钻杆12上。为了能够将钻环体11与钻杆12熔焊在一起，钻环体11与钻杆12之间的连接区域必须由一种可焊接的材料构成并且不允许含有金刚石颗粒，因为金刚石颗粒是不可焊接的。

图2a至c示出了本发明的钻环体21的第一实施方式，该钻环体由多个环段构成和可以替代图1的取芯钻头10的钻环体11。在此，图2a示出钻环体21的三维图，图2b示出钻环体21的垂直于旋转轴线16的横截面，以及图2c示出图2b的横截面在两个环段之间的连接区域内的局部。

钻环体21由四个环段构成，这些环段在侧边缘上相互连接和沿圆周方向构成一个封闭的环(图2a)。钻环体21的环段能够分成两个第一环段22.1、22.2和两个第二环段23.1、23.2，这些环段沿着钻环体21的圆周方向交替地相继设置。第一环段22.1、22.2由第一粉末混合物24和第一金刚石颗粒25组成，而第二环段23.1、23.2由第二粉末混合物26和第二金刚石颗粒27组成(图2b)。

图2c示出图2b的横截面在第一环段22.1与第二环段23.1之间的连接区域内的局部。第一环段22.1由一些第一粉末混合物24的m1粉末层和第一金刚石颗粒25的m1金刚石层构成。第二环段23.1由一些第二粉末混合物26的m2粉末层和第二金刚石颗粒27的m2金刚石层构成。在图2的实施例中第一环段22.1具有m1＝3粉末层28.1、29.1、30.1和m1＝3金刚石层32.1、33.1、34.1和第二环段23.1具有m2＝3粉末层35.1、36.1、37.1和m2＝3金刚石层38.1、39.1、40.1。

金刚石层32.1至34.1的第一金刚石颗粒25设置在具有不同的第一曲率半径r1i,i＝1，2，3的三个圆形的第一切削轨迹42.1、43.1、44.1上。金刚石层38.1至40.1的第二金刚石颗粒27设置在具有不同的第二曲率半径r2i,i＝1，2，3的三个圆形的第二切削轨迹45.1、46.1、47.1上。用于第一和第二粉末混合物24、26的材料的选择，用于第一和第二金刚石颗粒25、27的金刚石分布和金刚石尺寸的选择和金刚石层和切削轨迹的数量m1、m2使得钻环体21与不同的、需加工的基底物的匹配成为可能。

环段22.1、22.2、23.1、23.2分层地由三层粉末层和三层金刚石层构成。在分层的构造中将粉末混合物填充到一个阴模中并构成第一粉末层。将金刚石颗粒以一定安置模式作为第一金刚石层放置在第一粉末层上或内。为了将层构造压实，可以在放置金刚石颗粒之后进行一个中间加压。接着将粉末混合物填充到阴模中并构成第二粉末层。将金刚石颗粒以一个安置模式作为第二金刚石层放置在第二粉末层上或内。重复这个过程，直到达到生坯件的所期望的结构高度为止。作为最后层使用一层金刚石层。

图3示出了本发明的钻环体51的第二实施方式，该钻环体由四个环段组成并且可以替代取芯钻头10的钻环体11。在环段之间构造有四个水槽51.1、52.2、52.3、52.4，经由这些水槽将冷却液运送到加工位置。环段如此地设置，即钻环体51在内侧53上和在外侧54上交替地具有一个配备金刚石的区域55和一个无金刚石的区域56。

水槽52.1至52.4在钻环体51的总高度的约2/3的高度上延伸。为了保证在水槽52.1至52.4磨损时钻环体51的功能作用，两个环段具有一个孔57.1、57.2，经由这些孔将冷却液运送到加工位置。

图4a至d示出了由四个相同的、具有六角形的基面(图4a)的生坯件61制作钻环体51。两个生坯件61成型为凹形的第一环段62和两个生坯件61成型为凸形的第二环段63(图4b)。将第一和第二环段62、63沿着钻环体51的圆周方向交替地相继设置(图4c)和在温度和压力作用下烧结成一个封闭的钻环体(图4d)。

图4a示出了生坯件61的构造，该生坯件分层地由粉末混合物64的粉末层和金刚石颗粒65的金刚石层制成。生坯件61包括一个也称为根部区的连结区域66和一个也称为基质区的加工区域67。连结区域66和加工区域67可以共同分层地构造，其中在连结区域内不置入金刚石颗粒56。作为备选方式，连结区域可以制作成单独的区域和在烧结时与加工区域连接。

生坯件61的基面构造为六角形的并且包括一个矩形68和一个接界的等腰梯形69，其中生坯件61的连结区域66位于矩形68中。在梯形的腰的区域内，在烧结时通过附加的压力作用构造水槽52.1至52.4，经由这些水槽将冷却液运送到加工位置。生坯件内的梯形69的高度h确定水槽52.1至52.4的高度。在实施例中梯形69的高度h相当于生坯件61的总高度h的一半。

图4b示出了由图4a的生坯件61在压力作用下制成有一个凸形的弯曲的第一环段62和由图4a的生坯件61在压力作用下制成有一个凹形的弯曲的第二环段63。在第一环段62中，生坯件61的构造为金刚石层的上面设置在外侧54上，而在第二环段63中生坯件61的上面设置在内侧53上。

第一环段62具有第一和第二侧边缘71、72，这些侧边缘在烧结时与第二环段63的第一和第二侧边缘73、74连接。在此，第一环段62的第一侧边缘71与第二环段63的第二侧边缘74连接，而第一环段62的第二侧边缘72与第二环段63的第一侧边缘73连接。在具有两个第一和第二环段62.1、62.2、63.1、63.2的钻环体51中分别将邻接的环段的第一与第二侧边缘相互连接。

图4c示出了第一环段62.1、62.2和第二环段63.1、63.2，这些环段沿着钻环体51的一个圆周方向交替地相继设置。环段62.1、63.1、62.2、63.2构成一个封闭的钻环体和在图4c示出的排列中在一个热压机中得到继续加工。图4d示出了热冲压之后的封闭的钻环体。在热冲压中环段62.1、63.1、62.2、63.2经受温度和压力作用处理。温度作用是用来将粉末混合物烧结成环段并将环段在侧边缘上相互连接。通过沿轴向方向，就是说，平行于钻环体的旋转轴线的压力作用实施对环段的压缩，该压缩导致环段的压实。在一个确定钻环体的最终形状的阴模中进行热冲压。

钻环体在本发明的方法中由多个成型为环段和烧结成一个封闭的钻环体的生坯件构成；多角的基面适合作为生坯件的几何形状。图5a至c示出了具有一个矩形基面的生坯件81(图5a)，具有一个五角形基面的生坯件82(图5b)和具有一个六角形基面的生坯件83(图5c)。

生坯件81的矩形基面84是用于由多个环段制作钻环体的最简单的几何形状。在图5a的实施例中，为了制成一个封闭的钻环体使用三个相同的生坯件81.1、81.2、81.3。

生坯件82的五角形基面能够分成一个矩形85和一个具有两个内直角的梯形86。在倾斜的梯形的腰的区域内在与邻接的环段烧结时产生一个水槽87。利用这样的五角形基面，在一个具有2n(n≥1)环段的钻环体中产生n个水槽87。

生坯件83的六角形基面能够分成一个矩形88和一个等腰梯形89。在倾斜的梯形的腰的区域内在与邻接的环段烧结时产生水槽90。利用这样的六角形基面，在具有n(n≥2)个环段的钻环体中产生n个水槽90。