專利名稱：提高研磨工具耐磨強度的方法
背景技術：
1.發(fā)明領域本發(fā)明涉及切削工具，具體地涉及采用塑料材料制成的、適于切削圓環(huán)形孔或鏜孔的切削工具。
2.背景技術一般地切削工具的主體都是采用金屬材料制成的。例如，通常采用鋼材來制造分別作為巖心鉆頭和圓環(huán)形或盤形鋸刀主體的管子和盤片。諸如研磨構件或切削齒的切削部件都是通過釬焊、激光焊接、機械固定方式固定于鋼質芯體或與其形成一體的。這些鋼質芯體可在一較廣泛應用范圍中工作。然而，它們并不是沒有缺陷的。特別是，金屬芯體都較重，因而會使些切削工具過于笨重而在某些應用場合中難以操作。金屬芯體還會在切削操作時發(fā)生不利的振動和產生噪音。而且，金屬芯體價格都較貴而占了切削工具總成本的很大一部分。
目前已對這些問題中的一部分有了認識并且已嘗試對盤形切削工具上存在的問題進行改進。例如，美國專利5,408,983和5,411,010兩者都提示了圓環(huán)形鋸刀和/或切削盤，它們都在其盤形主體部分中采用了加強塑料成份。這些結構具有減小工具重量和降低噪音的優(yōu)點。
然而，即使采用類似材料，在圓柱形巖心鉆頭式切削工具中卻不能獲得這些優(yōu)點。估計這是由于巖心鉆頭和圓盤形切削工具之間以及它們所使用的場合存在明顯區(qū)別而造成的。事實上，本技術領域中普通技術人員一般都可理解，這兩類部件是在不同的切削狀況下工作的，各自都具有一套互相間不能轉換的特別參數。因此，在諸如工藝、方針和與傳統(tǒng)盤形切削工具有關的切削速率、材料和切削速度方面可接受的實際做法等數據和方法一般不適用于圓柱形巖心鉆頭式切削工具。
作為這些差別的一個例子，各單獨切削刀或齒移過工件的圓周速度是明顯不同的。例如，一般用于切削諸如混凝土之類的硬質材料的的傳統(tǒng)金剛石鑲尖圓環(huán)形(盤)刀具的直徑范圍約為4英寸(102毫米)至48英寸(1219毫米)。這些刀具所需的工作速度(每分鐘轉數(rpm))產生一每秒接近49米(49m/s)的較佳圓周速度。
另一方面，一般用于切削類似材料(混凝土)的金剛石制成的分段式巖心鉆頭直徑范圍為約.4英寸至10英寸(10毫米至250毫米)，并且在某些情況下可以有36英寸(900毫米)那么大或更大。所推薦的工作速度(rpm)產生一所需的接近2.5m/s的圓周速度。圓周速度超過一個數量級的差別表現(xiàn)出這兩種不同的切削工具所具有的非類似的性能。圓周速度的類似差別還與其它切削應用場合或工件材料有關，例如包括瀝青、石料、加強混凝土、石灰石、硅晶體、玻璃等。
另一個會妨礙在取心鉆孔場合中采用塑料材料的因素是鉆頭本體所處的具有相當研磨作用的環(huán)境，這是由于相對圓盤形刀片本體來說鉆頭本體與磨屑長時間接觸。而在一傳統(tǒng)的盤形刀片各轉過程中，卻是一單獨的刀齒或金剛石進入工件，去除部分工件材料，從而在其上切成一個切口，從而再退出工件。切除的材料與切削潤滑劑或冷卻液一起構成一具有相當研磨作用的磨屑，即通過由刀齒所形成的切口可被有效地帶走、且在刀齒退出切口時可從其上排除。據此，從理論上來說磨屑一經產生就可被有效地從切口上去除(并且與切屑工具不再接觸)。因而具研磨作用的磨屑將僅接觸刀齒或切削部件，而不與具有相當研磨敏感度的塑料成份構成的盤體接觸。
反之，取心鉆孔應用的特點是要求切削齒或金剛石保持在切口中，直至切削操作完成。因此，在大多數傳統(tǒng)的切削操作過程中，磨削沒有可去的空間而將保留在切口中，在切削進程中該處的磨屑由切削液體帶著會爬上管子。因而，在這些應用情況下，在整個切削工作過程中磨屑保持與巖心鉆頭的本體接觸。切口或切槽越深，與芯體接觸的面積越大。有研磨作用的磨屑與切削工具的長時間接觸可對由較軟和由對研磨作用敏感的塑料材料制成的部件造成具有相當危害的工作狀態(tài)。
所以，期望有一種由塑性芯體制成的巖心鉆頭可用于切削混凝土和其它硬質材料。甚至期望有一種工具其使用壽命至少與一類似的由鋼芯制成的工具一樣長。
發(fā)明概述根據本發(fā)明的一個方面，一種用于在一工件中切削一圓孔的切削工具包括一設有一排切削部件的大致圓柱形的刀具，該刀具具有一切削端和一連接端；一由非金屬材料制成的大致圓柱形的軸，該軸具有一刀具配合端和一鉆機配合端；刀具和軸可同軸地、端對端地相互配合，其中連接端基本是剛性地與刀具配合端連接；鉆機配合端可與一鉆機可工作地配合以使切削工具繞同心軸線轉動。
根據本發(fā)明的第二個方面，切削工具采用一非金屬本體以在工件上切成一圓孔。切削工具具有大致圓柱形的刀具，該刀具包括一排切削部件，該刀具具有一切削端和另一端。非金屬體包括一大致圓柱形的軸，該軸具有一刀具配合端和一鉆機配合端；該軸可同軸地、端對端地與刀具配合，其中刀具配合端是大致剛性地與連接端連接的；鉆機配合端可操作地與鉆機配合以使切削工具繞同心軸線轉動。
根據本發(fā)明的第三個方面，在一工件中鉆出一個孔的方法包括以下步驟(a)提供一切削工具，包括i)一大致圓柱形的刀具，包括一排切削部件，該刀具具有一切削端和一連接端；ii)一由非金屬材料制成的大致圓柱形的軸，該軸具有一刀具配合端和一鉆機配合端；以及iii)刀具和軸可同軸地、端對端相互配合，其中連接端基本上是剛性地與刀具配合端連接；(b)將鉆機配合端固定到鉆機上；(c)使鉆機工作以使切削工具繞同心軸線轉動；以及(d)使切削端與工件配合。
又根據本發(fā)明的一個方面，一種提高以聚合物本體切削工具耐磨性能的方法包括以下步驟(a)提供一在一聚合物本體上設有一切削部件的切削工具；以及(b)將一層耐磨損粒子置于聚合物本體一個表面上。
因而，本發(fā)明可采用非金屬材料來制造切削工具以獲得與已有技術有關的諸如減輕重量和/或降低成本的優(yōu)點。
從以下結合附圖對本發(fā)明的各個方面所作的詳細描述中，可更容易地理解本發(fā)明的上述和其它特點及優(yōu)點。
附圖的簡述

圖1是本發(fā)明的非金屬本體切削鉆頭一個實施例的縱剖面分解示意圖2是本發(fā)明的非金屬本體切削鉆頭一個實施例的縱剖面分解示意圖，它包括用于將該鉆頭安裝到一傳統(tǒng)鉆頭馬達上的部分裝置；圖3是圖2所示非金屬本體切削鉆頭一部分的縱剖面分解示意圖；圖4是圖3所示非金屬本體切削鉆頭部分的平面圖，其部分以陰影線示出；圖5是一立體示意圖，示出了圖1和2所示非金屬本體切削鉆頭的刀具的一個實施例；圖6是一與圖1類似的剖面示意圖，放大示出了圖1所示那類切削鉆頭的一部分；圖7是與圖6類似的視圖，是本發(fā)明的另一個實施例；圖8是本發(fā)明再一個實施例的示意縱視圖；圖9是一立體示意圖，示出了本發(fā)明非金屬本體切削鉆頭的另一個實施例的一部分；圖10是本發(fā)明非金屬本體切削鉆頭再一個實施例的縱剖面分解示意圖；圖11是本發(fā)明磨損試驗結果的曲線圖表；以及圖12是巖心鉆頭所承受的、作為鉆頭直徑函數的扭矩和最大表面應力的曲線圖。
最佳實施例的詳細描述簡要地說，如圖1所示，本發(fā)明包括一用于在一工件中切削圓柱形孔的圓柱形切削工具或鉆頭10。鉆頭10具有由塑料材料制成的圓柱形本體24。該本體部分是同軸地、端對端地固定到一由金屬材料制成且其上包括一排切削部件16的圓柱形刀具12上。在一個較佳實施例中，鉆頭10為一巖心鉆，春中本體24和刀具12基本上都是管狀的，刀具上設有圓環(huán)形排列的切削部件以便進行取心鉆孔或頂鉆孔作業(yè)。如圖7所示，管狀本體224的壁厚可補償在鉆孔過程中較軟本體的磨損。按照此方法，可采用多種技術，例如表面硬化處理的塑性本體224或相對壁厚C來增加切削部件16的厚度或徑向尺寸來提高耐磨性能。
在本說明書中，“切削鉆頭”或“鉆頭”一詞應指任一種其上有一排切削部件且可轉動以在一工件上切削成一圓孔的圓柱形切削工具，例如包括傳統(tǒng)的巖心鉆頭、孔或頂鋸刀和實心取心鉆頭?！皫r心鉆頭”一詞應指任一種管狀或空心結構的鉆頭，例如包括傳統(tǒng)取心鉆孔所用的切削工具以及傳統(tǒng)的頂鋸刀或孔鋸。當描述一部件時所用的“軸向“一詞應指相對該部件的一個方向，該方向基本上平行于如圖1所示的轉動中心或同心軸線f。類似地，“橫向”或“徑向”應指軸向的大致法線方向。
現(xiàn)參見圖中的各細節(jié)，如圖1所示，本發(fā)明的一個實施例包括一形成為一般稱為開口巖心鉆頭式的切削鉆頭10。如圖所示，鉆頭10包括一大致圓柱形結構的刀具12。刀具具有一圓環(huán)形切削端14，該圓環(huán)形切削端14包括設于其上的一排傳統(tǒng)的切削部件16。切削部件16可以包括現(xiàn)有技術中已知的、任意數量的切削裝置，例如如圖5所示的通過釬焊、熔接或其它方式固定到環(huán)12上的傳統(tǒng)粘結式研磨段17。
關于此請再參見圖5，不連續(xù)的研磨段17的數量及其繞其所安裝在的環(huán)12的邊緣的間隔在一定程度上可隨環(huán)的尺寸、本體尺寸和切削場合而改變。然而，總的來說，對于直徑約為50至500毫米的巖心鉆頭而言，可采用約2至幾百個的研磨段17。較小或較大直徑的鉆頭可分別采用較少或較多的研磨段。研磨段17的研磨成份或顆粒可以是這些應用場合下通常所采用的任一種形式，可根據所要切削的材料硬度來選擇磨粒。因而，顆粒可以是氧化鋁、碳化硅、氮化硅和碳化鎢，以及諸如金剛石或立方體氮化硼(CBN)的超研磨成份、礬土、加入晶種或未加晶種的可溶凝膠狀礬土或其它研磨顆粒以及研磨顆?；旌衔?。盡管超研磨成份可用不是很貴的磨粒稀釋，但通常還是以超研磨料為佳。磨料一般保持在金屬粘結體或基體中，通過在將其結合到研磨段中之前用諸如鎳的金屬對顆粒鍍以金屬可增強粘接體的粘接力。金屬基體可以是鈷、鐵、青銅、鎳合金、碳化鎢、硼化鉻或其它金屬、金屬合金或混合物。
因而研磨段17可以具有基本上任何已知的成份，例如包括具有至少兩個圓周方向隔開區(qū)的研磨段，其中超研磨顆粒在這些區(qū)中交替地分散成高、低密度的超研磨顆粒。此類研磨段揭示在美國專利5,518,443中，本文參考了該專利全文。
研磨段較佳地由傳統(tǒng)熔焊技術固定到環(huán)12上。如圖5所示，傳統(tǒng)研磨段17總體上具有一基本上細長或矩形的立方體結構，并且其一條長邊焊接在環(huán)12上。如圖所示，在一巖心鉆頭實施例中，研磨段17長度方向是弓形的，以使長邊與研磨段所固定的環(huán)12的環(huán)形邊相符。因而研磨段從環(huán)軸向伸出，其量約為其寬度。研磨段的厚度或徑向尺寸C一般地與環(huán)的厚度以及它們所固定的本體一樣或比其大。
能夠用于本發(fā)明的一例研磨段包括70/30(百分比)鈷/青銅混合物制成的粘結體，并且當濃度為(體積百分比)7.5％時顆粒是30/40和40/50目戴比爾斯(DeBeers)SDA85+鉆石相等成分混合物。各研磨段長度為49.2毫米，徑向或切口尺寸為3.2毫米。
另外，切削部件可包括與環(huán)12形成一體的齒，這些齒可經其它處理或未經其它處理以增強其硬度或研磨作用。就此而言，切削部件16可包括具有單層研磨顆粒的一體式切削齒，這些顆粒是以美國專利申請08/616,538所揭示的方式以化學方法粘結到其上的，本文全文引用了該文獻。以此方式所制造的齒在下文中被稱為“仿形的釬焊單層研磨工具”或者稱為“仿形的切削部件”。
環(huán)12還包括一圓環(huán)形軸配合端或連接端18，如圖所示的，較佳地制成為一雌接頭或插座。配合端18用于可容納地配合一大致圓柱形的非金屬本體、軸或管子24的環(huán)配合端22。配合端22較佳地制成為如圖所示的雄接頭或插頭。
端18和22的尺寸和形狀都制成為可使軸或管子24和環(huán)12同心的、端對端地保持配合，而具有足夠的結構整體性以承受取心鉆孔或鉆孔應用情況下所受到扭矩和軸向負載，而不會出現(xiàn)滑移或破裂。而且，端18和22較佳地在其配合位置上采用預定的粘接劑或粘合劑相互粘接(如下文所述)。
非金屬軸24可從環(huán)配合端22伸出一段預定的軸向距離，并且在以傳統(tǒng)開口式巖心鉆頭為特點的方式而開口的后端25處終止。后端25用于容納一般開口式金屬本體巖心鉆頭所用的固定件(未圖示)，而將鉆頭固定到一傳統(tǒng)巖心鉆機的鉆機馬達或驅動器(未圖示)上。
就此而言，在鉆孔操作過程中，鉆頭10是繞同心軸線或轉動軸線f轉動的，這樣切削部件排16將形成一個內徑為dI和外徑為d0的假想圓柱體，這將在下文中更詳細地討論。
在如圖所示的一個較佳實施例中，環(huán)12和管24子各自都具有內徑和外徑，它們分別形成預定的壁厚t1和t2。除了配合端18和22這外，壁厚t1和t2在管子和刀具的長度或軸向是大致均勻的。配合端18和22各自分別由環(huán)12和管子24的逐級變徑部分構成。從這點上來說，環(huán)和管子的配合端具有預定壁厚t3和t4，它們基本上分別比壁厚t1和t2薄。
壁厚t1、t2、t3和t4都是預定的，以使配合端18和22的圓柱形表面34和36可以從干涉到滑動配合變化的方式而相互配合，同時最好為在其間施加粘結材料而提供足夠的間隙。
如圖所示，臺階26和28以及端面30和32都基本上分別軸向垂直地延伸。以此方式，在切削作業(yè)過程中配合的臺階和端面可在環(huán)12和管子24之間傳遞鉆頭的軸向負荷，從理論上說不傳遞其徑向的負荷分量。在此情況下，匹配的臺階和端面都與軸向呈斜角，軸向負荷會對徑向靠近其環(huán)配合端22的管子24產生不利的影響。
表面34和36較佳地具有基本上相同的軸向尺寸，這樣當配合端18和22完全配合時，臺階26和28以及端面30和32可相互對應地面對面接合。而且這些軸向尺寸都是預定的以在表面34和36之間提供足夠的接觸，并且與壁厚t1、t2、t3和t4尺寸結合基本上可防止鉆頭10在傳統(tǒng)的取心鉆孔操作業(yè)中所有的鉆頭(WOB)負荷的軸向負荷或重量作用下彎曲或彎折。此WOB量一般落在近似50-500千克的范圍內。
關于上述內容，壁厚可隨鉆頭10平均直徑的增加而增加。以下表格I提供了市售的以鋼材為本體的巖心鉆頭中所采用的有代表性的壁厚。環(huán)12和聚合物制成的管子24的壁厚t1、t2最好采用相同的壁厚。表I.多種巖心鉆頭尺寸的有代表性的巖心鉆頭管壁厚度
非金屬管24的壁厚t4較佳地近似壁厚t2的一半至三分之二。環(huán)12的壁厚t3的尺寸是使其表面34能夠如上所述與表面36滑動配合。
環(huán)12最好由一種普通的金屬材料制成、如鋼，并且采用任一種方便的工藝制造，如機加工、擠壓成型或鑄造。在一個較佳實施例中，環(huán)12是以制造傳統(tǒng)巖心鉆頭的方式制造而成的，其管子配合端18加工成具有壁厚t3。
非金屬管24可用多種材料制成，例如塑料、塑料合成物、木質復合物、陶瓷、陶瓷復合物和組合物、填充有金屬顆粒或陶瓷顆粒的塑料、聚氯乙烯(PVC)、丙烯酸樹脂、玻璃纖維加強塑料(GFRP)以及聚酰胺(尼龍)。在本說明書中，“玻璃纖維加強塑料”或“GFRP”應被理解為基本上包括任何塑料粘結體或基體材料，例如包括用玻璃纖維加強的環(huán)氧樹脂。類似的，“纖維加強的塑料”應被理解為包括任一種塑料粘結體或基體材料，包括用任一種適用材料、例如碳素纖維、玻璃、聚丙烯腈(PAN)纖維和其混合物加強的環(huán)氧樹脂。
總的來說，用于制造管24的較佳非金屬材料包括熱固性或熱塑性聚合物以及其加強復合物。以下表格II列出了可采用的許多熱固性和熱塑性聚合物中的一部分。表II.用于制造工具本體的聚合物材料和加強材料<
>已經對由上述幾種材料制成的巖心鉆頭10的實例進行了試驗，并且已發(fā)現(xiàn)其性能與傳統(tǒng)的金屬巖心鉆頭相比不相上下，下文中將對其更詳細的討論。
管子24可以用任一種傳統(tǒng)的方法制造，例如，模塑、機械加工或擠壓成型。例如，管24可以擠壓成型，隨后對環(huán)配合端22進行機械加工以形成壁厚t4。
可采用多種粘結劑將環(huán)12粘接到管24上。在采用PVC制成的管子24的一例中，在組裝之前，可將從馬塞諸塞州列克星頓市維里安真空產品公司(Varian Vacuum Products)購得的指定商標為Torr-seal的環(huán)氧樹脂和硬化劑混合物均勻地施涂到管子配合端18和環(huán)配合端22的配合表面上，以將兩個端部相互配合地粘結。雖然此顆粒狀樹脂是使用效果很好的，但還可采用多種其它的粘結劑將金屬環(huán)連接到聚脂管上?？筛鶕B接的具體材料來選擇粘結劑。其它一些基本上適用于將金屬連接到(在此所采用的)多種塑料材料上的粘結劑實例包括尿烷、氯丁橡膠、腈、聚酰胺、聚酯以及氰丙烯酸鹽粘結劑。采用加熱和加壓以將金屬和塑料連接在一起的熔融疊層方式也可用于將金屬環(huán)連接到管子上。本技術領域中普通技術人員所熟悉的其它連接方法包括機械互鎖技術、在現(xiàn)場將管子與金屬環(huán)注塑成型在一起以及這些方法的組合。例如，金屬環(huán)可以與圖9所示的類似方式用鍵固定。用此方式，環(huán)可與塑料本體中所設的缺口互鎖，或者與塑料本體模塑成一體。另外，金屬環(huán)可以是穿孔和整體地模制到塑料本體上。
而且，參見圖9所示，在另一個實施例中，本發(fā)明包括一切削工具410，該工具可有效地省略刀具12的金屬環(huán)部分，而是采用一由全部切削部件或研磨段417構成的刀具412。如圖所示，研磨段417一條邊上制有鍵用以提供一系列如圖所示的用于互鎖和/或整體地模制到塑料本體424上的鍵60。用此方式，鍵60最好包括刀具412的連接端418，如圖所示地用于與本體424的刀具配合端422配合。
現(xiàn)參見圖2-4，本發(fā)明的另一個實施例包括一象傳統(tǒng)閉口式巖心鉆頭一樣制成的塑料本體的鉆頭110。參見圖2，鉆頭110的構造基本上與開口式鉆頭10類似，只是通過用一后端連接件38將后端25封閉而形成了一封閉端126。
后端連接件38包括一細長的用于容納在后端25中的管狀部40。一插入件保持凸緣42在其一端徑向向內伸，同時軸向擠壓凸緣44從其另一端徑向向外延伸。凸緣42用于配合帶螺紋的插入件48的前表面46并在受到上述軸向擠壓負荷時防止其間的相對運動。凸緣44用于配合后端25的端面50用以類似地阻止其間的軸向運動。
插入件48用于螺合接納通常所用的傳統(tǒng)適配件52，而將閉口式巖心鉆頭固定到巖心鉆機(未圖示)上。
現(xiàn)參見圖4，插入件48具有一大致圓柱形的外表面54，用于同心地、面對面與管24配合。然而，內表面56具有一非圓環(huán)形(如圖所示大致為方形)的橫截面，其尺寸和形狀適于容納面對面配合的插入件48。本技術領域中的熟練人員可以認識到，這一非圓環(huán)形構造可有效地起到阻止插入件48和連接件38之間由于在鉆孔過程中作用于其間的扭轉力而產生的滑移。然而，只要工具在所需的鉆孔作業(yè)中是有效的，也可采用圓環(huán)形構造。
連接件38較好地用與管24相同的材料和類似的方式制成。例如在一個試驗中，連接件38是用固體PVC塊加工而成的。連接件可以與管子24完全配合的方式粘結，其中凸緣44與端面50配合，并采用上文所述的適于塑料與塑料相粘結的那類粘結劑來粘結。
插入件48以與環(huán)12所采用相同方式和材料制成。插入件以上文所述的將環(huán)12粘結到管24上的方式插入并固定到連接件38中(如圖2所示)。在一個較佳實施例中，插入件是采用如上文所述的粘結劑粘結在位的。
因而，此結構可有利地將鉆頭110固定到適配件52上，并且具有足夠的強度以阻止扭矩和軸向力作用到傳統(tǒng)的取心鉆孔操作中，從理論上說不存在作用于管24的徑向力。就此而言，傳統(tǒng)的鋼制本體巖心鉆頭一般可采用壓配連接方式固定到鉆機馬達的適配件上，該壓配連接可以起到將徑向向外壓力作用于管子內表面上的作用。本發(fā)明是采用徑向延伸、而非相對軸向傾斜延伸的凸緣42、44，因而可有利地傳遞軸向WOB負荷，而理論上不存在徑向負荷。
根據應用場合和所采用塑料材料，本發(fā)明的管子24在作業(yè)使用中會磨損，因而壁厚減少到一定程度。然而，如圖6和7所示，這一現(xiàn)象將會得到補償而使其任何潛在的不利影響最小或將其有效地避免。參見圖6，鉆頭10采用切削部件16，以與傳統(tǒng)巖心鉆頭一樣的方式，它一開始具有一大于管子24壁厚b的徑向尺寸a。因而，在鉆頭繞其同心軸線f(圖1)作上述轉動的過程中所形居的假想圓柱體將具有一內徑dI(圖1)和一外徑d0(圖1)，它可有效地在管壁任一側上形成一間隙dl(圖6)。此間隙將使管子24和切口之間的研磨作用和/或結合減少而保持切削效率。
傳統(tǒng)的切削部件16、特別是那些被做成為傳統(tǒng)的損耗磨削片的切削部件會在使用過程中徑向磨損，其徑向尺寸a會減小。這一磨損可有效地使間隙dl減小。因而，在一采用鋼制本體的標準巖心鉆頭中，壁厚b定為盡可能的小，只要能夠獲得具有足夠結構整體性的鉆頭即可。此最小的壁厚甚至在實際上研磨段磨損之后仍可保持足夠的間隙dl，以有效地延長巖心鉆頭的可使用壽命。由于鋼材在切削操作過程中磨損不明顯，所以將管子制成為具有此最小厚度是理想的。
現(xiàn)參見圖7，本發(fā)明的另一個實施例包括一聚合物本體鉆頭210，該鉆頭基本上與鉆頭10和110類似，只是塑料管224相對較厚。如圖所示，管子224具有一預定的初始壁厚c，該壁厚確定為可補償由在鉆孔操作過程中由于磨損所減少的量。如圖所示，以此方式，壁厚c可一開始就比一類似鋼制本體、如厚度b(圖6)厚，但仍小于研磨段寬度a(例如c＜a)，以提供相對于一新的(未磨損)研磨段16而言的足夠的間隙d2。研磨段隨后的磨損將伴隨著管子224的磨損，以有效地保持在鉆孔過程中有足夠的間隙d2。這將有利地使鉆頭210使用壽命較長，當徑向尺寸a降低時理論上不存在粘結危害，只要管壁磨損速度與研磨段厚度的磨損相等或較大。所述的另一種方法，dc/dt應大于或與da/dt相等，其中dc/dt是聚合物壁的磨損速度，da/dt是研磨段厚度的磨損速度。
已經通過用由四種聚合材料制成的巖心鉆頭在混凝土塊中鉆孔來進行試驗。試驗是在20安培恒定電流、600轉/分鐘主軸速度以及1加侖/分鐘(3.8升/分鐘)冷卻液流速條件下進行的。用于試驗的混凝土塊用以下混合物和設計方式制成配料成分 重量％水泥 17花崗石粒料(3/4”或2厘米平均尺寸) 40沙34水9混凝土澆鑄塊長36”(91.4厘米)、寬18”(45.7厘米)以及高12”(30.5厘米)。各混凝土塊澆鑄有5/8”(1.6厘米)直徑的鋼筋(60千帕，41×103牛頓/厘米2鋼材)。澆鑄出混凝土塊并在一霧室中固化28天。混凝土塊的擠壓強度是7千帕(4.8×103牛頓/厘米2)。
可用于制造所試驗的巖心鉆頭的四種聚合材料包括PVC、丙烯酸樹脂、尼龍和玻璃纖維加強塑料(GFRP)。記錄下來的用于聚合物本體鉆頭的壁厚用性能數據表示。以下表格III簡要歸納了各聚合物材料的鉆頭性能。研磨段磨損性能、本體壁厚磨損、貫穿速度(ROP)、鉆頭上的平均重量(WOB)和鉆頭上的最大重量都是為各個實例提出的。還給出了一種典型的金屬本體巖心鉆頭的對應值。表III.對多種聚合物巖心鉆頭進行試驗的簡要情況。
*研磨段發(fā)生每毫米磨損時所鉆的米數試驗結果顯示所有聚合物鉆頭在大致上可接受的范圍內作業(yè)時不會發(fā)生故障。而且，采用尼龍本體的巖心鉆頭，安裝到其的切削部件或研磨段都與安裝到金屬本體的巖心鉆頭的那些構件或研磨段相同。因而，在此情況下，這些研磨段磨損性能和這些鉆頭的貫穿速度的直接比較顯示尼龍本體巖心鉆頭的性能與金屬本體鉆頭的性能不相上下。其它的巖心鉆頭采用代表傳統(tǒng)切削應用的切削部件，但與安裝到金屬本體上的不同。因而，研磨段磨損特性的直接比較可能是沒用的。
已經對多個具有金屬本體和聚合物本體的4”(10.2厘米)直徑巖心鉆頭秤重用以確定采用一聚合物本體的巖心鉆頭所節(jié)省的重量。以下表格IV簡要歸納了測定結果。如表所示，聚合物本體巖心鉆頭比可比的鋼制本體鉆頭輕50％。而且，可以認識到聚合物本體巖心鉆頭的重量通過減少聚合物本體鉆頭金屬部分的尺寸還可以進一步減少。表格IV.截面直徑為4”(10.2厘米)的巖心鉆頭的鋼制本體和聚合物本體的重量比較。<
如上所示的，本發(fā)明可用于與整體式刀齒組合，例如，上述的仿形切削部件。對具有仿形切削部件的金屬和聚合物本體的巖心鉆頭在煤渣塊中進行試驗。煤渣塊可以是與上述所述類似的磚塊，但具有細粒料(小于0.25英寸或0.64厘米)。試驗可在20安培恒定馬達電流、600轉/分鐘主軸轉速以及1加侖/分鐘(3.8升/分鐘)冷卻液(水)流速條件下進行的。記錄下鉆頭磨損性能、貫穿速度(ROP)、鉆頭上的平均重量(WOB)、鉆頭上的最大重量和金屬、聚合物管壁的磨損性能。以下表格V簡要歸納了鉆頭的性能。
尼龍本體仿形切削部件鉆頭的壽命可與鋼制本體鉆頭相比。尼龍鉆頭的ROP不是比鋼制本體仿形切削部件鉆頭略好一點就是相類似。數據表示尼龍本體巖心鉆頭的性能不是比金屬本體仿形切削部件鉆頭略好一點就是不相上下。鉆頭上的重量(WOB)數據顯示尼龍本體鉆頭承受的負荷與金屬本體鉆頭類似且能毫無困難地良好運行。先前所做的對不同聚合物管子的試驗表明多種聚合物管子可執(zhí)行與鋼制管子一樣的功能。因而，可以預期除了尼龍管之外的聚合物管也可成功地用于仿形切削部件工具。表格V.對聚合物和鋼制本體仿形切削部件巖心鉆頭進行試驗的簡要情況
研磨段每毫米磨損量所鉆的米數監(jiān)測了鋼管截面和聚合物截面的磨損量?？梢园l(fā)現(xiàn)，在鉆頭的整個使用壽命過程中，尼龍管壁總共磨損掉0.013”(0.03厘米)，同時鋼管壁磨損掉大約0.004”(0.01厘米)。雖然聚合物管的磨損量較高，但尼龍管具有足夠的厚度來承受鉆頭整個壽命過程中在鉆孔時所受到的應力。
如以下表格VI所示，聚合物仿形切削部件巖心鉆頭的重量完全可以與一傳統(tǒng)的鋼制本體仿形切削部件巖心鉆頭相比。表格VI.鋼制本體和聚合物本體仿形切削部件巖心鉆頭的重量比較。
仿形切削部件鉆頭具有一由鋼材制成的重端連接件。通過用聚合物材料替換其至少一部分可減少其重量(在分段式鉆頭情況下)。這就可進一步明顯地減少聚合物鉆頭的重量。
除了上述空心鉆頭實施例之外，還可以考慮采用一傳統(tǒng)的實心巖心鉆頭來實施本發(fā)明。就此而言，請參見圖8，圖中示出了本發(fā)明再一個實施例鉆頭310。鉆頭310制成為一般用于在諸如木材、金屬、塑料、磚塊、砌石等材料中進行鉆孔操作的傳統(tǒng)實心巖心鉆頭。如圖所示，鉆頭310基本上與鉆頭10類似，只是塑料軸324基本上是實心的，切削部件316包括與傳統(tǒng)實心巖心鉆頭同樣類型的螺旋螺紋。就此而言，螺旋螺紋的切削部件316可包括釬焊到鉆頭上的碳化鎢插入件，鋼制(用于高速鉆孔操作)或例如采用金剛石研磨料的前述仿形切削部件。
如上所述以及如先前試驗數據所顯示的本發(fā)明產生的效果是在以上也提及的現(xiàn)有技術揭示范圍中所意想不到和非顯而易見的。就此而言，如以上所討論的那樣，塑料材料將特別易于研磨。在取心鉆孔或鉆孔應用情況下，鉆頭主體在整個切削作業(yè)過程中保持在切口或鉆孔中。這與圓盤切削作業(yè)相反，在圓盤切削作業(yè)中，刀具每轉中僅一部分刀刃位于切口中。則會預期這相對地增加了的主體與切口在作業(yè)過程中的接觸會增加潛在的研磨作用和塑料本體的發(fā)生故障的可能性。然而，如本文所述，此作用是理論上的，或者能夠被充分地得到補償的。
由于與磨屑接觸時間長，另一種不利于聚合物本體切削鉆頭成功的因素是研磨作用。如以上所討論的，理論上圓盤形刀刃僅外圓周與磨屑接觸。相反，在取心鉆孔或鉆孔作業(yè)過程中，磨屑將留在切口中，而在切削操作的持續(xù)過程中始終與圓柱體的相當大部分接觸。然而，此因素在許多應用情況下意想不到被證明僅是理論上的，而是能夠被如上所述的補償的。
本發(fā)明的另一個方面是認識到與以上所述現(xiàn)有盤形刀刃相反，本發(fā)明可獲得足夠的結構整體性，而無需采用纖維加強來加強塑料材料。實際上，鉆頭10可以令人滿意地工作而不存在彎曲或扭轉失靈，即使當鉆頭在試驗鉆孔過程中被咬住而受到鉆機的最大扭矩作用時亦如此。這些效果在考慮到鉆孔作業(yè)過程中巖心鉆頭所受到恒定應力時也是意想不到的。
如上所述，本發(fā)明聚合物管承受了巖心鉆頭所經受的典型應力。然而，也如同以上所述，聚合物管的壁可使磨損得比鋼質相對部分快。尤其是，已經發(fā)現(xiàn)當采用特別堅固、優(yōu)質的研磨段時，聚合物管耐用時間與研磨段不同。在鉆孔過程中所產生磨屑會磨損聚合物管壁，過了一段時間之后，壁厚會減少到超出該程度聚合物不能用于鉆孔的一定程度。
已采用幾個措施來解決此一問題。一個措施是改變切削部件或研磨段16的厚度以及上述管24、224的壁厚，這樣管子就可以比研磨段耐用。另一個措施是通過適當的表面處理或其它改變其成份的方法來提高聚合物管的耐磨性能。
后一個改變聚合物材料成份的措施已經顯示出可顯著地提高聚合物管的使用壽命以有效地提供質輕、價廉的非金屬本體巖心鉆頭，該鉆頭能夠承受如金屬本體巖心鉆頭所經受的應力和惡劣環(huán)境。有利的是，可在聚合物本體鉆頭上采用一般用于金屬本體鉆頭的傳統(tǒng)切削部件或研磨段16。
聚合物管24的這樣一種變型已被用到如圖10所示本發(fā)明另一個實施例、鉆頭100中。鉆頭100包括分別設于管子24內、外表面64、66上的諸層60、62。諸層60、62包括一種耐磨材料，如細陶瓷或金屬顆粒/粉末，亦即、礬土、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳化鎢、氮化硼或金屬(或合金)粉末。適合的金屬顆粒實例包括鐵、鎳、鈷、鋼、青銅和鎳合金。適合的陶瓷包括SiC，SiO2，WC，Al2O3和Co-WC。也可采用纖絲狀或纖維狀的這些材料或玻璃、石英或碳素纖維。平均顆粒尺寸(直徑)在10-500微米(μm)范圍中的顆粒用于本發(fā)明是較佳的，也可采用任何尺寸的顆粒或纖維，只要它們可粘到管子表面上并且具有足夠的機械粘結強度以承受鉆削力。
諸如碳化硅、傳統(tǒng)礬土、礬土-二氧化鋯(Norzon)或MCA研磨顆粒用于此都是較佳的。如本文所采用的，標號“MCA”指加晶種或未加晶種的可溶凝膠狀礬土研磨顆粒，包括微晶體礬土。MCA顆?？刹捎靡韵鹿に囍瞥?，該工藝包括使單水合氧化鋯鋁溶液膠溶而形成一凝膠，同時使該凝膠干燥并燒結、然后弄碎、過篩以及選出所需尺寸的燒結凝膠以形成由α礬土微晶體(例如至少有約95％的礬土)所制成的多晶體顆粒。除了α礬土微晶體外，初始凝膠還可包括重量多達15％的尖晶石、高鋁紅柱石、氧化錳、鈦、氧化鎂、稀土金屬氧化物、氧化鋯粉或氧化鋯先質(它們可大量加入，例如40％或更多)，或者其它兼容添加劑或其先質。通常含有這些添加劑以改變諸如斷裂剛度、硬度、脆度、斷裂機械性能或干燥特點等特性。已經報導出許多改性的α礬土溶膠顆粒。這一級別中的所有顆粒在此都適用，并且MCA顆粒一詞限定為包括含有至少60％α礬土微晶體的任何顆粒，該微晶體具有至少95％的理論密度和在500克時至少為18Gpa的維氏硬度(500克)。微晶體尺寸一般用于種晶顆粒時在大約0.2至大約1.0微米范圍中，用于未種晶顆粒時為1.0至大約5.0微米。
一旦凝膠形成，可采用傳統(tǒng)方法成形，如壓制、模制或擠壓成型，然后再仔細干燥以產生所需形狀的無裂紋體。
在成形之后，可對干燥的凝膠進行煅燒以根本上去除所有揮發(fā)性物質并且將多種顆粒成份轉變成陶瓷(金屬氧化物)。通常對干燥凝膠進行加熱，直至除去自由水份和大部分受約束的水份。然后通過加熱使煅燒材料燒結，并且保持在適當溫度范圍中，直至基本上所有單水合氧化鋯鋁轉變成α礬土微晶體。
如前所述，溶膠礬土可種晶或不種晶。對于種晶礬土，故意將成核點引入單水合氧化鋯鋁分散體中或就在其中形成一成核點。在分散體中存在成核點可降低α礬土形成的溫度并且產生一極細的晶體結構。
在本技術領域中已知有許多適用的晶種。一般它們都具有一晶體結構以及盡可能與α礬土接近的晶格參數。
還可采用未種晶溶膠礬土磨料。此磨料可采用上述相同的工藝制成，只是不引入晶種顆粒。還可以向溶液或凝膠添加足夠多的稀土金屬氧化物或其它先質，以在燒結后使稀土金屬氧化物至少重約0.5％、較佳地重約1至30％。
可用于本發(fā)明的溶膠礬土研磨顆粒和纖維都揭示在美國專利4,314,827、4,623,364和5,129,919中，本文援引其全文。
各涂層60和62的具體成份可相互不同，或者它們可基本相同以有利于簡化其應用。在另一個實施例中，僅對管子的一個表面進行涂覆。例如，可僅在外表面66上施加保護涂層62。在鉆孔過程中一般對管子內部施以流水以顯著地降低內表面磨損。實際上，在以下所述的幾個磨損試驗中，耐磨涂層僅施加到外表面66上。如果兩個表面都涂覆，聚合物鉆頭的壽命當然會更長。
在一個實施例中，顆粒層可以用粘結材料保持在表面64和66上。例如，陶瓷/金屬粉末可與環(huán)氧樹脂粘結劑混合并且施加到管子表面上。當固化時，粘結劑可將陶瓷/金屬顆粒粘在管子上以形成耐磨層60和62。與未涂覆的聚合物管相比，這樣處理已經顯示出可明顯地增加耐磨強度以及管子的使用壽命，并且已經顯示出能夠使管子的使用壽命超過研磨段。
作為粘結劑的一種替換形式，可以在表面64和66中嵌入耐磨粉以形成諸層60和62。通過加熱顆粒、然后以適當的沖擊速度將其噴涂到管表面上就可嵌入。加熱的顆粒在沖擊時將使聚合物軟化且其本身可嵌入表面。當冷卻時，聚合物將硬化并抓住顆粒。一種將顆粒嵌在聚合物管24表面中的類似的可用方法是將管子加熱到預定溫度以使表面64和66軟化，然后將陶瓷/金屬顆粒以預定速度噴涂到這些表面上。顆粒將嵌在表面中，并且，當冷卻時，表面64和66將抓住顆粒以形成層60和62?？刂魄度脒^程和涂覆質量的關鍵因素包括(a)表面準備-清潔和脫脂、(b)顆粒尺寸、(c)顆粒溫度、(d)顆粒速度以及(e)聚合物溫度。
在用顆粒嵌入表面之前，應當去除聚合物表面的油漬、油脂和其它表面雜質。這些表面雜質的存在可能對顆粒與聚合物表面的粘性產生不利的影響。清潔和脫脂可以通過擦拭、刮擦、鋼絲刷、機械加工、吹去磨?；蛑T如溶劑清潔的化學作用來進行。
顆粒和聚合物溫度的選擇以及噴涂速度是根據顆粒的具體熱量、聚合物的具體熱量、玻璃過渡溫度或聚合物軟化溫度以及顆粒熔融點來確定的。總的來說，高溫/較軟聚合物將要求低噴涂速度，而低溫/較硬聚合物將要求較高噴涂速度。
當嵌入加熱的顆粒時，應選擇顆粒溫度以使在沖擊時顆粒會使一定量的聚合物(一般為顆粒體積的1至10倍)加熱到超出其玻璃過渡溫度的一個溫度。顆粒溫度還最好低于其熔點的一半以避免顆粒在沖擊時變形。從數學上來說，這些狀況可用以下公式表示mCp，顆粒(T顆粒-T環(huán)境)＝Vd聚合物Cp，聚合物(Tg-T環(huán)境)+熱量損耗T顆粒＜0.5Tm其中，m是顆粒質量，Cp是具體熱量，T是溫度，V是將被加熱以嵌入顆粒的聚合物體積，d聚合物是聚合物的密度，Tg是聚合物的玻璃過渡溫度，以及Tm是顆粒的熔點。可選擇顆粒尺寸(確定顆粒質量，4πr3d顆粒/3)與顆粒溫度的組合以滿足這些條件。實際上，當顆粒尺寸給定時，顆粒溫度可在Tg＜T顆粒＜0.5Tm范圍中變化。考慮到用于聚合物管的聚合物范圍和可用作顆粒的各種金屬、合金和陶瓷，顆粒的溫度范圍為100℃至2000℃，較佳地為120℃至1000℃，最好為150℃至600℃。
可選擇顆粒尺寸以使所需的顆粒溫度是實際可行的。顆粒尺寸還可以由鉆孔過程中所產生的磨粉漿中混凝土顆粒尺寸表示?？梢哉J識到，陶瓷/金屬顆粒大約三分之二將嵌在聚合物中以保證其在鉆孔操作過程中不掉出來。其余三分之一將露出表面。顆粒尺寸較佳地是磨粉漿中混凝土顆粒尺寸的至少三倍。這可通過限制混凝土顆粒同時與聚合物管壁和被鉆孔的混凝土塊壁接觸而減少聚合物磨損量。作為上限，顆粒伸出量應不大于管壁和混凝土壁之間的間隙(由研磨段所構成的)。當考慮到這些因素以及被鉆孔的材料范圍，可以了解較佳的顆粒尺寸是在約10至500微米范圍中。
應當選擇顆粒速度以使顆粒的動能大于使聚合物表面變形所需的能量。因而顆粒速度將隨聚合物種類和其屈服強度、顆粒質量以及顆粒溫度而改變?？梢灶A期到，適當的顆粒速度將在每秒幾米至每秒幾百米范圍內。
聚合物起始溫度可以是環(huán)境溫度，或者可將聚合物略為加熱以便施行嵌入工藝。在另一種情況下，在嵌入過程中不允許聚合物的溫度增加到超出其玻璃過渡溫度以避免損壞管子(如下所述)。
當顆粒嵌入到一加熱的聚合物表面時，顆粒溫度可保持在環(huán)境溫度或者可加熱到聚合物玻璃過渡溫度。加熱顆粒將保證聚合物在顆粒沖擊時被不冷卻，因而不會限制聚合物的變形能力。工作溫度T為T環(huán)境＜T＜Tg，聚合物顆粒尺寸的考慮與上述用于嵌入加熱顆粒的那些考慮類似。
不希望顆粒速度與嵌入加熱顆粒時一樣高，這是因為聚合物表面被加熱并且更易變形。顆粒速度希望在幾米/秒至10米/秒范圍中。
聚合物溫度應當適合于在顆粒沖擊下變形。一般希望將表面溫度保持得盡可能高，但又不達到玻璃過渡溫度。將聚合物加熱到玻璃過渡溫度顯然會破壞管子并且可能使其沒用。另一方面，太低的溫度無法使其基本上局部變形而嵌入顆粒。用于該方法的一實際工作溫度T為0.5Tg，聚合物＜T＜Tg，聚合物熟練的技工應認識到，不脫離本發(fā)明的精神和范圍，還可采用適用的方法將顆粒嵌在聚合物本體表面中。例如，管子和/或顆?？蓧褐苹蚰Ｖ频骄酆衔锕艿谋砻?4和/或66上。一適當的模具的模具表面可涂有顆粒，然后將管子插入該模具中且加熱以使顆粒嵌入管表面。而且，切削部件16可以類似方式施加到聚合物上，例如放入一適當的模具中，并且隨后將聚合物管插入。在此情況下，可采用一整體式模具來同時嵌入顆粒和安裝切削部件16。因而用陶瓷/金屬層60和62改性的管表面64和66可具有比未改性聚合物管更強的耐磨強度。
將顆粒嵌入聚合物管表面的另一種方法是采用多種傳統(tǒng)的熱噴涂或等離子噴涂技術對聚合物表面噴涂顆粒。例如，可改變已知的熱噴涂技術的工藝參數以允許陶瓷/金屬顆粒合適地粘結到聚合物管表面，同時保證管子的結構整體性不會受到危害使之不再能用于取心鉆孔作業(yè)。傳統(tǒng)熱噴涂層的幾個實例在《ASM表面加工手冊》(R.C.托克爾著，1994年俄亥俄州原料帕克的ASM國際出版)第5卷第497-509頁中有所討論，該章節(jié)名為“熱噴涂層”。
已經研發(fā)出多種熱噴和等離子噴涂技術以涂覆多種材料而形成金屬、陶瓷和金屬陶瓷(一種金屬陶瓷成份)涂層。這些包括粉末火焰噴涂、金屬絲火焰噴涂、陶瓷棍噴涂、雙金屬絲電弧噴涂、非傳導的等離子噴涂、高速氧化燃料噴涂、爆燃槍和超-D槍噴涂?？刹捎眠@些技術中的任一種對聚合物進行涂覆以形成耐磨層，只要聚合物沒有加熱到超出玻璃過渡溫度并仍可用。
象上述的嵌入技術一樣，聚合物表面應被脫脂和清潔以保證涂層可良好地粘結到聚合物上。另外，可采用傳統(tǒng)的表面鑿毛工藝來提高涂層到表面的粘性。表面鑿毛可通過磨粒噴吵或螺紋鑿毛或兩種方法的結合而進行。涂覆工藝較佳地可在表面清潔和鑿毛工藝之后立即進行。
在以下的表格VII中給出了熱噴/等離子噴涂技術的工藝參數。該表格提供了有關可用不同工藝所獲得的典型涂層的信息資料，還包括基體溫度和顆粒速度的較佳范圍。如表格中所示出的，這些工藝所采用的基體溫度落在可用于多種聚合物的范圍中。這些條件對于特定聚合物和涂層材料是最佳的。表格VII.熱噴工藝和典型工藝條件

作為另一種對聚合物管表面(多個表面)進行涂覆的方式，管子本身可由加強聚合物或由包含與上述顆粒類似的所述金屬或陶瓷顆粒、晶須、切斷的纖維或細絲的聚合物成份制成，其中諸如有具有極高耐磨強度的碳素纖維或石墨纖維、凱夫拉爾(Kevlar)、玻璃纖維、石英、硼、礬土、碳化硅或PAN纖維。
對由以下制劑構成的涂層60和62的PVC管24進行磨損試驗(a)“LiquidPlasteelTM”(由新澤西州代頓的McMaster Carr公司出售的環(huán)氧樹脂與重量百分比為80％的鋼粉混合物)；(b)“Easy EpoxyTM”混合物(從McMaster Carr公司購得的環(huán)氧樹脂和從馬塞諸塞州伍斯特的Saint-Gobain工業(yè)陶瓷有限公司購得的種晶MCA研磨磨?！?；(c)Liquid PlasteelTM和MCA磨粒的混合物；以及(d)Liquid PlasteelTM和WC(碳化鎢)的混合物。還對一未涂覆的管子24進行類似的試驗。磨損試驗包括將管子下放到一個預先在如上所述制成的混凝土塊上鉆成的孔中。以一般用于鉆孔的轉速rpm使管子旋轉。當管子旋轉時，預定量的磨粉漿(先前鉆孔所產生的)連續(xù)進入孔中。磨粉漿起到研磨作用并且將磨損聚合物管。對多種管子進行一定時間的試驗并且測量壁厚的磨損量。在表格VIII中給出的上述制劑(b)-(d)的磨損試驗結果以及未涂覆管的磨損試驗結果。
表格VIII

>此圖表給出了由沿著管長度上三個部位所測得的壁厚所確定的5.5小時之后的管子平均磨損量。
結果表明，涂層可提高塑料管24、224的耐磨強度。從所試驗的多種涂層來看，顯然最佳的涂層是MCA和Liquid PlasteelTM混合物。上述制劑(a)起到一對照試樣的作用，以確定Liquid PlasteelTM沒有MCA是否能夠獲得從制劑(c)所看到的提高耐磨強度的效果。在試驗半小時內幾個部位上的涂層被磨去。因而，可以證明MCA與Liquid PlasteelTM一起存在于制劑(c)中對提高管子24耐磨強度是至關重要的?？梢酝茰y塑性鋼材中的鐵顆?？赡芴殹⒁韵滤懻摰木哂懈植诘沫h(huán)氧樹脂顆粒嵌入管表面可獲得所需的耐磨強度。
結果表明包含Liquid PlasteelTM和MCA磨粒的涂層在所應用和試驗的涂層之中具有最佳的耐磨強度。可以預料在以上所討論的此類材料中的其它顆粒也可獲得類似的有利效果。除了顆粒尺寸之外，另一個決定顆粒層60和62所具有的耐磨強度的因素是其中的顆粒百分比。在粘結劑中顆粒重量百分比至少為20、較佳地應取大于50。進一步較考慮的一個因素是由層62和/或60所覆蓋的管子表面積百分比。所嵌顆粒占表面大于20％或約等于20％可獲得理想的耐磨強度，當然在50％和100％的表面覆蓋率是更佳的。
根據前述試驗結果，巖心鉆頭100可制有PVC本體24，該本體具有由LiquidPlasteelTM和40％MCA磨粒的混合物所制成的諸層60和62。通過在如上述所述制成的混凝土塊中鉆出多個孔并直至鉆頭損壞，對這些鉆頭100進行試驗。為了作比較，還對一未涂覆的PVC管進行了試驗。以鉆孔的預定時間間隔測量了管壁的磨損量。這些測試結果示于圖11中。
如圖所示，試驗結果表明涂有諸層60和62的管子24的使用壽命大約是未涂覆管的二倍。涂覆鉆頭所鉆的孔數大約是未涂覆鉆頭的3.5倍。然而，為了對涂覆鉆頭的使用壽命與未涂覆鉆頭的使用壽命進行公正的比較，在圖11中示出了發(fā)生相同管壁磨損量時所鉆孔的數量?？梢钥闯?，PVC管的使用壽命可以通過選擇適當的涂層厚度而適應特定的需要。
在下的例I和II中描述了用于提供這些結果的具體試驗參數。
如圖通過在一個尺寸范圍內對聚合物管進行成功的試驗所證明的可采用較大直徑范圍的管子24來制成本發(fā)明的巖心鉆頭100。例如，可對直徑從2”至12”(5厘米-30.5厘米)的鉆頭進行試驗，這些鉆頭顯示出具有足夠的承受鉆孔應力的強度。在例III和IV中描述了對8”和12”直徑切削鉆頭進行試驗的具體參數和結果。
在圖12中示出了在鉆孔過程中巖心鉆頭所經受的應力分析。計算出的扭矩(在管子軸線上)和最大應力(在管子表面上)表示為鉆頭直徑的函數。如圖所示，扭矩隨鉆頭尺寸增大而增大，同時PVC管所經受的最大應力隨鉆頭直徑增大而降低。因而可采用直徑大于12英寸(30.5厘米)的巖心鉆頭100，而不會增加管子發(fā)生故障的可能性。
試驗還表明，本發(fā)明的聚合物本體鉆頭100可在干式鉆孔狀態(tài)下有效地工作。制造了一PVC本體鉆頭100并且采用高溫粘結劑將鋼制片斷與研磨段粘到PVC管上。用該鉆頭在一煤渣塊中進行干式鉆孔。在鉆孔時將50帕斯卡的壓縮空氣注入巖心鉆頭(其方式與在濕鉆孔時引入水類似)。煤渣塊上鉆出每個大約5英寸(13厘米)深的孔總共10個，管子不會發(fā)生故障?？梢园l(fā)現(xiàn)管子磨損量與濕鉆孔時所看到類似。采用壓縮空氣顯示出可使管冷卻并且便于去除磨屑以盡可能減少摩擦起熱。
還可以預期，通過在本體形成之前將顆粒直接加到聚合物中可提高聚合物本體24、224的耐磨強度。例如，可向聚合物加入重量百分比近似20至40％的MCA磨?；蚱渌湍ヮw粒。然后采用該混合物制造一聚合物本體，該本體中具有大致均勻地分散于其中的顆粒。
而且，雖然本文所揭示的本發(fā)明例子是關于巖心鉆頭的，但熟練的技術人員應可認識到，在本發(fā)明的精神和范圍中，所揭示的技術也可用于多種切削器具的聚合物本體，諸如圓環(huán)形鋸刀/切削盤片。
以下舉出的例子用于論證本發(fā)明的各個給定方面?？梢岳斫猓@些例子并不能構成對本發(fā)明的限定。
例I用PVC制造了一4英寸(10厘米)直徑的本體管24。將一金屬切削端14以圖1所示方式粘接到管的一端上。各鉆頭上釬焊有10個切削部件或研磨段16、1”×0.275”×0.150”(2.5cm×.7cm×.38cm)。研磨段具有密度為30、30/40目、SDA85+金剛石。管子24的外表面66用如上所述的重量百分比40％MCA磨粒和Liquid PlasteelTM涂覆厚0.015”(.04cm)的均勻涂層62。用于此涂層的MCA磨粒粒度為220(近似50-70微米)。在一如上所述的鋼筋混凝土塊中對該鉆頭進行試驗。試驗是在20安培恒定鉆孔電流和600轉/分鐘主軸轉速下進行的。在鉆削過程中保持3.785升/分鐘(1加侖/分鐘)的水流速度。觀察研磨段的磨損和管子磨損。鉆頭超始壁厚約為0.085(.02cm)、即0.070”(.17cm)管子+0.015”(.04cm)涂層。在管壁厚度減少到0.05”(.12cm)且無法再用之前，用該有涂層的鉆頭鉆出總共283個孔(每個深11英寸(28厘米))。
例II(對照試樣)用與例I所述的方式制造了第二個鉆頭，但不涂覆。未涂覆鉆頭的起始管壁厚度約為0.070英寸(.18cm)。在壁厚減少到約0.050”(.12cm)且無法再用之前，用該鉆頭鉆出總共86個孔(每個深11英寸/28厘米)。
例III制造了一8英寸(20厘米)的鉆頭，具有壁厚為0.115”(.3cm)(與鋼制本體巖心鉆頭類似)的PVC本體管24。包括以與例I類似方式釬焊于其上的總共16個研磨段的鋼制切削端14粘結到管子24上。所用的研磨段為2.54cm×0.70cm×0.44cm(1”×0.274”×0.175”)，密度為30、30/50目、SDA150+金剛石磨粒，并且都是用于傳統(tǒng)8英寸(20厘米)巖心鉆頭的標準研磨段。8”(20cm)PVC鉆頭重3.9千克(8.6磅)，這表明與重約9.1千克(20磅)的類似傳統(tǒng)鋼制鉆頭相比可減少50％以上的重量。在例I所用的那類混凝土塊中對該鉆頭進行試驗。鉆削電流保持在20至22A之間。鉆削時主軸速度為400轉/分鐘。在傳統(tǒng)的煤渣塊中鉆出十五個孔，在例I所用的那樣混凝土塊中鉆出二十個孔。該鉆頭的切削沒有困難。PVC管可承受鉆削應力。在鉆頭承受了最大重量340千克(750磅)，表明它可經受較大的應力。
例IV制造了一與例III類似形式的12”(30.5cm)直徑的巖心鉆頭。該鉆頭制造為具有一PVC管子24，該管的壁厚為0.120”(.3cm)(與鋼制本體巖心鉆頭類似)。一鋼制切削端粘接到PVC管上，并且總共18個研磨段釬焊到的鋼制切削端上。所用的研磨段為2.5cm×.7cm×0.5cm(1”×0.275”×0.210”)，密度為30、30/50目、SDA100+金剛石磨粒。12英寸(30.5厘米)PVC鉆頭重5.9千克(13.2磅)，表明與一重約17.2千克(38磅)的類似鋼制本體鉆頭相比重量明顯減少。在例I所用的那類混凝土塊中對該鉆頭進行試驗。以人工方式進行鉆削。鉆削電流保持在20至22安培之間。鉆削時主軸速度為200轉/分鐘。在煤渣塊中鉆出15個孔，在混凝土塊中鉆出20個孔。該鉆頭切削沒有困難，并且PVC管可承受鉆削應力。該鉆頭上承受了最大重量381千克(840磅)，表明它可經受相當大的應力。
例V制造了具有PVC本體管24的四個8英寸(20厘米)巖心鉆頭，本體管壁厚為0.115”(.3cm)。分別將由100微米顆粒的MCA磨粒、SiC、WC和熔融礬土層嵌到各管24的外表面62上，即通過將顆粒加熱到約200℃、然后在近似100米/秒的速度下將顆粒噴射到各聚合物體24表面66上。然后將管子冷卻到室溫，以使本體變硬并且可抓住顆粒。以例III的方式為各管子提供包括總共16個研磨段的鋼制切削端14。該8”(20厘米)PVC鉆頭重約3.6千克(8磅)，表明與一重約9千克(20磅)的類似傳統(tǒng)鋼制鉆頭相比減輕了50％以上的重量。這些鉆頭具有比一類似的未涂覆聚合物本體鉆頭高的耐磨強度，并可提供一使用壽命與例III所述類似條件下的研磨段16的使用壽命相當的管子。
例VI制造了一具有PVC本體管24的8英寸(20厘米)巖心鉆頭，本體管壁厚為0.115”(.3cm)。將由100微米顆粒的MCA磨粒層嵌到各管子24的外表面62上，即通過將顆粒加熱到約200℃、然后在近似50米/秒的速度下將顆粒噴射到各聚合物體24表面66上。然后將管子冷卻到室溫，以使本體變硬并且可抓住顆粒。以例III的方式為各管子提供包括總共16個研磨段的鋼制切削端14。該8”(20厘米)PVC鉆頭重約3.6千克(8磅)，表明與一重約9千克(20磅)的類似傳統(tǒng)鋼制鉆頭相比減輕了50％以上的重量。這些鉆頭具有比一類似的未涂覆聚合物本體鉆頭高的耐磨強度，并且可提供一使用壽命與例III所述類似條件下的研磨段16的使用壽命相當的管子。
例VII制造了一具有PVC本體管24的8英寸(20厘米)巖心鉆頭，本體管壁厚為0.115”(.3cm)。將由100微米顆粒的MCA磨粒層嵌到管子24的外表面62上，即通過將顆粒加熱到約150℃、然后在近似90米/秒的速度下將顆粒噴射到各聚合物體24表面66上。然后將管子冷卻到室溫，以使本體變硬并且可抓住顆粒。以例III的方式為各管子提供包括總共16個研磨段的鋼制切削端14。該8”(20厘米)PVC鉆頭重約3.6千克(8磅)，表明與一重約9千克(20磅)的類似傳統(tǒng)鋼制鉆頭相比減輕了50％以上的重量。產生一光滑的涂層，同時看不到嵌在表面中各個顆粒。這些鉆頭具有比一類似的未涂覆聚合物本體鉆頭高的耐磨強度，并且可提供一使用壽命與例III所述類似條件下的研磨段16的使用壽命相當的管子。
例VIII制造了一與例III類似形式的8”(20cm)直徑的巖心鉆頭。該鉆頭制成有一壁厚為0.120”(.3cm)(與鋼制本體巖心鉆頭類似)的PVC本體管24。將一金屬切削端14粘接到PVC管上，并且將總共16個研磨段釬焊到鋼切削端上。所用的研磨段為1”×0.275”×0.175”(2.5cm×.7cm×.44cm)、并且密度為30、30/50目、SDA150+金剛石磨粒。聚合物管24的外表面66用重量百分比40％WC和Liquid PlasteelTM施涂。所用的WC磨粒粒度為220(近似50-70微米)。該鉆頭重3.9千克(8.6磅)，表明與一重9千克(20磅)的類似鋼制本體鉆頭相比重量明顯減輕。在一如例I所用的那樣鋼筋混凝土塊中對該鉆頭進行試驗。鉆削電流保持在20至22安培之間，鉆削是在600轉/分鐘主軸轉速下進行的。與未涂覆的聚合物本體鉆頭的對照試樣相比，該鉆頭的耐磨強度增強。
例IX制造了一與例III類似形式的8”(20cm)直徑的巖心鉆頭。該鉆頭包括由PVC和重量百分比約為20％的WC混合物模制成的聚合物基質管。該聚合物基質管壁厚為0.120”(.3cm)(與鋼制本體巖心鉆頭類似)。將一金屬切削端14粘接到PVC管上，并且將總共16個研磨段釬焊到鋼切削端上。所用的研磨段為1”×0.275”×0.1 75”(2.5cm×.7cm×.44cm)、并且密度為30、30/50目、SDA150+金剛石磨粒。所用的WC磨粒粒度為220(近似50-70微米)。該鉆頭重約3.6千克(8磅)，表明與一重9千克(20磅)的類似鋼制本體鉆頭相比重量明顯減輕。在一如例I所用的那樣鋼筋混凝土塊中對該鉆頭進行試驗。鉆削電流保持在20至22安培之間，鉆削是在600轉/分鐘主軸轉速下進行的。與未涂覆的聚合物本體鉆頭的對照試樣相比，該鉆頭的耐磨強度增強。
上述描述主要是為了說明本發(fā)明。雖然已經在圖中示出并用實施例來描述說明了本發(fā)明，但本技術領域中熟練人員應與理解，在本發(fā)明精神實質和范圍中可對其形式和細節(jié)進行其它多種改變、刪減和替換。
權利要求
1.一種用于在一工件中切削一圓孔的切削工具，所述切削工具包括具有一排切削部件的大致圓柱形的刀具，所述刀具具有一切削端和一連接端；由非金屬材料制成的大致圓柱形軸，所述軸具有一刀具配合端和一鉆機配合端；所述刀具和所述軸用于同心地、端對端相互配合，其中所述連接端基本上剛性地與所述刀具配合端連接；以及所述鉆機配合端用于與一鉆機可工作地配合以使所述切削工具繞所述同心軸線轉動。
2.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具還包括一金屬圓柱體，所述切削部件排設置在其圓周上。
3.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸基本上是管狀的，并且所述刀具配合端和所述鉆機配合端都是圓環(huán)形的。
4.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具基本是管狀的，并且所述切削端和所述連接端都是圓環(huán)形的。
5.如權利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述切削部件排包括多個在所述圓環(huán)形切削端上隔開的研磨段。
6.如權利要求4所述的切削工具，其特征在于，所述切削部件排包括多個在所述圓環(huán)形切削端上隔開的切削齒。
7.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸基本是實心的。
8.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具基本上是實心的。
9.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述切削部件排包括多個螺旋螺紋。
10.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，還包括同心并剛性地設置在所述鉆機配合端上的一連接件，所述連接件用于可操作地將所述切削工具固定到鉆機上。
11.如權利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述連接件用非金屬材料制成，并且還包括一同心且剛性地設置于其中的金屬插入件，所述金屬插入件用于與所述鉆機通過螺紋配合。
12.如權利要求10所述的切削工具，其特征在于，所述連接件用粘結劑固定到所述鉆機配合端上。
13.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸用未加強的塑料材料制成。
14.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸用從由PVC、丙烯酸樹脂和尼龍組成的一組材料中選出的塑料材料制成。
15.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸用纖維加強塑料材料制成，所述纖維從由碳素纖維、玻璃、聚丙烯腈(PAN)纖維和其混合物組成的一組材料中選出。
16.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具配合端和所述連接端可以如下所述的一組方式中的一種相互配合在一起，即熔融疊加、機械互鎖、將所述軸與所述刀具模制成一體以及這些方式的組合。
17.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雄接頭，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雌接頭。
18.如權利要求17所述的切削工具，其特征在于，所述雄接頭用粘結劑固定到所述雌接頭上。
19.如權利要求18或12所述的切削工具，其特征在于，所述粘結劑可從以下一組中選出，即環(huán)氧樹脂、尿烷、氯丁橡膠、腈、聚酰胺、聚酯和氰基丙烯酸酯粘結劑。
20.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述軸具有一軸外徑；所述刀具具有一刀具外徑；以及在所述切削工具轉動過程中，所述切削部件排構成一假想圓柱體，其假想外徑大于所述軸外徑和所述刀具外徑；其中，在鉆孔過程中，工件和所述軸之間存在徑向間隙，在工件和刀具之間存在徑向間隙。
21.如權利要求20所述的切削工具，其特征在于，其中所述軸是管狀的，并且具有預定厚度的軸壁；所述刀具是管狀的，并且具有預定厚度的刀具壁；并且所述軸壁的預定厚度基本上所述刀具壁的預定厚度相等。
22.如權利要求20所述的切削工具，其特征在于，還包括所述軸外徑大于所述刀具外徑；其中所述軸外徑在所述切削工具操作過程中由于磨損的減少量可被補償。
23.如權利要求22所述的切削工具，其特征在于，其中所述軸是管狀的，并且具有預定厚度的軸壁；所述刀具是管狀的，并且具有預定厚度的刀具壁；所述軸壁的預定厚度基本上所述刀具壁的預定厚度相等。
24.如權利要求23所述的切削工具，其特征在于，其中所述假想圓柱體具有一假想內徑；所述軸具有一軸內徑；所述刀具具有一刀具內徑；所述刀具內徑大于所述軸內徑，所述軸內徑大于所述假想內徑；其中，在所述假想內徑和所述軸內徑之間存在間隙，在所述假想內徑和所述刀具內徑之間存在間隙，這樣由于所述切削工具在取心鉆孔過程中磨損而造成的軸內徑增大可得到補償。
25.一種用于在一工件中切削一圓孔的切削工具的非金屬本體，所述切削工具包括具有一排切削部件的大致圓柱形的刀具，所述刀具具有一切削端和一連接端，所述非金屬本體包括由非金屬材料制成的大致圓柱形軸，所述軸具有一刀具配合端和一鉆機配合端；所述刀具和所述軸用于同心地、端對端相互配合，其中所述刀具配合端基本上剛性地與另一端連接；所述鉆機配合端用于與一鉆機可操作地配合以使所述切削工具繞所述同心軸線轉動。
26.如權利要求25所述的非金屬本體，所述刀具還包括一金屬圓柱體，所述切削部件排繞其周的設置。
27.如權利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，所述軸基本上是管狀的，并且所述刀具配合端和所述鉆機配合端都是圓環(huán)形的。
28.如權利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，所述刀具基本上是管狀的，并且所述切削端和另一端都是圓環(huán)形的。
29.如權利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，還包括一同心且剛性地設置在所述鉆機配合端上的連接件，所述連接件將所述切削工具可操作地連接到鉆機上。
30.如權利要求29所述的非金屬本體，其特征在于，所述連接件用非金屬材料制成，還包括用于與鉆機螺合的金屬插入件。
31.如權利要求30所述的非金屬本體，其特征在于，所述連接件用粘結劑固定到所述鉆機配合端上。
32.如權利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，所述軸用從PVC、丙烯酸樹脂和尼龍中選出的塑料材料制成。
33.如權利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，所述軸用纖維加強塑料材料制成，所述纖維從由碳素纖維、玻璃、聚丙烯腈(PAN)纖維和其混合物組成的一組材料中選出。
34.如權利要求25所述的非金屬本體，其特征在于，一固定件設置在刀具的另一端上，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雄接頭，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雌接頭。
35.如權利要求34所述的非金屬本體，其特征在于，所述雄接頭用粘結劑固定到所述雌接頭上。
36.在一工件中鉆孔的方法，包括以下步驟(a)提供一切削工具，包括i)具有一排切削部件的大致圓柱形的刀具，所述刀具具有一切削端和一連接端；以及ii)一由非金屬材料制成的大致圓柱形軸，所述軸具有一刀具配合端和一鉆機配合端；iii)所述刀具和所述軸用于同心地、端對端相互配合，其中所述連接端基本上剛性地與所述刀具配合端連接；(b)將所述鉆機配合端固定到一鉆機上；(c)使所述鉆機工作以使所述切削工具轉動繞所述同軸線轉動；以及(d)使所述切削端與所述工件配合。
37.如權利要求36所述的切削工具，其特征在于，所述刀具還包括一金屬圓柱體，所述切削部件排繞其周邊設置。
38.如權利要求36所述的方法，其特征在于，提供一切削工具的步驟還包括將所述軸制成一管，其中所述刀具配合端和鉆機配合端都是圓環(huán)形的。
39.如權利要求38所述的方法，其特征在于，所述一切削工具的步驟還包括將所述刀具制造成為一管子，其中所述切削端和所述連接端都是圓環(huán)形的。
40.如權利要求36所述的方法，其特征在于，還包括一同心地且剛性地設置在所述鉆機配合端上的連接件，所述連接件用于將所述切削工具可操作地固定到一鉆機上。
41.如權利要求40所述的方法，其特征在于，所述連接件用非金屬材料制成，并還包括用于與鉆機螺合的金屬插入件。
42.如權利要求41所述的方法，其特征在于，所述連接件用一粘結劑固定到鉆機配合端上。
43.如權利要求36所述的方法，其特征在于，所述軸用從PVC、丙烯酸樹脂和尼龍組成的一組材料中選出的塑料材料制成。
44.如權利要求36所述的方法，其特征在于，所述軸用纖維加強塑料材料制成，所述纖維可從由碳素纖維、玻璃、聚丙烯腈(PAN)纖維和其混合物組成的一組材料中選出。
45.如權利要求36所述的方法，其特征在于，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雄接頭，所述刀具配合端和所述連接端之一為一雌接頭。
46.如權利要求45所述的方法，其特征在于，所述雌接頭用一粘結劑固定到雌接頭上。
47.如權利要求36所述的方法，其特征在于，在切削工具轉動過程中，切削部件排形成一具有一假想外徑的假想圓柱體，所述方法還包括以下步驟使所述軸的軸外徑小于假想外徑；以及使所述刀具的刀具外徑小于假想外徑；其中在鉆孔過程中，工件和軸之間存在間隙，在工件和刀具之間存在間隙。
48.如權利要求47所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述軸制成為具有預定壁厚的軸管；將所述刀具制成為具有預定壁厚的刀具管；以及將所述軸壁的預定厚度制成為基本上與所述刀具壁的預定厚度相等。
49.如權利要求47所述的方法，還包括以下步驟將所述軸外徑制成為大于所述刀具外徑；其中所述圓周軸徑由于在所述切削工具的操作過程中減小的量可得到補償。
50.如權利要求49所述的方法，其特征在于，還包括以下步驟將所述軸制成為具有預定壁厚的軸管；將所述刀具制成為具有預定壁厚的刀具管；以及將所述軸壁的預定厚度制成為大于與所述刀具壁的預定厚度。
51.如權利要求50所述的方法，其特征在于，所述假想圓柱體具有一假想內徑；所述軸具有一軸內徑；所述刀具具有一刀具內徑；所述刀具內徑大于所述軸內徑，所述軸內徑大于所述假想內徑；其中，在所述假想內徑和所述軸內徑之間存在間隙，在所述假想內徑和所述刀具內徑之間存在間隙，這樣由于所述切削工具在取心鉆孔過程中磨損所增大的軸內徑可得到補償。
52.如權利要求1所述的切削工具，其特征在于，所述刀具由所述切削部件排構成，所述切削部件排的連接端用于一體地固定到所述軸的所述刀具配合端上。
53.一種提高聚合物本體的切削工具耐磨性能的方法，所述方法包括以下步驟(a)提供一切削工具，在一聚合物本體上設有一切削部件；以及(b)將一層耐磨顆粒層施涂到聚合物本體表面上。
54.如權利要求53所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒從以下材料組成的一組材料中選出，即陶瓷、金屬、金屬合金以及金屬陶瓷和其組合物。
55.如權利要求54所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒從一組由以下材料制成的材料中選出，即礬土、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳化鎢、氮化硼、溶膠礬土、氧化鋯鋁、鐵、鎳、鈷、鋼、青銅、Co-WC和其組合物。
56.如權利要求53所述的方法，其特征在于，所述施涂步驟(b)還包括以下步驟將所述顆粒嵌入到聚合物本體表面中。
57.如權利要求54所述的方法，其特征在于，所述施涂步驟(b)還包括以下步驟將所述顆粒嵌入到聚合物本體表面中。
58.如權利要求57所述的方法，其特征在于，所述嵌入步驟還包括(i)將顆粒加熱到100至200℃；以及(ii)將加熱的顆粒以10-500米/秒的速度噴射到聚合物本體表面上，其中加熱的顆粒可使聚合物軟化并且可嵌入該表面。
59.如權利要求57所述的方法，其特征在于，所述嵌入步驟還包括(i)將聚合物本體加熱到100-300℃，其中聚合物本體表面被軟化；(ii)將耐磨顆粒以100米/秒速度噴涂到聚合物本體上，其中顆粒將嵌入到所述表面中；以及(iii)使聚合物本體冷卻，其中所述本體硬化并且抓住顆粒。
60.如權利要求57所述的方法，其特征在于，所述嵌入步驟還包括(i)通過等離子噴涂將顆粒施涂到所述聚合物本體表面上，其中所述顆粒將嵌入所述表面；以及(ii)使聚合物本體冷卻，其中所述本體硬化并且抓住顆粒，從而所述顆粒熔化并且以均勻的涂層蓋住所述表面。
61.如權利要求54所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒層施涂深度約達0.1厘米。
62.如權利要求54所述的方法，其特征在于，所述聚合物本體是具有一壁厚的管子，耐磨顆粒層施涂深度達30％壁厚。
63.一種制造一切削工具的方法，包括以下步驟(a)提供一大致圓柱形的刀具部分，所述刀具部分包括一具有一配合一工件的切削端的排切削部件和一連接端；(b)提供一由非金屬復合材料制成的大致圓柱形軸，所述軸具有一刀具配合端和一驅動器配合端；以及(c)將所述連接端與所述切削端同心地、端對端地相互剛性連接。
64.如權利要求63所述的方法，其特征在于，所述步驟(b)還包括(i)由聚合物制成的管子；以及(ii)將一層耐磨顆粒施涂到其一個表面上。
65.如權利要求64所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒從陶瓷、金屬、金屬合金和金屬陶瓷以及其組合物中選出。
66.如權利要求65所述的方法，其特征在于，所述耐磨顆粒從礬土、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳化鎢、氮化硼、溶膠礬土、氧化鋯鋁、鋼、鐵、鎳、鈷、青銅以及Co-WC和其組合物中選出。
67.如權利要求63所述的方法，其特征在于，步驟(b)包括用加強聚合物制成的軸，所述加強聚合物包括與耐磨材料混合的聚合物。
68.如權利要求67所述的方法，其特征在于，所述耐磨材料從金屬顆粒、陶瓷顆粒、晶須、切斷的纖維和細絲中選出。
69.一種輕質切削工具，包括設有一排切削部件的大致圓柱體形的刀具，所述刀具具有一切削端和一連接端；以及由非金屬復合材料制成的大致圓柱體形的軸，所述軸具有一刀具配合端和一鉆機配合端；所述刀具和所述軸適于相互同心地、端對端連接，其中所述連接端基本上是剛性地與所述刀具配合端連接的；所述鉆機配合端可操作地與一驅動裝置連接以使所述切削工具繞所述同心軸線轉動。
70.如權利要求69所述的工具，其特征在于，所述軸用加強聚合物制成，所述加強聚合物包括一與耐磨材料混合聚合物。
71.如權利要求70所述的工具，其特征在于，所述耐磨材料從金屬顆粒、陶瓷顆粒、晶須、切斷的纖維和細絲中選出。
72.一種用于切削一工件的輕質工具，所述工具包括一設有一排切削部件的刀具部分，所述刀具部分具有一切削端和一連接端；以及由非金屬復合材料制成的本體，所述本體具有一刀具配合部和一驅動裝置配合部；所述刀具部和所述本體適于相互剛性地配合；并且所述驅動裝置配合部用于與一驅動裝置工作地配合以使所述切削工具繞所述同心軸線轉動。
73.如權利要求72所述的工具，其特征在于，所述刀具部分大致是圓柱體形的，并且所述本體是由非金屬復合材料制成的大致圓柱體形軸；所述刀具和所述軸可同心地、端對端相互連接，其中所述連接端基本上是剛性地與所述刀具配合部剛性配合；所述驅動裝置配合部是與一鉆機工作地配合的鉆機配合端，以使所述切削工具繞同心軸線轉動。
74.如權利要求72所述的工具，其特征在于，還包括設置在所述聚合物本體一個表面上的耐磨顆粒層。
75.如權利要求74所述的工具，其特征在于，所述耐磨顆粒從陶瓷、金屬和金屬合金、金屬陶瓷以及其組合物中選出。
76.如權利要求75所述的工具，其特征在于，所述耐磨顆粒從礬土、碳化硅、氮化硅、二氧化硅、碳化鎢、氮化硼、溶膠礬土、氧化鋯鋁、鋼、鐵、鎳、鈷、青銅以及Co-WC和其組合物中選出。
77.如權利要求74所述的工具，其特征在于，所述耐磨層用一粘結劑粘結到聚合物本體上。
78.如權利要求74所述的工具，其特征在于，所述顆粒嵌入到聚合物本體的表面中。
79.如權利要求78所述的工具，其特征在于，所述顆粒通過將顆粒加熱到100-2000℃而嵌入的；并且將加熱顆粒以10-500米/秒速度噴涂到聚合物本體表面上，其中加熱的顆粒使聚合物軟化并且嵌入所述表面中。
80.如權利要求78所述的工具，其特征在于，所述顆粒是這樣嵌入的將聚合物本體加熱到可使聚合物本體表面軟化、并且不超過聚合物本體玻璃過渡溫度的一定溫度，其中聚合物本體表面被軟化；將耐磨顆粒以足以使顆粒嵌入深度大于50％顆粒直徑的速度噴涂到聚合物本體表面上；并且使聚合物本體冷卻，其時本體硬化并且抓住顆粒。
81.如權利要求74所述的工具，其特征在于，所述顆粒以這樣的方法施涂到聚合物本體上的即通過熱噴，其時顆粒是涂覆到所述表面上的。
82.如權利要求53所述的方法，其特征在于，所述施涂步驟(b)還包括將一層耐磨顆粒施涂到聚合物本體的多個表面上。
83.如權利要求79所述的方法，其特征在于，所述顆粒被加熱到在聚合物本體的玻璃過渡溫度和顆粒熔點的一半溫度之間的一個溫度。
84.如權利要求80所述的方法，其特征在于，所述聚合物本體被加熱到在聚合物本體的玻璃過渡溫度的0.5至1.0倍范圍中的一個溫度。
全文摘要
一鉆頭(10),具有一由塑料材料制成的圓柱形本體部分(24)。該本體部分同心且端對端地固定到由金屬材料制成的一圓柱形刀具(12)上,該刀具具有一排切削部件(16)。本體部分和刀具較佳地都為管狀,其中切削部件設置成一圓環(huán)排列,以便進行取心鉆孔或頂鉆孔作業(yè)。
文檔編號B28D1/14GK1260741SQ98806139
公開日2000年7月19日 申請日期1998年6月16日 優(yōu)先權日1997年6月17日
發(fā)明者K·坦卡拉, R·卡坡, G·E·約翰森, R·D·格里格 申請人:諾頓公司