本發(fā)明涉及一種如權利要求1前序部分所述的用于制作取芯鉆頭的封閉的鉆環(huán)體的方法。

背景技術：

對于設計成取芯鉆頭的金剛石工具，可區(qū)分為具有一個封閉鉆環(huán)體的取芯鉆頭和具有單體切割段的分段式取芯鉆頭。取芯鉆頭包括一個加工部段、一個圓柱形鉆桿和一個具有插接端部的夾裝段。取芯鉆頭經由插接端部緊固在一個空心鉆機的工具夾頭中并在鉆探運行中由空心鉆機圍繞一根旋轉軸線驅動。

封閉的鉆環(huán)體由一種具有統(tǒng)計分布的金剛石顆粒的粉末混合物制成。將粉末混合物填充到一個模具中并壓成生坯件；在溫度和壓力作用下將生坯件燒結成一個封閉的鉆環(huán)體。us5,316,416公開了封閉的、在鉆環(huán)體的整個高度上具有良好的切削性能的鉆環(huán)體的構造。鉆環(huán)體具有多個上部槽和下部槽，這些槽沿著鉆環(huán)體的圓周方向分布。上部槽在鉆環(huán)體的高度的一半上延伸并通入鉆環(huán)體的反向于鉆桿的加工面中。下部槽沿著鉆環(huán)體的圓周方向分別設置在上部槽之間并通入鉆環(huán)體的朝向鉆桿的連結面中。上部和下部槽在鉆環(huán)體的高度中重疊。通過使上部和下部槽分布在鉆環(huán)體的整個高度上，將冷卻液和沖刷液在鉆環(huán)體的整個工作時間上運送到加工位置并將切削的材料從鉆孔區(qū)域中移除。

在制作用于分段式取芯鉆頭的切割段時在專業(yè)領域中確立了這樣的工藝方法，其中，將金剛石顆粒以預定的安置模式設置。生坯件分層地由含有粉末混合物的粉末層和具有以一定安置模式設置的金剛石顆粒的金剛石層構造，并接著在溫度和壓力作用下燒結成切割段。切割段沿著圓柱形鉆桿的圓周方向設置并通過熔焊、釬焊以及通過其他方式與鉆桿緊固在一起。利用分段式取芯鉆頭可實現(xiàn)的切削速度主要取決于金剛石在切割段內的排列設置。在分層的構造中，金剛石顆粒的排列設置可受金剛石層的數量、金剛石層之間的間距和金剛石顆粒的尺寸的影響。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于，在封閉的鉆環(huán)體上使用置入金剛石顆粒的工藝，并且提高利用這樣制作的鉆環(huán)體所能達到的加工質量。

這個目的在文首述及的用于制作取芯鉆頭用的封閉的鉆環(huán)體的方法中根據本發(fā)明通過獨立權利要求1的特征得以實現(xiàn)。在從屬權利要求中給出了一些有益的發(fā)展設計。

本發(fā)明的用于制作封閉的鉆環(huán)體的方法包括如下步驟：

■沿構造方向通過相繼地敷設粉末混合物的粉末層和具有以一定安置模式布置的金剛石顆粒的金剛石層在底面與上面之間分層地構造至少兩個生坯件，

■在壓力作用下將生坯件成型為環(huán)段，和

■將各環(huán)段組合成環(huán)形并在溫度作用下燒結成封閉的鉆環(huán)體。

本發(fā)明的方法包括三個使用不同工藝的方法階段。在第一方法階段中，分層地由含有粉末混合物的粉末層和具有金剛石顆粒的金剛石層構造多個生坯件。在“粉末混合物”的概念中概括了微粒狀的粉末混合體和?；姆勰┗旌象w；使用?；姆勰┗旌象w是用于體積的冷擠壓的前提條件。作為粉末混合物可以使用鐵粉、鈷粉和/或青銅粉；通過混入添加物諸如碳化鎢可以影響鉆環(huán)體的特性(耐磨性、使用壽命、切削性能)。另外，粉末混合物的成份對燒結溫度具有影響。在“金剛石顆粒”的概念中既概括了單獨的金剛石顆粒也概括了包封的或涂層的金剛石顆粒。

生坯件根據分層構造具有一個帶有多角基面的直棱柱體的幾何形狀。在第二方法階段中，在壓力作用下使棱柱形的生坯件成型為環(huán)段。在溫度低于粉末混合物熔化溫度的情況下進行生坯件的成型。在第三方法階段中，將各環(huán)段組合成環(huán)形并且在溫度作用下燒結成一個封閉的鉆環(huán)體。在燒結環(huán)段時一方面將各個環(huán)段壓實以及另一方面進行鄰接的環(huán)段之間的連接。

冷擠壓、熱擠壓以及類似的方法適合作為成型方法。在冷擠壓中，在高壓下使生坯件成為預定的形狀。在冷擠壓機中材料雖然變熱，但是成型在一定溫度范圍內進行，在該溫度范圍內不發(fā)生再結晶；材料發(fā)生變形，而強度不明顯下降。在也稱為模鍛的熱擠壓中，在高壓和添加熱量的情況下使生坯件成為其最終形狀。除了成形形狀，鍛件還改變了其材料結構；它變得更加結實并因此獲得了一種更加緊密的組織和一種均質的表面。

燒結是一種用于制作材料的工藝方法，在該工藝方法中將粉料或生坯件(經擠壓的粉料)加熱到低于熔化溫度的溫度，以便通過使各個粉末顆粒連接而提高強度。燒結過程分三個階段進行，在這些階段中生坯件的孔隙度和體積顯著下降。在燒結的第一階段中僅僅進行生坯件壓實，而在第二階段中敞開的孔隙度顯著減小。燒結體的強度以在第三階段中構成的燒結連接(粉末顆粒之間的熔化)為基礎，這種燒結連接通過粉末顆粒之間的表面擴散而產生。熱擠壓是一種特殊的燒結法，在該燒結法中除了溫度之外還使用外部壓力。

在本發(fā)明的方法中鉆環(huán)體不是構成為封閉的鉆環(huán)體，而是由兩個或更多通過燒結連接的環(huán)段組成。對于生坯件的分層構造，采用在制作用于分段式取芯鉆頭的切割段中的眾所周知的工藝。

在方法的一個優(yōu)選的變型方案中，由n(n≥1)個成型為第一環(huán)段的第一生坯件和n個成型為第二環(huán)段的第二生坯件構造鉆環(huán)體，其中第一和第二環(huán)段沿著鉆環(huán)體的圓周方向交替地相繼設置。由第一和第二生坯件制作鉆環(huán)體使得鉆環(huán)體與不同的、需加工的基底物的匹配成為可能。在具有置入的鋼筋的混凝土材料(也稱為加筋混凝土材料)的取芯鉆孔中，鉆環(huán)體例如碰在形式上為混凝土和鋼筋的不同的基底物上。

特別優(yōu)選，第一環(huán)段由第一粉末混合物和第一金剛石顆粒構造，而第二環(huán)段由第二粉末混合物和第二金剛石顆粒構造?？梢酝ㄟ^粉末混合物的選擇和金剛石顆粒的選擇實現(xiàn)使鉆環(huán)體與需加工的基底物的匹配。在粉末混合物中材料的成份可以變化；在金剛石顆粒中平均的金剛石直徑、金剛石分布和金剛石顆粒數量可以變化。

在方法的一個備選的優(yōu)選變型方案中，由2n(n≥1)個相同的生坯件構造鉆環(huán)體，其中使n個生坯件在壓力作用下以凸形彎曲成型為第一環(huán)段并使n個生坯件在壓力作用下以凹形彎曲成型為第二環(huán)段。通過使用相同的生坯件可以在生坯件的分層構造中降低設備支出；只需要一種粉末混合物和一個種類的金剛石顆粒。

特別優(yōu)選，生坯件的上面在第一環(huán)段中設置在外側上，而在第二環(huán)段中設置在內側上，其中第一和第二環(huán)段沿著鉆環(huán)體的圓周方向交替地相繼設置。由于環(huán)段的不同的彎曲，可以由相同的生坯件制作兩種不同的環(huán)段。生坯件在上面上具有一層金剛石層，該金剛石層在第一環(huán)段中設置在外表面上，而在第二環(huán)段中設置在內表面上。

特別優(yōu)選如此地設定金剛石層的數量和金剛石顆粒的尺寸，使得金剛石顆粒的平均金剛石直徑為鉆環(huán)體寬度與金剛石層的數量的商的至少45％。金剛石顆粒在加工作業(yè)時畫出的、圓形的切削軌跡盡可能相互接界并且鋼筋幾乎完全由金剛石顆粒切削已經證實有利于對加筋混凝土材料的加工。在金剛石顆粒的數量相同的情況下，可以通過交替地設置使金剛石顆粒在加工時產生的切削軌跡的數量翻倍。

生坯件根據分層構造具有一種帶有多角基面的直棱柱體的幾何形狀。矩形基面、五角形基面和六角形基面適合作為所述多角基面。

在第一變型方案中，生坯件由具有矩形基面的粉末層構造。矩形基面是用于由多個環(huán)段制作鉆環(huán)體的最簡單的幾何形狀。環(huán)段在側邊緣上與鄰接的環(huán)段連接。

在第二變型方案中，生坯件由具有五角形基面的粉末層構造，其中所述基面具有矩形和帶有兩個內直角的梯形。在傾斜的梯形的腰的區(qū)域內在與鄰接的環(huán)段燒結時產生一個水槽。利用這樣的五角形基面，在具有2n(n≥1)個環(huán)段的鉆環(huán)體中產生n個水槽。

在第三變型方案中，生坯件由具有六角形基面的粉末層構造，其中所述基面具有矩形和等腰梯形。在傾斜的梯形的腰的區(qū)域內在與鄰接的環(huán)段燒結時產生水槽。利用這樣的六角形基面在具有n(n≥2)個環(huán)段的鉆環(huán)體中產生n個水槽。

特別優(yōu)選將梯形的高度設定在生坯件的總高度的1/3與5/6之間。在與鉆桿焊接在一起的鉆環(huán)體中，連結區(qū)域構造為無金剛石的并且不適合于加工。設置有金剛石顆粒的、構成生坯件的總高度的約5/6的基質區(qū)適合于加工基底物。特別優(yōu)選將梯形的高度設定在生坯件的總高度的2/3上。在占比為總高度的2/3的情況中可以保證成品鉆環(huán)體的充分的強度。在利用鉆環(huán)體加工期間必須將冷卻液運送到加工位置；所以將水槽盡可能長地構造在鉆環(huán)體內。

在一個優(yōu)選的發(fā)展設計中，環(huán)段在燒結時經受溫度和壓力作用處理。在利用溫度和壓力作用的燒結法中，如熱擠壓，比在無壓力作用的燒結法中，如自由燒結，更快且在更低的溫度中進行燒結。由于在600℃時已經出現(xiàn)金剛石熱損害，所以較低的燒結溫度可能是質量上的優(yōu)點。

特別優(yōu)選，環(huán)段通過壓力作用在燒結時經受附加的外部造型處理。特殊的屋頂形(dachform)已經證實適合于加工不同的基底物?？梢酝ㄟ^燒結時的壓力作用產生這種屋頂形。

附圖說明

下文借助附圖來說明本發(fā)明的一些實施例。該附圖并非必須按比例繪示各實施例，具體而言，附圖為了有助于闡釋，是以示意性的和/或略微變樣的形式進行說明的。對于由附圖能夠直接看出的教導的補充，可參閱相關的現(xiàn)有技術。同時應該考慮到，針對某一實施形式的方式和細節(jié)可以進行各種各樣的變型和改變，而并不脫離發(fā)明的總的思想。在說明書、附圖以及權利要求書中所公開的發(fā)明特征，無論是它們本身單獨存在還是任意組合，對于本發(fā)明的進一步發(fā)展設計都可能是重要的。此外，說明書、附圖和/或權利要求書中所公開的特征的至少兩個的全部組合均落入本發(fā)明的范圍之內。本發(fā)明的總的思想并不局限于以下圖示的和描述的優(yōu)選實施形式的確切方式或細節(jié)，或者并不局限于一種與權利要求書中主張的方案主題相比是受到限制的方案主題。對于所給出的尺寸/數值范圍，應該認為也公開了處在所說極限內的值作為極值，并且可以任意插入使用以及可以提出權利要求。為了簡單起見，以下對于相同的或類似的部件或者具有相同或類似功能的部件均采用同樣的附圖標記。

附圖示出：

圖1為包括鉆環(huán)體、圓柱形鉆桿和夾裝段的取芯鉆頭；

圖2a至c為本發(fā)明的由四個環(huán)段構成的鉆環(huán)體的第一實施方式的三維圖(圖2a)、垂直于鉆環(huán)體的圓柱體軸線的橫截面(圖2b)和細節(jié)放大圖(圖2c)；

圖3為本發(fā)明的由四個具有水槽的環(huán)段構成的鉆環(huán)體的第二實施方式；

圖4a至d為由四個同樣的、具有六角形基面的生坯件制作圖3所示出的鉆環(huán)體(圖4a)，其中兩個生坯件成型為凹形的第一環(huán)段和兩個生坯件成型為凸形的第二環(huán)段(圖4b)，將第一和第二環(huán)段沿著圓周方向交替地相繼設置(圖4c)和在溫度和壓力作用下連接成一個封閉的鉆環(huán)體(圖4d)；和

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

具體實施方式

圖1示出了具有一個鉆環(huán)體11、一個圓柱形鉆桿12和一個帶有插接端部14的夾裝段13的取芯鉆頭10。該取芯鉆頭10經由插接端部14緊固在一個空心鉆機的工具夾頭中和在鉆探運行中由空心鉆機沿一個旋轉方向15圍繞一根旋轉軸線16驅動，其中旋轉軸線16與取芯鉆頭10的圓柱體軸線同軸地延伸。

鉆環(huán)體11與鉆桿12以熔焊、釬焊、螺接方式或者以其他適當的緊固方式緊固在鉆桿12上。為了能夠將鉆環(huán)體11與鉆桿12熔焊在一起，鉆環(huán)體11與鉆桿12之間的連接區(qū)域必須由一種可焊接的材料構成并且不允許含有金剛石顆粒，因為金剛石顆粒是不可焊接的。

圖2a至c示出了本發(fā)明的鉆環(huán)體21的第一實施方式，該鉆環(huán)體由多個環(huán)段構成和可以替代圖1的取芯鉆頭10的鉆環(huán)體11。在此，圖2a示出鉆環(huán)體21的三維圖，圖2b示出鉆環(huán)體21的垂直于旋轉軸線16的橫截面，以及圖2c示出圖2b的橫截面在兩個環(huán)段之間的連接區(qū)域內的局部。

鉆環(huán)體21由四個環(huán)段構成，這些環(huán)段在側邊緣上相互連接和沿圓周方向構成一個封閉的環(huán)(圖2a)。鉆環(huán)體21的環(huán)段能夠分成兩個第一環(huán)段22.1、22.2和兩個第二環(huán)段23.1、23.2，這些環(huán)段沿著鉆環(huán)體21的圓周方向交替地相繼設置。第一環(huán)段22.1、22.2由第一粉末混合物24和第一金剛石顆粒25組成，而第二環(huán)段23.1、23.2由第二粉末混合物26和第二金剛石顆粒27組成(圖2b)。

圖2c示出圖2b的橫截面在第一環(huán)段22.1與第二環(huán)段23.1之間的連接區(qū)域內的局部。第一環(huán)段22.1由一些第一粉末混合物24的m1粉末層和第一金剛石顆粒25的m1金剛石層構成。第二環(huán)段23.1由一些第二粉末混合物26的m2粉末層和第二金剛石顆粒27的m2金剛石層構成。在圖2的實施例中第一環(huán)段22.1具有m1＝3粉末層28.1、29.1、30.1和m1＝3金剛石層32.1、33.1、34.1和第二環(huán)段23.1具有m2＝3粉末層35.1、36.1、37.1和m2＝3金剛石層38.1、39.1、40.1。

金剛石層32.1至34.1的第一金剛石顆粒25設置在具有不同的第一曲率半徑r1i,i＝1，2，3的三個圓形的第一切削軌跡42.1、43.1、44.1上。金剛石層38.1至40.1的第二金剛石顆粒27設置在具有不同的第二曲率半徑r2i,i＝1，2，3的三個圓形的第二切削軌跡45.1、46.1、47.1上。用于第一和第二粉末混合物24、26的材料的選擇，用于第一和第二金剛石顆粒25、27的金剛石分布和金剛石尺寸的選擇和金剛石層和切削軌跡的數量m1、m2使得鉆環(huán)體21與不同的、需加工的基底物的匹配成為可能。

環(huán)段22.1、22.2、23.1、23.2分層地由三層粉末層和三層金剛石層構成。在分層的構造中將粉末混合物填充到一個陰模中并構成第一粉末層。將金剛石顆粒以一定安置模式作為第一金剛石層放置在第一粉末層上或內。為了將層構造壓實，可以在放置金剛石顆粒之后進行一個中間加壓。接著將粉末混合物填充到陰模中并構成第二粉末層。將金剛石顆粒以一個安置模式作為第二金剛石層放置在第二粉末層上或內。重復這個過程，直到達到生坯件的所期望的結構高度為止。作為最后層使用一層金剛石層。

圖3示出了本發(fā)明的鉆環(huán)體51的第二實施方式，該鉆環(huán)體由四個環(huán)段組成并且可以替代取芯鉆頭10的鉆環(huán)體11。在環(huán)段之間構造有四個水槽51.1、52.2、52.3、52.4，經由這些水槽將冷卻液運送到加工位置。環(huán)段如此地設置，即鉆環(huán)體51在內側53上和在外側54上交替地具有一個配備金剛石的區(qū)域55和一個無金剛石的區(qū)域56。

水槽52.1至52.4在鉆環(huán)體51的總高度的約2/3的高度上延伸。為了保證在水槽52.1至52.4磨損時鉆環(huán)體51的功能作用，兩個環(huán)段具有一個孔57.1、57.2，經由這些孔將冷卻液運送到加工位置。

圖4a至d示出了由四個相同的、具有六角形的基面(圖4a)的生坯件61制作鉆環(huán)體51。兩個生坯件61成型為凹形的第一環(huán)段62和兩個生坯件61成型為凸形的第二環(huán)段63(圖4b)。將第一和第二環(huán)段62、63沿著鉆環(huán)體51的圓周方向交替地相繼設置(圖4c)和在溫度和壓力作用下燒結成一個封閉的鉆環(huán)體(圖4d)。

圖4a示出了生坯件61的構造，該生坯件分層地由粉末混合物64的粉末層和金剛石顆粒65的金剛石層制成。生坯件61包括一個也稱為根部區(qū)的連結區(qū)域66和一個也稱為基質區(qū)的加工區(qū)域67。連結區(qū)域66和加工區(qū)域67可以共同分層地構造，其中在連結區(qū)域內不置入金剛石顆粒56。作為備選方式，連結區(qū)域可以制作成單獨的區(qū)域和在燒結時與加工區(qū)域連接。

生坯件61的基面構造為六角形的并且包括一個矩形68和一個接界的等腰梯形69，其中生坯件61的連結區(qū)域66位于矩形68中。在梯形的腰的區(qū)域內，在燒結時通過附加的壓力作用構造水槽52.1至52.4，經由這些水槽將冷卻液運送到加工位置。生坯件內的梯形69的高度h確定水槽52.1至52.4的高度。在實施例中梯形69的高度h相當于生坯件61的總高度h的一半。

圖4b示出了由圖4a的生坯件61在壓力作用下制成有一個凸形的彎曲的第一環(huán)段62和由圖4a的生坯件61在壓力作用下制成有一個凹形的彎曲的第二環(huán)段63。在第一環(huán)段62中，生坯件61的構造為金剛石層的上面設置在外側54上，而在第二環(huán)段63中生坯件61的上面設置在內側53上。

第一環(huán)段62具有第一和第二側邊緣71、72，這些側邊緣在燒結時與第二環(huán)段63的第一和第二側邊緣73、74連接。在此，第一環(huán)段62的第一側邊緣71與第二環(huán)段63的第二側邊緣74連接，而第一環(huán)段62的第二側邊緣72與第二環(huán)段63的第一側邊緣73連接。在具有兩個第一和第二環(huán)段62.1、62.2、63.1、63.2的鉆環(huán)體51中分別將鄰接的環(huán)段的第一與第二側邊緣相互連接。

圖4c示出了第一環(huán)段62.1、62.2和第二環(huán)段63.1、63.2，這些環(huán)段沿著鉆環(huán)體51的一個圓周方向交替地相繼設置。環(huán)段62.1、63.1、62.2、63.2構成一個封閉的鉆環(huán)體和在圖4c示出的排列中在一個熱壓機中得到繼續(xù)加工。圖4d示出了熱沖壓之后的封閉的鉆環(huán)體。在熱沖壓中環(huán)段62.1、63.1、62.2、63.2經受溫度和壓力作用處理。溫度作用是用來將粉末混合物燒結成環(huán)段并將環(huán)段在側邊緣上相互連接。通過沿軸向方向，就是說，平行于鉆環(huán)體的旋轉軸線的壓力作用實施對環(huán)段的壓縮，該壓縮導致環(huán)段的壓實。在一個確定鉆環(huán)體的最終形狀的陰模中進行熱沖壓。

鉆環(huán)體在本發(fā)明的方法中由多個成型為環(huán)段和燒結成一個封閉的鉆環(huán)體的生坯件構成；多角的基面適合作為生坯件的幾何形狀。圖5a至c示出了具有一個矩形基面的生坯件81(圖5a)，具有一個五角形基面的生坯件82(圖5b)和具有一個六角形基面的生坯件83(圖5c)。

生坯件81的矩形基面84是用于由多個環(huán)段制作鉆環(huán)體的最簡單的幾何形狀。在圖5a的實施例中，為了制成一個封閉的鉆環(huán)體使用三個相同的生坯件81.1、81.2、81.3。

生坯件82的五角形基面能夠分成一個矩形85和一個具有兩個內直角的梯形86。在傾斜的梯形的腰的區(qū)域內在與鄰接的環(huán)段燒結時產生一個水槽87。利用這樣的五角形基面，在一個具有2n(n≥1)環(huán)段的鉆環(huán)體中產生n個水槽87。

生坯件83的六角形基面能夠分成一個矩形88和一個等腰梯形89。在傾斜的梯形的腰的區(qū)域內在與鄰接的環(huán)段燒結時產生水槽90。利用這樣的六角形基面，在具有n(n≥2)個環(huán)段的鉆環(huán)體中產生n個水槽90。