切削截齒刀具的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有支承在硬質(zhì)合金支撐體處的金剛石復合材料基的切削刀頭的截齒刀具，且具體地、但不是排它性地涉及截齒刀具，其中切削刀頭和支撐體之間的安裝區(qū)優(yōu)化成使切削刀頭和支撐體在使用過程中的應(yīng)力集中及疲勞最小。
【背景技術(shù)】
[0002]已開發(fā)了用于包括采礦、挖溝、挖隧道、基礎(chǔ)鉆探、道路挖掘等的各種具體應(yīng)用的巖石切割和挖掘機。通常，呈可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)筒或鉆頭形式的驅(qū)動本體包括多個可更換的切削頭，所述切削頭提供與材料或礦面接觸的點。
[0003]術(shù)語“切削頭(cutting bit) ”通常是指尖銳或鑿子狀的切削刀具，該切削刀具用于通過穿透巖石表面并沿巖石表面刮削來切割巖石。也稱為“截齒(pick) ”、“拖拽刀具”或“切削刀具”的刀具通常包括鋼制柄部，該鋼制柄部設(shè)有可由碳化鎢、多晶金剛石復合材料(PDC)或碳化硅金剛石(SCD)復合材料制成的切削刀頭。
[0004]在一個實施方式中，移動采掘機包括具有刀頭夾具的旋轉(zhuǎn)切削刀頭，該刀頭夾具用于安裝并定向切削頭，以便在所需的“攻角”下撞擊巖石。切削頭具體布置在旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)筒上，以協(xié)配地工作并一個接著一個，以有助于巖石通過最小能量輸入破碎。
[0005]已有很多不同工藝和布置被提出，用于超硬金剛石切削刀頭與切削刀具的柄部的附連。如應(yīng)該理解的，要求金剛石復合材料和刀具支撐體之間的結(jié)合足夠得強，以承受在反復和連續(xù)切削操作的過程中通過刀具傳遞的巨大的力。在某些情況下，刀頭可通過銅焊或釬焊直接與截齒本體結(jié)合。WO 93/25795、WO 01/88322、US 2006/0272790和WO2011/089117公開了切削刀具，其中金剛石復合材料刀頭通過銅焊與支撐體結(jié)合。在GB2493282中描述了替代結(jié)合方法，在GB 2493282中，P⑶復合材料刀頭通過在超高壓力和溫度下將兩個部件“壓”到一起而與支撐體熔合。
[0006]然而，傳統(tǒng)布置和組裝方法未優(yōu)化成允許切削刀具方便、有效且經(jīng)濟地制造，同時提供在切削過程中可承受巨大載荷和應(yīng)力以確保切削刀頭不會從刀頭夾具中脫落的刀具。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是提供一種切削截齒刀具和一種制造切削截齒刀具的方法，在該切削截齒刀具中，超硬切削刀頭通過刀頭的優(yōu)化安裝而高效并有效地固定在支撐體處，以承受在循環(huán)切削作用過程中遇到的巨大載荷和應(yīng)力。另一特定目的是提供一種截齒刀具，該截齒刀具經(jīng)濟高效地制造且不需要超高壓力和溫度，而不損害刀具的部件之間的結(jié)合強度。
[0008]另一具體目的是提供一種使金剛石基復合材料的量最小同時保持刀具有效承受在切削過程中的刀頭內(nèi)的壓縮力、拉力、剪切力和應(yīng)力的切削刀具。
[0009]各個目的通過提供一種截齒刀具實現(xiàn)，在該截齒刀具中，超硬金剛石基復合材料，通常是碳化硅金剛石(SCD)，通過凹凸聯(lián)接布置結(jié)構(gòu)與硬質(zhì)合金支撐體結(jié)合。硬質(zhì)合金支撐體形成為復合材料，在該復合材料中，硬質(zhì)合金顆粒表示聚集體，且金屬粘合劑提供封裝這些顆粒的基體。
[0010]具體地說，硬質(zhì)合金支撐體包括凹槽，所述凹槽具有被優(yōu)化成允許互補狀SCD刀頭提供牢固和有效座置的形狀和構(gòu)型，而且通過銅焊層結(jié)合這兩個部件。較佳地是，銅焊層包括與復合材料支撐體不同的金屬粘合劑材料?？蛇x地，銅焊層可包括與復合材料支撐體相同的金屬材料。支撐體凹槽和刀頭的向后突出的安裝部包括互補圓錐形部分，該互補圓錐形部分緊密接觸地抱在一起，使得大約一半或剛好不到一半量的切削刀頭容納在凹槽內(nèi)。圓錐形交界面或邊界區(qū)域特別有利于使刀具撞擊巖面時由撞擊力產(chǎn)生的應(yīng)力集中最小化并承受可促進刀頭分離的橫向(或側(cè)面)載荷力。
[0011]根據(jù)具體實施例，通過限定凹槽的側(cè)壁相對于刀具的縱向軸線和/或凹槽的基底表面或槽底的具體角度定向，提供并且/或者加強了刀具強度以及承受載荷力的有效性。因此，防止切削刀具由于側(cè)面撞擊載荷力沿垂直于切削刀具的縱向軸線對齊的軸線旋轉(zhuǎn)。圓錐形側(cè)壁的相對深度和角度優(yōu)化成不損害支撐體的完整性并使否則可能由角形凹槽形狀輪廓產(chǎn)生的應(yīng)力集中最小化。
[0012]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種切削截齒刀具，該切削截齒刀具包括:包含金剛石復合材料的切削刀頭，刀頭具有軸向向后延伸的安裝部；具有軸向前區(qū)和安裝在鋼制截齒本體處的軸向后區(qū)的硬質(zhì)合金支撐體；支撐體具有從前區(qū)軸向向后延伸的凹槽，安裝部被接納并配合在凹槽內(nèi)；其特征在于:凹槽由圓錐形側(cè)壁限定，該圓錐形側(cè)壁在從前區(qū)到后區(qū)的方向上且朝中心軸線徑向向內(nèi)漸縮；安裝部具有座置在凹槽內(nèi)的互補截頭的圓錐形輪廓。
[0013]可選地，凹槽在刀具的軸向方向上的軸向深度D處在支撐體的總軸向長度的20-30%的范圍內(nèi)。這種布置有利于通過去除材料以形成凹槽而在不損害或弱化支撐體的情況下，提供刀頭機械固定在支撐體的期望水平。
[0014]較佳地，側(cè)壁相對于中心軸線徑向向內(nèi)漸縮的角度在10-70°、20_40°或25-35°的范圍內(nèi)。這種布置提供了刀頭“楔”在支撐體內(nèi)的效果，使得側(cè)壁相對于平面基底表面的角度設(shè)置防止刀頭在使用過程中被刀頭遇到的橫向載荷力偏轉(zhuǎn)。側(cè)壁的角度還優(yōu)化成保持直接包圍刀頭的支撐體的結(jié)構(gòu)完整性，使得支撐體不會由于載荷力和應(yīng)力而破裂。相當可觀體積的支撐體材料因此存在于刀頭的向后安裝部周圍。
[0015]可選地，刀頭的前區(qū)包括穹頂形頂端且是由圓錐表面限定的大致圓錐形，圓錐表面相對于軸線的角度至少等于或大于凹槽的側(cè)壁相對于軸線徑向向內(nèi)漸縮的角度。頂端的形狀輪廓優(yōu)化成提供切削而不損害刀頭的結(jié)構(gòu)完整性，從而不會令人不快地縮短刀具的運行壽命。圓錐表面與凹槽的側(cè)壁漸縮的角度的相對的角度對準構(gòu)造成優(yōu)化刀頭固定在支撐體內(nèi)的強度并確保相當可觀體積的刀頭暴露且從支撐體的最前端區(qū)域向前突出。由于基本上所有切削作用都由刀頭提供，因此支撐體的最前端區(qū)域與刀頭的頂端的軸向分離使支撐體處的磨損最小化。
[0016]可選地，側(cè)壁的向后端部終止于基本上平面的基底表面?；妆砻娲怪庇诳v向軸線對齊且這有利于提供刀頭的牢固安裝并優(yōu)化刀頭在支撐體處的機械鎖定。限定凹槽的基底表面的相對于凹槽側(cè)壁的角度對準優(yōu)化成提供刀頭的牢固安裝并增加刀頭安裝部和凹槽的配合表面之間的表面面積接觸。平面基底表面與凹槽的側(cè)壁配合防止了刀頭在切削過程中由于軸向和橫向載荷力而脫落。
[0017]較佳地，側(cè)壁的后端和基底表面之間的環(huán)形接合部被彎曲，以提供沒有邊緣或尖角部分的從側(cè)壁到基底表面的逐漸過渡。彎曲接合部有利于使在支撐體的該區(qū)域處的應(yīng)力集中最小化而不損害刀頭的機械固定。
[0018]有利地，刀具包括位于切削刀頭和支撐體之間的結(jié)合銅焊層。刀具還包括位于支撐體和鋼制截齒本體之間的結(jié)合銅焊層。銅焊材料是金屬的且可以是形成硬質(zhì)合金支撐體的基體的不同材料。或者，可采用不同于硬質(zhì)合金基體的金屬材料。刀頭和支撐體之間以及可選的支撐體和鋼制截齒本體之間的結(jié)合銅焊層用于提供刀具的各部件的牢固附連并避免過早脫開。銅焊層優(yōu)于以下替代附連方法，在這些方法中，刀具的各個部件在原位共同形成。利用銅焊層使刀頭、支撐體和截齒本體可單獨構(gòu)造，刀頭、支撐體和截齒本體可接著方便組裝起來以形成復合刀具。
[0019]可選地，刀頭的55-65%從支撐體軸向向前突出。這一量的軸向向前突出的刀頭有利于使刀頭的切削作用最大化同時提供刀頭與支撐體的足夠堅固耐用的機械附連。
[0020]可選地，限定刀頭前區(qū)的外部表面與限定支撐體前區(qū)的外部表面基本上共面對齊。這種布置有利于提高支撐體和刀頭之間的無縫過渡并因此避開可“卡住”巖面且導致刀具加速磨損的刀具區(qū)域。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制造切削截齒刀具的方法，該方法包括:將金剛石復合材料形成為切削刀頭，刀頭具有軸向