改进的分段式切割工具 【发明背景】
本发明涉及切割头切割工具。这种工具包括一主体以及固定于该主体的多个切割头，这些切割头包含进行切割的磨料成分。本发明所涉及的大多数普通切割工具是空心钻头、金刚石锯片和分段式轮。本发明可应用于所有这些工具，在这些工具中，切割动作是由安装在主体上的各切割头来完成的。
空心钻头可用来在诸如岩石层或混凝土件的很硬的材料中钻孔。钻头包括一圆筒形钢体，其一端用来安装于一钻机，在圆筒体的另一端的环状边缘上设置多个间隔开的完成切割功能的切割头。
分段式轮和金刚石锯片包括一金属圆盘，围绕该圆盘的圆周上固定有多个间隔开的切割头以提供切割装置。
切割头包含分散在金属结合剂中的磨料颗粒，这些切割头最常用的是通过焊接连接到主体上。通常切割头的形状基本上是矩形，其一长边缘焊接于主体。在空心钻头中，“矩形切割头”沿其长度弯曲成弓形，使长边缘的形状与其上连接切割头的圆筒形主体的环状边缘一致。因此，各切割头突出于主体的尺寸为它们的宽度大小。这些切割头地厚度传统上是与其上连接切割头的主体的边缘厚度相同或稍大。
在一分段式轮或金刚石锯片中，矩形切割头也被弯成弓形，但在这种情况下，切割头以这样一种方式弯曲，即使切割头的长边缘与要连接切割头的圆盘边缘曲率一致。
切割头的数量和它们在其上连接切割头的主体的边缘周围的间距可以有些变化，这取决于主体的尺寸和用途。但一般来说，对于直径约从50mm至500cm的空心钻头，可使用2个直至数百个左右的切割头。较小或较大直径的钻头可分别使用数量较少或较多的单独切割头。分段式轮根据轮子的直径可有8至数百个的切割头。这种轮子的直径一般在10cm以上。
磨料可以是那些通常用于这种用途的任何一种，根据被切割的材料的硬度来选择磨粒。因此，粒子可以是氧化铝、碳化硅、碳化钨或诸如金刚石或立方氮化硼(CBN)的超硬磨料。虽然超硬磨料中可掺有价格较低的磨料颗粒，但通常以超硬磨料为佳。磨料一般在金属结合剂中，在切割头采用颗粒之前可用诸如镍等金属涂覆于颗粒以增加磨料与结合剂之间的粘附力。
使用空心钻头的问题之一是要确保所钻孔的外侧口径保持不变。这是因为切割头边缘的磨损比切割头中部的磨损要快，使得切割运行变慢，效率下降。这会导致所钻的孔的外口径变宽，当所钻的材料的硬度变化不一时，这又会导致所需的钻孔方向偏移。
这个问题的典型处理方法是，沿切割头的两侧形成较高浓度的磨料，使切割头的外表面较硬。这些常称作“夹层切割头”。硬度的差异在切割表面形成一轮廓，该轮廓提供钻头的自动对中。但这种解决方法仅仅部分有效，那是因为总切割速度常常会显著下降，或工具寿命显著缩短。现在发现用本发明新颖的工具设计，能以一令人惊讶的方法切割，可较大程度地提高切割效率。这种设计不仅提供了较快的切割，在一些实施例中还显示出提供了较长的使用寿命，和/或提供一确保所钻的孔是直的的有效自动对中的机构。
发明总说明
本发明包括一切割工具，该切割工具包括一主体，主体安装有多个切割头，每一切割头具有在切割过程中垂直于工件的表面的平行的第一和第二外表面，所述切割头间隔固定于工具的一圆周边缘上以提供一切割装置，其中切割头的平行外表面的一部分硬化，而其它部分保持不硬化。切割头最好如此设置在主体上，即从主体的任一侧看，各切割头在主体圆周周围呈现出一硬化和非硬化表面的顺序。这是因为一切割头的一侧全部被硬化，在每一个或一组这样的切割头之后，出现一个或一组具有没有硬化的表面的切割头。或者，各切割头的所有侧面均设置有硬化和非硬化表面区域的条块，这些条块最好基本上垂直于切割头的长度。每一侧上的条块数量可以是一个或多个(硬化的和非硬化的)。
在本发明的一简单形式的切割工具中，在切割工具圆周周围的约半各切割头的整个侧表面被硬化，另一半则在相反的表面被硬化，使得从该工具的任何一侧看，这些侧面的一半硬化，一半未硬化。硬化侧与未硬化侧可交替出现，也可成组出现。
当结合一侧硬化的各切割头来说明本发明时，根据硬化侧是在空心钻头的内侧还是在外侧，这些切割头以下称为“内侧”(硬化)切割头或“外侧”(硬化)切割头。转换到分段式轮的角度来看，“内侧”和“外侧”应理解为指分别暴露在轮子的第一侧和另一侧的切割头表面。这是为了简化起见，并不意指本发明限于这种结构，或偏向于这种结构。
具有这种硬化款式的各切割头连接于一空心钻头，并且交替成每个内侧切割头在两外侧切割头之间，但往往更希望的是使各切割头成组分布，使得在空心钻头的切割表面周围依次有四个或五个(例如)内侧切割头，接下来是类似数量的外侧切割头。但每一组中切割头的数量不是实施本发明的关键，而一较佳的排列是，圆周的一半左右是内侧切割头，圆周的其余部分是外侧切割头。在不脱离本发明基本精神的情况下，还可以插入一些两侧都未硬化的切割头。
在切割工具具有内侧硬化切割头和外侧硬化切割头的情况下，切割工具边缘周围的各种切割头的数量最好大致相等，可以理解的是，这允许固定到主体上的切割头是使一类的数量比另一类的数量多一个的单数个，乃至是其中一类的数量比另一类的数量多两个的双数个。同样，如果切割头表面仅仅部分硬化，则在轮子周围的被硬化的切割头表面总面积最好与未硬化的切割头表面总面积大致相等。但应予以理解的是，侧面的硬化部分全部在内侧表面或更好的是全部在外侧表面的工具也在本发明范围之内。
发明的详细说明
如上所示，以上描述的切割头可用于空心钻头，也可用于金刚石锯片和其它分段式切割轮。这些在主体上的切割头的差异仅仅在于它们的结构形状和取向，那是因为切割头的连接边缘必需与其上连接切割头的主体圆周的曲率一致。交替的硬化侧面或侧面的硬化部分与具有未硬化的相同侧面或一侧上的未硬化部分、并单个地或成组地在轮子圆周周围的切割头都是同样较佳的款式，都可用于上述那样的工具。
代之以交替的诸硬化侧面(单一地或成组地)，可以只用一部分，例如在切割头的每一侧面上硬化二分之一侧使交替更频繁地出现。在这样一种排列中，提供如下一种切割头表面常常是较佳的，即划分切割头表面，使一端硬化而另一端未硬化，并使这种款式在切割头的相对表面反过来。这种排列如附图中的图3和4C所示。或者，硬化部分是如图4F和4G所示的若干条块。
硬化使表面坚固，并使切割头的硬化部分更流畅地切割，在工作期间磨损较显著地下降。对于某些不完全了解的原因，这经常引起钻头自动对齐，更多的切割能量引入切割表面，而不损失在被钻孔的侧面的拖动上。此外，在任何给定时刻的切割表面面积减少了，而每单位面积上的力增加了，从而使切割既较流畅又较快。
可通过在硬化表面区域提供具有浓度较高的磨料颗粒的切割头来硬化表面。切割头通常是由磨料颗粒和提供结合剂的金属粉末的混合物模制而成。这种混合物既可以在模具中加热，也可以刚好在把它装入模具之前加热。一典型的模具包括一筒体和两根柱塞件，当模具闭合以形成切割头的侧面时，它们被推动在一起。如果切割头是用于一空心钻头，则弯曲柱塞表面，使它与切割头配合在主体圆周上所需要的弯曲程度相对应。把一层磨料颗粒放在模具中，例如在金属/颗粒混合物加入模具之前把它放在一柱塞件的表面上，来方便地实现一侧的硬化。或者在切割头形成之后，把更多量的磨料颗粒钎焊或固定于待硬化表面。还可使用一种不同于切割头本体中的颗粒的颗粒来进行硬化。在这方面，使用氧化铝陶瓷颗粒尤其有利，那是由于这种颗粒所固有的硬度。业已发现氧化铝陶瓷丝状颗粒在切割头表面的硬化中特别有效。
如果切割头包括一种以上的颗粒，则可以只用其中的一种颗粒来硬化表面。由于其中一种通常是稀释颗粒，又由于它一般是较便宜的，所以选定的一种最好是稀释剂。因此，例如在一种切割头中一超硬磨料混合有一种或是丝状磨料颗粒的形式或是具有不规则压碎形状的颗粒的氧化铝陶瓷颗粒，则优先用来硬化表面的颗粒是氧化铝颗粒。对于这种混合物，在要被硬化的表面附近增加稀释颗粒的浓度、或把这种颗粒涂覆在如上所述的表面上就足够了。
用磨料颗粒硬化最好是用一种氧化铝陶瓷(ceramic alumina)来进行，诸如在描述氧化铝磨料颗粒可溶性凝胶制造的包括USPP4,623,364、4,744,802、4,788,167和4,881,971在内的专利中所描述的氧化铝陶瓷。特别好的是在USPP5,194,072和5,201,916中描述的氧化铝丝状磨料颗粒可溶性凝胶(sol-gelalumina fialmentary abrasive grits)。
还有一个硬化技术是在提供定为与硬化表面相对的未硬化的表面的一部分切割头中至少去掉相当比例的磨料。这种方式例如如图4D所示。这种切割头是这样制成的，以其第一次装到模具中的混合物中的磨料成分比第二次装的磨料成分多或少的两次装料工艺形成切割头。
还可这样沿一表面来硬化切割头，即在该表面上使用一较硬的结合剂材料。但必须当心，以确保切割头不会因这种成分的改变而会降低结构的整体性。此外，一表面可被软化，使未软化侧相比之下比较硬。
附图
图1是一包括多个切割头的空心钻头的立体图。通过硬化表面中的阴影示意性地示出增加的磨料浓度。
图2是一具有如图1所示的硬化切割头的分段式刀片的立体图。
图3示出一平行于一分段式轮的切割头切割表面截取的横截面，各侧的相对端通过一磨料颗粒涂层来硬化。
图4A至4H示出各种能用来实施本发明的切割头设计，所示的切割头以简化形式示为矩形块。在每一种情况中，阴影部分表示磨料浓度比未出现阴影部分(可代表低至零的浓度)的磨料浓度大的区域。当然，这种阴影部分的表面是硬度较高的表面。呈点刻状的表面是那些经过诸如在其上沉积一层磨料颗粒的表面处理的已硬化的表面，因此其硬度比光滑表面高。
较佳实施例的说明
下面结合例子来描述本发明，这些例子仅仅是为了举例说明本发明，而不是用来限制本发明的范围。
例子1
在该例子中，用根据本发明制造和放置的各切割头制备了一空心钻头。将该钻头与除各切割头的一侧没有硬化之外设计完全相同的另一空心钻头相比较。通过并列测试来比较两钻头的性能。
在每一种情况下，所用的结合剂是一重量百分比为70/30％的钴/青铜的混合物，研磨用砂粒是来自DeBeers的SDA100+级的30/40目的金刚石。切割头中的金刚石量定在体积的10％。由这种结合剂/砂粒混合物制成的切割头有一个3mm的切口(kerf)，切割头的长度为24mm。九个这样的切割头被钎焊至一主体上以形成一传统的10.1cm直径的空心钻头。
把经过改变的各切割头钎焊到同样类型的主体上，以制成一类似的空心钻头(用本发明的经过改变的切割头)。在把前述的同样的结合剂/金刚石砂粒加到用来浇铸切割头的模具中之前，先把分布有36粒度的氧化铝丝状磨料颗粒的可溶性凝胶薄层放在该模具的一表面上。把磨料加到附图中的图4F所示的条块中。以这种方式制成内侧切割头和外侧切割头。
切割头浇铸时，使四个切割头的内表面具有氧化铝涂层，五个切割头的外表面具有氧化铝涂层，总共制成九个切割头。这九个切割头被钎焊到一与用来生产上述传统钻头的相同主体上。内侧涂覆的各切割头顺序定位在围绕主体的圆周上，而后外侧涂覆的各切割头也顺序地定位在围绕主体的圆周上。其结构形状基本上如图1所示。在该附图中，围绕主体1的端部等间距地焊有九个切割头2以提供切割表面。标记为2A的五个切割头的外侧条状硬化，而标记为2B的四个切割头的内侧条状硬化。
然后用该两空心钻头在佐治亚州花岗石固化混凝土中钻孔，该混凝土中的每一孔中有一1.6cm的钢加固杆。所用的钻机是以900rpm运转的、电流20amps的“Clipper”(诺顿公司的注册商标)双速钻机。在每一孔中的加固杆被完全切割穿。每一根钻头钻八十个10cm深的孔，计算每第五个孔的切削时间并定出切削的总平均速度(厘米/分钟)。从而定出钻孔所造成的各切割头的磨损量(每毫米磨损量切割多少米)。结果如下：
贯入速度 磨损性能
对照物 6.1cm/min 2.8M/mm
本发明 9.0cm/min 5.64M/mm
因此，本发明钻头优于传统的钻头，其寿命提高了96％，钻孔速度提高了48％。
例子2
本例子是用于一分段式轮而不是用于如例子1中所用的空心钻头，它显示出本发明的优点。
图2示出了这样一种分段式轮，图中示出一金属圆盘形式的主体11，在该主体上有用激光焊到轮子外圆周上的多个间隔的切割头12，每一切割头的一个表面上，用完全如例子1所描述的磨料颗粒涂层来硬化。硬化的表面排列成组，使得四个顺序排列的标记为12A的被涂覆的切割头的硬化表面面对读者，接下来四个标记为12B的被涂覆的硬化表面在背离读者的相反侧，并依此类推地围绕在轮子的圆周上。
但在此例子2中实际使用的轮子的涂覆排列稍微有些不同。每一切割头的每一侧被涂覆部分只有一半，使得一侧上的左半部分涂覆，而另一侧是相对端部分涂覆。这样形成的切割头具有如图3所示的横截面。该横截面的截取通过切割头体并平行于切割表面的切线。切割头3的相对两侧的相对两端上有涂覆层4。
在例子2中所使用的轮子是35.6mm的轮子。每一个有21个切割头钎焊到主体上，在每一个轮子中的每一切割头都是相同的。在每一个轮子中，结合剂是一种70/30的钴/青铜混合物，所用的金刚石是体积浓度为7.5％的、30/40和40/50目DeBeers的SDA85+级金刚石的对等混合物。每个切割头的长度为49.2mm，切口为3.2mm。
对照轮子的任何表面都没有硬化。本发明的轮子具有在图3中讨论的如上所述的有所改变的切割头。用与为了同样的用途而用在轮子1中的相同的分布有氧化铝丝状磨料颗粒的可溶性凝胶涂覆要硬化表面的一半以形成硬化。
然后用两个轮子在玫瑰红石英固化混凝土中切割一长为5英尺宽7.62cm槽。一闭环控制器把功率维持在一恒定的15千瓦。当然，这使切割速度有变化。轮子以2400rpm速度旋转。
以切割速度(以cm/min为单位)和被定义为切割的总横截面面积除以径向磨损并以每毫米(磨损的)多少平方米(切割面积的)为单位的磨损性能来报告结果。
切割速度(cm/min) 磨损性能(M2/mm)
对照物 105 6.27
本发明 107 7.75
因此，本发明轮子的切割速度与对照物的基本相同，但使用寿命较长，延长了17.1％。
例子3
在本例子中，比较本发明的空心钻头和标准空心钻头。标准(对照物)空心钻头具有均匀遍布切割头的超硬度磨料，切割头的表面没有硬化。本发明的空心钻头的各切割头的所有外表面都用在例子1中所使用的氧化铝陶瓷磨料颗粒来硬化。
在这两种情况中，结合剂是100％青铜，金刚石是35/40目DeBeers的SDA100+级的，并在切割头的体积中占8.75％。切割头有一个4mm的切口，切割头的长为24mm。九个切割头位于10.1cm直径的空心钻头主体的圆周上。
对于每一刀片，总数为20次的切割在一具有三根16mm的钢筋条的中硬度固化混凝土(5000psi)中被加工出一250mm的深度。每一次切割割穿全部的三个钢筋条。所用的钻机是以11amps电流、以600rpm旋转的Milwaukee2.2KW钻机。所得结果如下：
贯入速度 磨损性能
对照物 6.0cm/min 1.59M/mm
本发明 5.9cm/min 2.84M/mm
如所看到的那样，本发明的测试钻头的使用寿命提高了56％，而贯入速度没有什么改变。
例子4
在此例子中，用金刚石锯片来比较。锯片是35.6cm直径的在其主体圆周上有总数为21个的间隔开的切割头的金刚石锯片。
标准(对照物)锯片完全相同的各切割头上不规则地遍布有超硬度磨料颗粒(金刚石)。本发明锯片的金刚石颗粒仅仅位于切割头的一半厚度内，如图4D所示。在主体圆周上的各切割头是交替的，使得每一硬化侧位于两非硬化侧之间，反之亦然。
所用结合剂是一种70/30的钴和青铜的混合物，所用的金刚石是30/40目和40/50目Debeers的SDA85+级的金刚石的对等混合物。所提供的金刚石是切割头体积的7.5％。各切割头有一3.2mm的切口，切割头的长度为49mm。每个锯片用来切割玫瑰红石英固化混凝土。用各锯片以三种不同的输出功率水平切割7.62cm深、152.4cm长的割口。使用一以2400rpm运行的自动测试锯床。同样功率水平的对照物会导致其切割速度有所变化。结果如下面的表1所示。
表一 功率 对照物 本发明 切割速度(cm/min) 10KW 68 79 磨损性能(M2/mm) 10KW 11.39 6.76 切割速度(cm/min) 15KW 105 142 磨损性能(M2/mm) 15KW 6.62 3.24 切割速度(cm/min) 20KW 178 196 磨损性能(M2/mm) 20KW 1.07 0.74
因此，本发明的锯片在每个功率水平有一个较高的切割速度，并且当功率增加时，磨损性能的差异变小。
例子5
此例子显示：由于在空心钻头中的切割头侧面所选定的硬化其款式如图4G所示，所以钻头的使用寿命增加了。
除了在指定为“本发明”的一个钻头的切割头的侧面选择部分硬化之外，用相同数量和类型的切割头制成两个10.2cm直径的空心钻头。另一个钻头指定为“对照物”。
各切割头包括一钴/青铜混合物(80/20比例)和30/40目DeBeers的SDA100+品质的金刚石，该金刚石的量足以在切割头中提供10％的体积。每个切割头的长度为24mm，并有一3mm的切口。各空心钻头有九个切割头。本发明空心钻头的切割头中的每一侧上有三条条块被硬化，这三条条块以图4G所示形式垂直于切割头长度布置。把数条分布有粒度为36的氧化铝丝状磨料颗粒的可溶性凝胶加到每一切割头的两侧上来实现硬化。
用所述两个钻头来切割80次，其中头40次被认为用来钻头的“走合”。只测量最后40次的性能。对最后40次中每第五次切割的时间进行测定，并从而确定切割的总速度(或贯入速度)。用一测量装置来估计切割前后切割头的高度差，以获得磨损性能的估计值。
每次切割4英寸深，切割在佐治亚州花岗石固化混凝土中进行，该混凝土中的每一孔中有一15.9mm直径的钢筋条。钻机是一以90rpm运行的、20amps电流的“Clipper”的两速度钻机。
所得结果如下：
贯入速度 磨损性能
对照物 7.44cm/min 11.87M/mm
本发明 6.51cm/min 22.93M/mm
由此，与对照钻头相比，本发明钻头的使用寿命提高了93％，而贯入速度仅仅下降12.5％。
因此很显然，只要在空心钻头或分段锯片中的一些切割头的所有侧面上有选择地进行部分硬化，就能在工具的性能和使用寿命效率方面获得显著的好处。
例子6
在此实施例中，同时对两个10.2cm直径的空心钻头进行测定。一个钻头的切割头不经过硬化处理，而通过如图4A所示把分布有36粒度的氧化铝丝状磨料颗粒的可溶性凝胶放置在硬化的表面上使另一钻头中的切割头一侧(内侧或外侧)使之硬化，此外，每个钻头根据图1所示的设计构造。各切割头放在空心钻头的圆周周围，其中内硬化侧和外硬化侧如图1所示成组分布。
对于每一个切割头，所用的结合剂是铜和青铜的70/30体积百分比混合物，分布在切割头中的磨料是10％体积浓度的30/40目DeBeers的SDA100+级的金刚石。各切割头有一3mm的切口，切割头的长度是24mm。九个切割头间隔放置在空心钻头的圆周上。
用8amps电流并以600rpm运转的“Milwaukee”钻机在中硬度固化混凝土中钻30cm深的孔，在该混凝土的每个孔中有两根6.35mm钢筋条。计算每次切割的时间并确定总的切割速度。用一测量装置来测量切割前后的切割头的高度。
所得结果如下：
切割距离 贯入速度 磨损性能
对照物 5.4m 7.44cm/min 11.87(m/mm)
本发明 0.9m 6.51cm/min 22.93(m/mm)
与对照钻头相比，本发明钻头的使用寿命提高109％，而贯入速度仅下降2.3％。