喷吸钻系统 背景技术和发明内容
一些深孔钻系统例如枪孔钻、单管钻系统和双管钻系统为已知技术。这些深孔钻系统可以用于钻大深度-直径比的孔。
单管系统或STS系统可以用于钻大深度-直径比的孔，枪孔钻具有改善的钻入速度、孔尺寸精度以及准直度。同时，这些系统具有多种缺点，例如由于单个有效的切削刃而容易切削自身。这引起显著的应力。另外，这些系统可以利用耐磨垫，由于这种结构，其容易在切削过程中在成型孔的边缘上承受显著的力，从而耐磨垫容易引起孔硬化以及材料变脆。这可以称作孔的不良工作硬化。STS钻系统可以包括钻头、钻杆或管以及压力头。钻头可以拧在管上，管的内部与通过钻头的一个或多个孔口连通。操作时，压力头会使切削液位于管的外侧与孔壁之间。切削液伴随钻孔过程中产生的切屑可以通过钻头并向上通过管的中央排出。
STS需要切削液供应系统来提供压力高达1000磅每平方英寸(大约689.4千帕)或更大压力的一定体积的切削液。压力头将切削液引入管和孔壁之间。为了维持腔中的压力，压力头可以相对于被钻部件密封以产生防水密封。在一种密封实施例中，被钻部件可以具有围绕钻孔的平区以使压力头密封。
双管系统或DTS钻系统，还已知为喷吸器系统，基于与单管系统类似的原理。两种系统都可以利用筒体设计并通过内部排出切削液。DTS系统可以使用更小压力和体积的切削液。
DTS钻孔系统可以包含钻头、外管、内管以及转动或非转动机械连接。钻头可以拧在外管上，而内管与通过钻头的一个或多个孔口连通。内管和外管都由机械刀具连接器保持。切削液流过机械刀具连接器并在外管和内管之间。一部分切削液通过在内管壁上加工的文氏管狭槽在内部导入内管。其余的切削液到达切削刃以冷却和润滑刀具。通过文氏管狭槽转向的切削液在内管中产生低压区域，将切削液和切屑从切削刃通过钻头吸入内管。这种类似真空现象也可以降低50％或更高的切削液压力和体积。一些DTS系统的实施例可以用于直径大约0.75英寸(大约19毫米)或更大的孔。
用于STS和DTS钻系统的钻头可以包括螺纹刀具主体，具有切屑排出物入口，一个或多个切削刃以及一个或多个耐磨垫。现有技术的切削刃包括硬质钢切削刃或多个刀片。现有技术的钻头包含的切削刃很难更换或重新磨快，在切削刃磨坏后就丢弃了。
因此需要STS和DTS钻系统能够克服现有技术的这些和其它缺点。
公开了一种用于筒形杆的根据本发明一个实施例的钻头，该筒形杆具有内径和螺纹，所述钻头包括轴向主体，轴向主体具有通过第一端离开的导管。邻近第一端的螺纹与所述杆上的螺纹对应并将导管与杆的内径对准。从主体的外表面至导管设置有洞，以及邻近第二端的两个轴向近似平行延伸并错开的表面。刀片固定在所述两个错开表面之间，所述刀片包括：至少部分接触一个错开表面的第一面和至少部分接触另一个错开表面的第二面；邻近第一面和/或第二面的一个或多个切削刃；以及邻近一个或多个切削刃的钻唇。
【附图说明】
图1是本发明钻头的分解透视图；
图2是图1的钻头的侧面正视图；
图3是图1的钻头的透视图；
图4是图1的钻头的透视图，包括硬质合金覆层；
图5是图1的钻头的透视图，包括硬质合金耐磨垫；
图6是本发明钻头的另一实施例的透视图；以及
图7是本发明钻头的又一实施例的透视图。
【具体实施方式】
现在参照图1-7，说明根据本发明的钻系统的实施例。在图1-5中，示出了一种钻系统的实施例，具有钻头10，钻头10可以包括喷吸器支架主体12。操作时，喷吸器支架主体12和切削刀片14围绕通过钻孔中心线的旋转轴线转动。
如图1所示，切削刀片14可以是铲刀片，具有近似扁平多面体形状，包括第一面15、第二面16、第一侧17和第二侧18。切削刀片可以包括通过第一和第二面15、16的一个或多个安装孔19。切削刀片还可以包括自对中点20、切削刃22、钻唇24、腹板切削刃23、切削腹板26以及任选的一个或多个切屑分解器28。
切削刀片14可以包含切削刃22。刀片转动时切削刃22可以位于前缘。切削刀片14可以是近似对称形状，旋转轴线通过自对中点20。在该实施例中，刀片可以在刀片两侧都具有切削刃22。切削刃22可以大约自腹板切削刃23围绕自对中点20邻近第一面15朝向第一侧17延伸，从自对中点20邻近第二面16朝向第二侧18延伸，或二者都有。可以提供任何数量的切削刃来制造所需孔径。
至少一个钻唇24可以邻近一个或多个切削刃22设置。钻唇24可以具有能够产生卷曲金属切屑的几何形状，用于通过喷吸器支架主体12排出金属切屑。通过改变钻唇24的位置、尺寸和结构可以控制切屑的尺寸和形状。
至少一个切削腹板26可以邻近自对中点20设置，切削腹板26可以包括一个或多个腹板切削刃23。切削腹板26可以使切削刀片14尖端的材料剪切并形成可控切屑。一些现有技术地钻孔系统不在钻孔中心处机械切削材料(形成切屑)，由于钻尖中心处的低角速度而是挤出材料。切削腹板26可以在钻尖处形成切屑，并且由于切削腹板26的剪切能力而减少挤出。另外，切削腹板26可以使钻的切削刀片14在中心开始钻孔并且保持其准直度。
一个或多个切屑分解器28可以任选地设置在切削刀片14上来控制切屑宽度。控制切屑宽度还可以保证通过喷吸器支架主体12的中心来排出切屑。在一些应用中，可以不需要切屑分解器，例如当用于切削铸铁或碳纤维时。
喷吸器支架主体12可以具有大致筒形，具有第一端或杆端36以及第二端或刀片端34。通过喷吸器支架主体12的至少一部分的排出槽或导管38可以从杆端36离开以通过喷吸器支架主体12将切屑和切削液送入杆或管。杆端36可以构造成连接于空心杆或管(未示出)。管可以具有内径和螺纹以连接钻头。喷吸器支架主体12可以包括邻近第一端或杆端36的螺纹40，对应于杆上的螺纹并使导管38与杆或管的内径对准。当导管和管对准时，导管38的直径无需与管的内径相同。
螺纹40可以是复合引导锁定螺纹。或者，螺纹40可以是单一引导螺纹。
管支承表面42可以设置在喷吸器支架主体12上，邻近管和喷吸器支架主体12的交点。管支承表面42可以适配在管的内径内并适配管的内表面。管支承表面42可以用于将喷吸器支架主体12与管对准。管支承表面可以精确地磨平以紧密配合管的内表面。紧密公差配合可以减少与喷吸钻系统相关的总指示器振摆并改善孔的准直度。
螺纹40或管支承表面42或其组合可以设计成基本上密封管和喷吸器支架主体12之间的接头。可以使用其它密封装置或方法，例如但不限于一个或多个O形环、垫圈、密封带、填缝材料、粘结剂或其它密封材料。
空心杆或管可以在内表面上设有对应于喷吸器支架主体12的螺纹40的螺纹。内管螺纹可以是锁定螺纹，当钻孔系统被旋转操作时，锁定螺纹将螺纹40更紧地引入管中。
或者，喷吸器支架主体12可以通过其它连接件，例如但不限于一个或多个键槽、夹子、法兰、螺钉或其它紧固件，连接于空心杆或管。
刀片端34可以构造成用于连接切削刀片14。刀片端34可以构造成具有两个轴向延伸的近似平行和错开的、邻近第二端的表面30、32。表面30、32错开的距离可以等于刀片14的厚度。表面30、32还可以纵向错开以提供用于将刀片14紧固到主体12上的间隙。切削刀片14可以连接于刀片端34，其中利用通过切削刀片14的安装孔19的一个或多个螺钉43，第一面15至少部分接触一个错开表面30，而第二面16至少部分接触另一个错开表面32。
喷吸器支架主体12可以包括支承区域44。支承区域44可以包含喷吸器支架主体12的一个或多个外表面。支承区域44可以具有铬层以在操作时保护支承区域44。支承区域44的外径可以稍微小于钻径。铬层可以在低转速和温度下保护支承区域44。
如图4和5所示，支承区域44可以包括在主体的外表面的至少一部分上的覆层46。覆层46可以包括位于主体外径处的表面上的硬质合金材料薄层。覆层46的外径可以稍微小于钻径。覆层46可以在较高转速和温度下保护支承区域44。在图5的实施例中，设置了多个硬质合金耐磨垫46’作为替代方式。耐磨垫46’可以钎焊到位或以其它方式被合适地固定。覆层46或耐磨垫46’的厚度在应用时可以合适地增加。覆层46或耐磨垫46’可以由硬质合金材料形成，例如碳化钛、碳化钨、铝青铜、高速钢、硬铬镀层或其它合适的耐磨材料。
如图3的实施例所示，槽48可以沿喷吸器支架主体12的外表面设置，能够将流体导向刀片。槽48可以使切削液沿喷吸器支架主体12的外周流向切削刀片14，如图3所示。槽48可以近似平行于钻头的旋转轴线。或者，槽48可以是倾斜取向、螺旋取向、弧形取向或其它任何能够将切削液导向刀片的取向。通过钻孔系统的切削液可以用作冷却剂来冷却切削区域的被剪切材料以促进可控切屑的形成。切削液还从切削区域冲走切屑并从钻孔排出切屑。沿支架主体12轴向设置的冷却剂槽允许冷却剂从冷却剂管沿支架主体12的外周向前流动并被导向刀片14的切削区。冷却剂流体冷却切削区中被剪切的材料，并提供沿这种方向的冷却剂流，使得形成的切屑从切削区移向下面描述的排出横向孔和槽，通过冷却剂管并流出机加工中心。
喷吸器支架主体12还包括一个或多个横向孔或洞50，其从一个或多个槽道52通向排出槽或导管38。槽道52用于使切屑和切削液从切削刀片14通向洞50。可以邻近洞50设置缓冲区54，用于将切屑和切削液导向洞中并减少槽道52中的切屑聚集。
在一个实施例中，排出横向孔50近似垂直于支架主体12的中心轴线穿过两个槽道52。或者，洞50可以倾斜于喷吸器支架主体12的轴线穿过喷吸器支架主体12。洞50使从切削区域冲走的切屑和切削液进入导管38。
导管38可以在杆端36和洞50之间延伸通过喷吸器支架主体12。从切削区域排出的切屑可以沿槽道52被冲走，通过洞50进入导管38。来自钻孔的切屑和切削液通过导管38被冲入空心杆或管。切削液和切屑通过管流出机加工中心。
操作时，当切削刃22寿命已尽时，通过取下螺钉可以从喷吸器支架主体12取下切削刀片14。可以安装新的切削刀片14并继续钻孔过程。
钻头10可以用于单管或双管系统。所公开的钻头10相比现有钻系统具有优点。首先，基体、涂层和几何形状的选择可以允许该刀具10在现有的钻不能工作的应用中工作。切削刀片14的基体材料可以改变以适应不同类型的应用。另外，不同的涂层可以用于刀片14。例如，金刚石薄膜涂层可以用在切削表面上和刀片14的间隙表面上以最小化侧面磨损速度。这种类型的薄膜包括本领域熟知的碳气相沉积(CVD)多晶金刚石薄膜。当例如切削非金属磨料时，金刚石薄膜涂层尤其有用。可以使用其它涂层材料例如钛铝氮化物。根据刀具10的具体应用，刀片14可以利用已知的合适方法被涂覆所需涂层。刀片14的使用还允许形成用于各种应用的切削几何形状，切削几何形状可以有各种变型以改进用于不同应用或材料的切削性能。例如，不同的几何形状可以包括但不限于，具有正前角的钻唇几何形状、具有正前角的切削腹板、具有自对中点的刀片14和/或提供与切削刃相关的所需切屑分解构造。正钻唇几何形状产生紧密卷曲切屑，这种切屑易于通过刀具排出，具有源于预定的唇位置、尺寸和构造的微小切屑尺寸。可以对唇构造进行多种变型以例如改进切屑形成物的导出。正切削腹板几何形状的使用允许刀片14的刀刃处的材料剪切和形成更加可控的切屑，这会最小化由于钻点中心处的低速差钻孔中心处的材料挤出作用。腹板几何形状因此可以构造成允许在钻点的该位置处形成更多的机械切屑，并由于腹板切削刃的剪切能力产生更少的挤出物，以及更自由的切削钻中心。这还可以提供钻孔的好处：其自中心开始并保持改进的总体准直度。自对中点几何形状可以由刀片14刀刃上的间隙特征的组合提供，其改善了对中能力。改善对中能力可以改善钻孔稳定性和总的孔准直度。切屑分解器的引入可以控制产生的切屑宽度，由此帮助产生能够通过支架主体的中心被排出的成型切屑，如后所述。
这种钻头10的第二个优点是减少每个孔的成本。这可以多种不同方式来实现。现有技术的钎焊钻头是单体件设计。当刀具磨坏或损坏时，必须更换整个钻头。这非常浪费，尤其是当孔径增加时。利用本发明公开的钻头10，操作者可以更换磨坏或损坏的刀片14。钻头10因此提供快速有效更换被磨坏的切削刃的能力。喷吸器支架主体12的成本可以通过多次切削刀片14的更换而被分摊，从而降低了总的刀具成本。
每个孔的成本还可以基于增加的钻速来计算。本发明公开的钻头10可以包括两个有效的切削刃。这种设计可以相对于具有单一切削刃的现有技术具有显著的优点。相对于单一切削刃设计，本发明公开的钻头10具有的两个切削刃可以倍增供给速率。这种增加的钻速减少了切削释放加工时间。根据本发明的实施例的布置提供了各种优点并克服了现有系统的问题。例如，这种布置不会产生邻近孔处的材料或工件硬化，因为没有显著的力被施加在形成的孔的边上。该系统不会像现有STS系统那样切削自身，耐磨垫不会对孔施加多余的力，因为该系统中有两个有效的切削刃。切削几何形状设定夹角，使得施加在系统上的径向负荷最小化，发热也最小化，从而不会出现加工材料的脆变。
图6示出了本发明的替代实施例，其中喷吸器支架主体112可以具有大致筒形，包括第一端或杆端136以及第二端或刀片端，刀片端具有如已有实施例中的刀片214。支架主体112也可以具有通过喷吸器支架主体112至少一部分的排出槽或导管，其从杆端离开，用于将切屑和切削液通过喷吸器支架主体112进入杆或管。杆端136可以构造成连接于空心杆或管(未示出)。管可以具有内径和用于连接钻头的内螺纹140。喷吸器支架主体112可以包括邻近第一端或杆端136的螺纹140，对应于杆上的螺纹，将导管138与杆或管的内径对准。当导管与管对准时，导管38的直径无需与管的内径相同。螺纹140可以是复合引导锁定螺纹。或者，螺纹140可以是单一引导螺纹。
另一个实施例示于图7，其中喷吸器支架主体212也可以具有大致筒形，包括第一端或杆端以及第二端或刀片端。排出槽或导管也设置成通过喷吸器支架主体212的至少一部分，从杆端离开，用于使切屑和切削液通过喷吸器支架主体212进入杆或管。杆端可以构造成连接于空心杆或冷却剂管(未示出)。管可以具有内径和用于连接钻头的螺纹。喷吸器支架主体212可以包括邻近第一端或杆端的螺纹240，对应于杆上的螺纹，将导管与杆或管的内径对准，如已有的实施例那样。螺纹240可以是复合引导锁定螺纹，或者螺纹可以是单一引导螺纹。管支承表面242可以设置在喷吸器支架主体212上，邻近管和喷吸器支架主体212的交点。管支承表面242可以适配在管的内径内并适配管的内表面。管支承表面242可以用于将喷吸器支架主体212与冷却剂管对准。管支承表面可以精确地磨平以紧密配合管的内表面。紧密公差配合可以减少与喷吸钻系统相关的总指示器振摆并改善孔的准直度。空心杆或管可以在内表面上设有对应于喷吸器支架主体212的螺纹240的螺纹。内管螺纹可以是复合引导锁定螺纹，当钻孔系统被旋转操作时，锁定螺纹将螺纹240更紧地引入管中，并将支架主体12牢固地安装于冷却剂管。
喷吸器支架主体212可以包括支承区域244。支承区域244可以包含喷吸器支架主体212的一个或多个外表面。支承区域244可以具有铬层或其它耐磨材料层以在操作时保护支承区域244。铬层或其它耐磨材料层用于在引导钻10时保护支架外径。支承区域244的外径可以稍微小于钻径。铬层可以在低转速和温度下保护支承区域244。对于更高的转速，可以在支承表面244上使用硬质合金覆层材料。另外，可以使用硬质合金耐磨带246来保护喷吸器支架主体212。硬质合金耐磨带246可以设置在支承区域244内。耐磨带246设置在主体外表面的至少一部分上，可以包括位于主体外径处的表面上的硬质合金材料薄带。带246的外径可以稍微小于钻径。耐磨带246可以在较高转速和温度下保护支承区域244。耐磨带246可以钎焊到位或以其它方式被合适地固定于支架主体212。或者，耐磨带246可以栓接或以其它合适方式连接于支架主体212。可以利用硬质合金焊接来制造耐磨带246，但其它合适的方法也是可行的。根据应用耐磨带246的厚度可以适当增加/减少。耐磨带246可以由硬质合金材料形成，例如碳化钛、碳化钨、铝青铜、高速钢、硬铬镀层或其它合适的耐磨材料。槽248可以沿喷吸器支架主体212的外表面设置，能够将流体导向刀片214。槽248可以使切削液沿喷吸器支架主体212的外周流向切削刀片214。
虽然在前面的附图和说明中详细描述了本发明，但这应被认为是示例性而非限制性，应当理解，仅示出和描述了示例性实施例，在所附权利要求限定的本发明的范围内的所有改变和变型都在保护范围内。在研究本说明书后本领域技术人员会了解本发明的其它特征。可以在不脱离本发明的精神和范围内进行多种变型。