可旋转式聚晶金刚石复合齿及其钻头
技术领域
本实用新型涉及聚晶金刚石复合钻头技术领域，具体涉及一种可旋转式聚晶金刚石复合齿及其钻头。
背景技术
聚晶金刚石复合钻头由于其具备高耐磨性能和高抗冲击性能被广泛应用在石油、煤炭以及各种矿物开采和地质勘探等领域。随着社会的发展进步，人们对各类石油、煤炭、矿产资源需求量也越来越大，而市场竞争又使得各企业对资源开采、钻探成本提出了更高的要求，对聚晶金刚石复合钻头的使用寿命和钻进速度要求也越来越高。
目前石油、煤炭以及各种矿物开采和地质勘探所使用的聚晶金刚石复合钻头主要由钻头体和若干个圆片状的聚晶金刚石复合齿组成，每个聚晶金刚石复合齿均通过焊接方式固定在钻头体上。为了钻头在不同角度的提高切削力，这些聚晶金刚石复合齿在钻头体上均成倾斜方式固定，即聚晶金刚石复合齿的中轴线与钻头体的中轴线存在一定的夹角。然而，这种聚晶金刚石复合齿的倾斜安装方式，使得聚晶金刚石复合钻头在钻进时，基本只是利用到聚晶金刚石复合齿顶部聚晶金刚石层的外突一侧半圆弧形边缘的部分(即工作边缘部分)来对岩石进行切削钻进工作，而聚晶金刚石复合齿顶部聚晶金刚石层的其余半圆部分(即非工作边缘部分)则基本不会参与岩石的切削。刚开始时，聚晶金刚石复合齿的工作边缘部分比较锋利，钻进速度非常快。但随着钻进时间不断增加，工作边缘部分被岩石不断磨损而变得越来越钝，而使得该聚晶金刚石复合齿的钻进速度呈抛物线的形式下降，进而造成聚晶金刚石复合齿过早失效。但此时聚晶金刚石复合齿的非工作边缘部分却基本没有磨损，这使得整个聚晶金刚石复合齿的利用率非常低。此外，由于聚晶金刚石复合齿的聚晶金刚石层是由金刚石微粉在金属钴的催化作用下在高温高压环境里烧结而成的，所以聚晶金刚石层里都会含有金属钴成分，由于金属钴的热膨胀系数大概是金刚石的10倍左右。因此聚晶金刚石复合齿通过焊接的方式固定在钻头上的过程中，由于钴和金刚石的热膨胀系数不同，会在金刚石层了产生较大的热应力，应力过大的情况下还会使聚晶金刚石层内部产生微裂纹，降低聚晶金刚石复合片的抗冲击性能。严重的情况下甚至会导致整个聚晶金刚石层脱落。
为了解决上述问题，充分利用聚晶金刚石复合齿的聚晶金刚石层的整个周圈的边缘锋利度，国内外一些厂商设计了一些可旋转的聚晶金刚石复合齿结构。如授权公告号为CN203729882U的中国实用新型专利“一种切削齿自旋式钻头”，其自旋式切削齿(即聚晶金刚石复合齿)由切削头、旋转齿套和旋转装置组成，其中切削头呈T型，旋转齿套呈U型，切削头嵌入到旋转齿套内，并通过旋转装置实现连接。自旋式切削齿的旋转齿套焊接固定在钻头体上。虽然这种结构的自旋式切削齿在切削岩石时能够在钻头体上发生径向方向的旋转，而使得聚晶金刚石层的整个边缘均能够参与切削工作，而使得整个聚晶金刚石层的整圈边缘得以充分利用。但是，由于切削头和旋转齿套采用的是嵌套式结构，切削头与旋转齿套之间不可避免地会在外界冲击力的作用下发生轴向窜动现象。当外界冲击力过大时，轴向窜动现象也会随之增大，这既容易导致切削头的硬质合金部分的崩裂，也容易导致旋转装置出现问题(如弹簧形变难以恢复等)，该自旋式切削齿的整体抗冲击性不佳，使用寿命有待加强。
实用新型内容
本实用新型所要解决的是现有可旋转的聚晶金刚石复合齿整体抗冲击性不佳，使用寿命不长的问题，提供一种可旋转式聚晶金刚石复合齿及其钻头。
为解决上述问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
一种可旋转式聚晶金刚石复合齿，包括硬质合金基体和聚晶金刚石层；聚晶金刚石层复合于硬质合金基体的上表面；硬质合金基体的下表面的中心处开设有聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔，该聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔的圆心位于整个聚晶金刚石复合齿的中轴线上。
上述方案中，聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔呈圆弧形、椭圆弧形或锥球面弧形。
上述方案中，聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔的直径占整个聚晶金刚石复合齿的下表面即硬质合金基体的的下表面直径的1/10～9/10之间。
上述方案中，聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔的表面覆有耐磨涂层。
上述方案中，硬质合金基体的外侧圆周面上设有耐磨环或多条间隔设置的耐磨条。
上述方案中，耐磨条位于硬质合金基体的外侧圆周面的下部。
另一种可旋转式聚晶金刚石复合齿，包括聚硬质合金基体和聚晶金刚石层；聚晶金刚石层复合于硬质合金基体的上表面；还进一步包括耐磨层，耐磨层复合于硬质合金基体的下表面；该耐磨层的下表面的中心处开设有聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔，该聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔的圆心位于整个聚晶金刚石复合齿的中轴线上。
上述方案中，聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔呈圆弧形、椭圆弧形或锥球面弧形。
上述方案中，聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔的直径占整个聚晶金刚石复合齿的下表面即耐磨层下表面直径的1/10～9/10之间。
上述方案中，硬质合金基体的外侧圆周面上设有耐磨环或多条间隔设置的耐磨条。
上述方案中，耐磨条位于硬质合金基体的外侧圆周面的下部，且其下端与耐磨层相接。
钻头，包括钻头体和N个聚晶金刚石复合齿；钻头体上开设有N个供聚晶金刚石复合齿嵌入的安装孔；还进一步包括N个金属圆球和N个挡板；其中N为设定的正整数；聚晶金刚石复合齿为上述可旋转式聚晶金刚石复合齿；安装孔的底面的中心处也开设有安装孔弧面内凹孔，该安装孔弧面内凹孔的圆心位于安装孔的中轴线上；安装孔的中轴线与聚晶金刚石复合齿的中轴线重合，安装孔弧面内凹孔与可旋转式聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔镜像对称；金属圆球位于钻头体的安装孔弧面内凹孔与聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔之间；挡板位于安装孔的边缘处，并将聚晶金刚石复合齿限制于安装孔内。
与现有技术相比，本实用新型具有如下特点：
1、本实用新型通过在聚晶金刚石复合齿的底部设置聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔，并由金属球与钻头体连接在一起，然后通过聚晶金刚石复合齿前方的挡板加以固定，从而能实现聚晶金刚石复合齿在安装孔内的径向灵活旋转和轴向方向有限旋转；径向转动的灵活性能够让整个聚晶金刚石复合齿的聚晶金刚石层的顶面边缘处均参与到切削工作，以提高整个聚晶金刚石复合齿的利用率，这不仅可以最大限度的保持聚晶金刚石复合齿的快速钻进，而且可以避免聚晶金刚石复合齿过早失效；轴向方向的有限转动能够有效地缓冲外力的对聚晶金刚石复合片的撞击，大幅提高聚晶复合齿的抗冲击性能，提高其使用寿命；
2、本实用新型通过在聚晶金刚石复合齿的侧表面增设耐磨环或耐磨条，能够大大提高聚晶金刚石复合齿侧壁的耐磨性，这样能够防止因聚晶金刚石复合齿在旋转过程中与安装孔之间摩擦所造成的硬质合金基体的严重磨损；
3、本实用新型通过在现有聚晶金刚石复合齿的硬质合金基体之下底部增设耐磨层，并在该耐磨层上开设聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔，由于耐磨层的耐磨性能介于聚晶金刚石层和硬质合金的耐磨性之间，即保证了聚晶金刚石复合齿底面和侧面的耐磨性能，同时也兼顾了原有硬质合金的抗冲击性能；
4、本实用新型通过在钻头的钻头体的安装孔和聚晶金刚石复合齿之间增设金属圆球，以让聚晶金刚石复合齿在安装孔内自由灵活转动，这样能够避免因焊接造成聚晶金刚石复合齿内部热应力过高所产生微裂纹甚至脱层的现象，大幅提高聚晶金刚石复合齿的抗冲击性能和耐磨性能；此外，小尺寸的金属圆球既不会影响聚晶金刚石复合齿本身的强度，也对聚晶金刚石复合齿与安装孔的间隙精度和对中精度要求不是很严，精度差一点的聚晶金刚石复合齿也能很好地旋转，从而降低了工艺要求。
附图说明
图1-4为实施例1的4种可旋转式聚晶金刚石复合齿的侧剖方向结构示意图。
图5-6为实施例2的2种可旋转式聚晶金刚石复合齿的侧剖方向结构示意图。
图7为一种钻头的俯视方向结构示意图。
图8为钻头的其中一个聚晶金刚石复合齿的俯剖方向安装示意图。
图中标号：1、聚晶金刚石复合齿；1-1、硬质合金基体；1-2、聚晶金刚石层；1-3、耐磨层；1-4、聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔；1-5、耐磨涂层； 1-6、耐磨条；2、钻头体；2-1、安装孔，2-2、安装孔弧面内凹孔；3、金属圆球；4、挡板。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。需要说明的是，实例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“中”、“左”“右”、“前”、“后”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向仅是用来说明并非用来限制本实用新型的保护范围。
实施例1：
一种可旋转式聚晶金刚石复合齿1，主要由硬质合金基体1-1和聚晶金刚石层1-2组成。聚晶金刚石层1-2复合于硬质合金基体1-1的上表面，两者通过高温高压的方式烧结在一起。聚晶金刚石层1-2的上表面的形状根据需要进行设计，如可以是平面、弧面或钢盔形表面等。硬质合金基体1-1的下表面可以根据需要进行设计，如可以为平面或弧面等。在本实用新型优选实施例中，为了描述方便，所述聚晶金刚石层1-2的上表面和硬质合金基体1-1 的下表面均为平面。
为了实现聚晶金刚石复合齿1的旋转，所述硬质合金基体1-1的下表面的中心处开设有聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4，该弧面内凹孔的圆心位于整个聚晶金刚石复合齿1的中轴线上。在硬质合金基体1-1的下开设聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4的作用是在聚晶金刚石复合齿1嵌入到钻头体2 的安装孔2-1内时，能够通过在两者增设一个金属圆球3来让聚晶金刚石复合齿1在钻头体2的安装孔2-1内发生旋转，从而能够让整个聚晶金刚石复合齿1的顶部边缘都能够参与切削工作。上述聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔 1-4的表面需要保证光滑，其形状最好为规则的弧形，如聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4呈圆弧形、椭圆弧形或锥球面弧形等。在本实用新型优选实施例中，所述聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4为圆弧形。在聚晶金刚石复合齿1的下表面处，聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4的直径占整个聚晶金刚石复合齿1的下表面直径的1/10～9/10之间。参见图1。
在上述基础上，为了提高聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4在聚晶金刚石复合齿1旋转过程中的耐磨性，聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4的表面还覆有耐磨涂层1-5，且该耐磨涂层1-5的硬度大于硬质合金基体1-1的硬度，参见图2。在本实用新型优选实施例中，所述耐磨涂层1-5为由金刚石微粉和粘结剂制成的聚晶金刚石材质。金刚石微粉和粘接剂按一定比例混合，其中粘结剂为金属镍，钛，钴，钨，碳化钨，碳化钛，氧化铝，氮化钛等其中的一种或几种的混合物。在本实用新型中，耐磨涂层1-5可以仅覆于上述聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4内，还可以覆于整个硬质合金基体1-1下表面，以进一步提高整个聚晶金刚石复合齿1的耐磨性，参见图3。
在上述基础上，考虑到聚晶金刚石复合齿1在旋转过程中，其硬质合金基体1-1的侧壁会与钻头体2的安装孔2-1的侧壁发生摩擦而造成硬质合金基体1-1的磨损，为了提高聚晶金刚石复合齿1的硬质合金基体1-1部分的硬度和耐磨性，硬质合金基体1-1的外侧圆周面上设有多条耐磨条1-6。这些耐磨条1-6呈长条状，并沿聚晶金刚石复合齿1本体的轴向方向延伸，且在硬质合金基体1-1的外侧圆周面上间隔分布，参见图4。特别地，当多条耐磨条 1-6在硬质合金基体1-1的外侧圆周面上排列紧密时，其甚至可以在形成环绕在整个硬质合金基体1-1的外侧圆周面上的耐磨环。耐磨条1-6或耐磨环作为耐磨涂层1-5，仅包裹在硬质合金基体1-1的中和/或下部。耐磨条1-6或耐磨环的硬度大于硬质合金基体1-1的硬度。在本实用新型优选实施例中，所述耐磨条1-6或耐磨环为由金刚石微粉和粘结剂制成的聚晶金刚石材质，其硬度可以等于或略小于聚晶金刚石层1-2的硬度。金刚石微粉和粘接剂按一定比例混合，其中粘结剂为金属镍，钛，钴，钨，碳化钨，碳化钛，氧化铝，氮化钛等其中的一种或几种的混合物。
实施例2：
一种可旋转式聚晶金刚石复合齿1，主要由聚硬质合金基体1-1、聚晶金刚石层1-2和耐磨层1-3组成。聚晶金刚石层1-2复合于硬质合金基体1-1的上表面，耐磨层1-3复合于硬质合金基体1-1的下表面，三者通过高温高压的方式烧结在一起。聚晶金刚石层1-2的上表面的形状根据需要进行设计，如可以是平面、弧面或钢盔形表面等。耐磨层1-3的下表面可以根据需要进行设计，如可以为平面或弧面等。在本实用新型优选实施例中，为了描述方便，所述聚晶金刚石层1-2的上表面和耐磨层1-3的下表面均为平面。
为了实现聚晶金刚石复合齿1的旋转，耐磨层1-3的下表面的中心处开设有聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4，该聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4 的圆心位于整个聚晶金刚石复合齿1的中轴线上。为了能够让聚晶金刚石复合齿1在钻头体2的安装孔2-1内旋转，同时也为了能够最大限度提高整个聚晶金刚石复合齿1在旋转过程中的耐磨性，本实用新型通过增设耐磨层1-3，并在耐磨层1-3上开设聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4，这样能够让整个聚晶金刚石复合齿1的顶部边缘都能够参与切削工作，并保证聚晶金刚石复合齿1的强度。上述聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4的表面需要保证光滑，其形状最好为规则的弧形，如聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4呈圆弧形、椭圆弧形或锥球面弧形等。在本实用新型优选实施例中，所述聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4为圆弧形。在聚晶金刚石复合齿1的下表面处，聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4的直径占整个聚晶金刚石复合齿1的下表面直径的1/10～9/10。参见图5。
在上述基础上，考虑到聚晶金刚石复合齿1在旋转过程中，其硬质合金基体1-1的侧壁会与钻头体2的安装孔2-1的侧壁发生摩擦而造成硬质合金基体1-1的磨损，为了提高聚晶金刚石复合齿1的硬质合金基体1-1部分的硬度和耐磨性，硬质合金基体1-1的外侧圆周面上设有多条耐磨条1-6。这些耐磨条1-6呈长条状，并沿聚晶金刚石复合齿1本体的轴向方向延伸，且在硬质合金基体1-1的外侧圆周面上间隔分布。特别地，当多条耐磨条1-6在硬质合金基体1-1的外侧圆周面上排列紧密时，其甚至可以在形成环绕在整个硬质合金基体1-1的外侧圆周面上的耐磨环。耐磨条1-6或耐磨环作为耐磨涂层 1-5，仅包裹在硬质合金基体1-1的中和/或下部。在本实用新型优选实施例中，耐磨条1-6或耐磨环位于硬质合金基体1-1的外侧圆周面的下部，且其下端与耐磨层1-3相接。耐磨条1-6或耐磨环的硬度大于硬质合金基体1-1的硬度。在本实用新型优选实施例中，所述耐磨条1-6或耐磨环为由金刚石微粉和粘结剂制成的聚晶金刚石材质，其硬度可以等于或略小于聚晶金刚石层1-2的硬度。金刚石微粉和粘接剂按一定比例混合，其中粘结剂为金属镍，钛，钴，钨，碳化钨，碳化钛，氧化铝，氮化钛等其中的一种或几种的混合物。参见图6。
实施例3：
参见图7-8，一种钻头，包括钻头体2、N个聚晶金刚石复合齿1和N个金属圆球3。
所述钻头体2与现有结构大体相同，即钻头体2上开设有供聚晶金刚石复合齿1安装的N个安装孔2-1，安装孔2-1的数量和尺寸与聚晶金刚石复合齿1的尺寸相配合。安装孔2-1的底面形状与聚晶金刚石复合齿1的底面形状相配合，如聚晶金刚石复合齿1的底面为外凸弧形时，安装孔2-1的底面也为内凹弧形；如聚晶金刚石复合齿1的底面为内凹弧形时，安装孔2-1的底面也为外凸弧形；如聚晶金刚石复合齿1的底面为平面时，安装孔2-1的底面也为平面等。为了能够让聚晶金刚石复合齿1在钻头体2的安装孔2-1 内旋转，所述钻头体2的安装孔2-1的底面的中心处也开设有安装孔弧面内凹孔2-2，该安装孔弧面内凹孔2-2的圆心位于安装孔2-1的中轴线上。安装孔2-1底面的安装孔弧面内凹孔2-2的结构与聚晶金刚石复合齿1下表面的聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4的结构相互配合，如安装孔2-1底面的安装孔弧面内凹孔2-2可以为呈圆弧形、椭圆弧形或锥球面弧形等。在本实用新型优选实施例中，所述安装孔2-1底面的安装孔弧面内凹孔2-2均为圆弧形。安装孔2-1的边缘设有挡板4，其作用是将聚晶金刚石复合齿1稳固于钻头体2 的安装孔2-1内，而不会让聚晶金刚石复合齿1从安装孔2-1内脱出，并使得聚晶金刚石复合齿1能够在安装孔2-1内正常旋转。
所述聚晶金刚石复合齿1为本实用新型所述的可旋转式聚晶金刚石复合齿1，如上述实施例1和2所提及的聚晶金刚石复合齿1，即整个聚晶金刚石复合齿1的下表面开设有聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4，该聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4的圆心位于整个聚晶金刚石复合齿1的中轴线上。
所述金属圆球3为表面光滑的圆球体，该金属圆球3由质硬的金属或金属复合材料制成，如铜、铁、钢或硬质合金等。在本实用新型优选实施例中，考虑到硬质合金兼具有韧性和耐磨性，金属圆球3选用硬质合金材质。
为了提高整体耐磨性，所述金属圆球3、安装孔2-1包括安装孔弧面内凹孔2-2的整个底面和内侧面均涂覆有耐磨涂层1-5。耐磨涂层1-5由金刚石微粉和粘结剂制成的聚晶金刚石材质，其硬度大于钻头体2的硬度。金刚石微粉和粘接剂按一定比例混合，其中粘结剂为金属镍，钛，钴，钨，碳化钨，碳化钛，氧化铝，氮化钛等其中的一种或几种的混合物。
安装时，首先，将金属圆球3放置在钻头体2的安装孔2-1的安装孔弧面内凹孔2-2内。接着，将可旋转式聚晶金刚石复合齿1放入到钻头体2的安装孔2-1内，并让金属圆球3位于钻头体2的安装孔弧面内凹孔2-2与可旋转式聚晶金刚石复合齿1的聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4之间。在此过程中，保证安装孔2-1的中轴线与聚晶金刚石复合齿1的中轴线重合，并使得安装孔2-1的安装孔弧面内凹孔2-2与可旋转式聚晶金刚石复合齿1的聚晶金刚石复合齿弧面内凹孔1-4镜像对称。通过设计时，金属圆球3、可旋转式聚晶金刚石复合齿1和钻头体2安装孔2-1的尺寸配合，让可旋转式聚晶金刚石复合齿1的下表面与安装孔2-1的底面之间留有一定间隙，并让可旋转式聚晶金刚石复合齿1的外侧面与安装孔2-1的外侧面之间留有一定间隙。最后，通过挡板4将聚晶金刚石复合齿1限制在安装孔2-1内。
需要说明的是，尽管以上本实用新型所述的实施例是说明性的，但这并非是对本实用新型的限制，因此本实用新型并不局限于上述具体实施方式中，如本实用新型的可旋转式聚晶金刚石复合齿1的各项特征可以进行任意的组合，如本实用新型的可旋转式聚晶金刚石复合齿1还可以应用于链臂锯等相近似领域。在不脱离本实用新型原理的情况下，凡是本领域技术人员在本实用新型的启示下获得的其它实施方式，均视为在本实用新型的保护之内。
