專利名稱：鑄造鋼體鉆頭的制造方法
技術領域：
本發明的背景本發明的領域本發明一般地涉及油井和氣井鉆孔用的鋼體鉆頭的制造。更具體點說，本發明涉及鉆頭的設計和鑄造鉆頭的生產過程，這些鉆頭具有復雜的形狀、不同的尺寸和形狀改動，而不需使用復雜的、可重復使用的模樣模具。
現有技術的說明制造鋼鉆頭的基本過程是從固態鋼坯出發，將它加工成所需的最終鉆頭形狀。這個基本過程可加改進，即采用鋼鑄件，將它鑄造成接近最終鉆頭形狀，這樣便可大大減少機加工量。雖然由于增加金屬鑄造工步使程序較為復雜，但在時間和費用上的總的節省大可抵銷采用鑄件的化費。
通常用較多的材料鑄造鉆頭體，以便在一特定的鉆頭中能用機械加工制出另一種設計細節。在該情況下留在鑄件上的多余材料就可使人們多一個可供選擇的機會，如果該鉆頭在制造時不需要添加另外的細節，那么就可用機械加工去掉多余部分，要添加的細節也就不存在了。這種在內部采用的折衷辦法帶來的問題是，當要制造不需添加另外細節的鉆頭時，本來可以采用比較通用的鑄件，現在卻要添加較大的機械加工量來去除鑄件上的多余材料。采用只是與一種特定型式鉆頭的最終形狀接近相似的特定鑄件雖然可在一定程度上解決這個問題，但接下來又需權衡該怎么辦，因為這個特定鑄件由于沒有包括產生另外細節所需的材料，也就不能通過機械加工來具有另外的細節。在正常生產中，在將一種鑄件機加工成為數種不同的終極形狀而得到的靈活性及為每一種不同的設計形狀準備一種特定鑄件所需費用之間必需作出權衡。
在鉆頭制造的領域內，通常需要比較專用的鉆頭大小、形狀和形狀來滿足具體的用途。鉆頭常按用戶的規格要求來制造。具體鉆頭的設計和大小要求的樣式越多，通用鑄件的形狀就越接近基本鋼坯。在過去，經常需要在一種特定鉆頭設計的生產運行的提高效率和減少費用及為較小的生產批量甚至單一定制的鉆頭設計保持在鉆頭大小或鉆頭設計上提供變化的能力兩者之間作出權衡。
在金屬鑄造領域內人們知道有一種方法可以用來鑄造實體上較復雜的形狀，在該方法中，每做一個鑄件便要消耗一套模具。一種這樣的方法一般被稱為熔模鑄造，它是在一個可消耗的、一次使用的模具內采用一個可消耗的、一次使用的塑料模樣。這種方法的一種變化是采用泡沫塑料作為模樣，這時這種方法可稱為“熔泡塑模鑄造”。當有大量相同的物件要用熔泡塑模法(lost foam)鑄造時，可用一個可重復使用的金屬模型制造出許多泡沫塑料模樣。在模型中制出的每一個模樣接下來在另一個工步內被可硬化的流態材料覆蓋以致形成一個殼模。這種特殊方法所使用的材料和工步在美國專利4,660,623號中有較完整的說明。一旦殼模被硬化，便可用化學方法或加熱方法將泡沫塑料模樣消除。然后可用熔化的鋼水注入到硬化的殼模內制出鑄件。每做一個鑄件，犧牲一個塑料模樣和一個可消耗殼模的工步都要重復一次。
上述熔泡塑模鑄造法典型地包括一個多工步的過程，首先是將要鑄造的物件制出一個正的模樣。然后用這個模樣制出一個可重復使用的、金屬的、具有負的模樣的模型。按照要被模樣模型所要制出的模樣的復雜程度，模樣模型可能需要由多個可分離的部分組成，以便使模型能夠從模樣上脫出。模樣模型一旦完成，便可用這模型制出大量模樣。要鑄造的物件的設計如有改變，模樣模型也要隨之而變。
對于復雜的形狀，如同鉆井鉆頭所具有的那種使模樣不能從兩瓣的模型中拿掉的復雜形狀，制作一個金屬的模樣模型是很費時費錢的。在需要為一個鋼體鉆頭設計制造一個泡沫塑料模樣用的模型的典型情況下，制造一個合適的金屬模型可能需要數個星期并可耗費多達50,000美元或更多。而任何一點鉆頭設計的變動需要修改舊模型或制造新的模樣模型，這樣便要支付相關的時間損失和費用。因此，按常規采用這種中間的金屬模樣模型來提供熔泡塑模鑄造方法中使用的泡沫塑料模樣對制造復雜的鋼體鉆頭來說是不合適的。
美國專利5,197,527號曾說明過一種方法，其中泡沫塑料的塊狀工件被機加工成為可消除的泡沫塑料模樣以便用在整體模型內進行鑄造。在該系統所制定的方法中采用多個機械加工站，使當有大量相同的模樣需要制造時可在一個過程中實現最佳的效率。擁有專利的程序曾說明有一直線的三軸機床位在工件之下，該機床在沿著三個標準的、互相垂直的軸線移動時便可加工使工件的表面成形。這些工件雖然也要經過機械加工，但這樣制出的模樣也可適宜作為中間模樣而被用來制作殼型，比起上面所說先制作一個金屬模型而后采用由此模型鑄出的模樣，對系統來說，毋寧是一個改進。所以說它適宜用作中間模樣，是因為只用三軸運動制出的模樣具有并不復雜的形狀，因此能從比較簡單的兩瓣模型中脫出。在現有技術的方法中所示出的一些簡單而并不復雜的設計如有改動也可容易地用本法來完成，只須對模樣略加修改即可。本法還適用于需要鑄造大量相同零件的情況。
美國專利4,423,646號曾說明一種制造牙輪鉆頭的方法，其中使用泡沫塑料的鑄造技術被用來制出鋼質鉆頭體。泡沫塑料被模制成一個基本上與鉆井鉆頭體相同的形狀，切割件則被安裝在泡沫塑料成形體(模樣)上。泡沫塑料成形體可被機加工以便產生添加的鉆頭細節。這個組合件(鉆頭體加切割件)然后被可硬化的模型材料覆蓋以便形成模型體。接著將泡沫塑料從硬化的模型中燒掉，以資在模型中留出空腔，熔化的鋼水就可澆注到這模型空腔內。待鋼水冷凝后，模型可用化學處理法從完成的鉆頭上除去。這樣看來生產所需的泡沫塑料模樣需要有一個包括在模型內澆鑄和用機械加工的兩個工步的過程。
雖然人們認識到那些不容易在模型內鑄出的復雜模樣可以從一塊模樣材料上用機械加工制出，但要看到，機械加工對用此法制造的每一個模樣也有其局限性。用機械加工制造一個模樣而不是在一個復雜的模型內把它澆鑄出來，并沒有消除消耗費用和時間的問題。
雖然采用合適編程的數控機床來機加工模樣可以制造出任何所需數目的相同的模樣，但如同任何一種機加工程序那樣，被機加工零件越是復雜，制造該零件所需的時間和費用也就越多。彎曲的零件特別能消耗時間，因為它們通常需要加工好多次才能制出光滑的曲面。
傳統的螺旋形刀片鉆井鉆頭具有一個連續彎曲的刀片端以便用來將切割元件安裝成螺旋形。在鋼鑄件上機加工彎曲而盤旋的刀片十分困難并且費時。將塑料機加工成彎曲的形狀也要消耗時間，并且由于每一個模樣必須分開來制造，在一個生產流程內的時間損失還應乘上該時間內所能機加工模樣的數目。因此，任何一種設計的改變只要能減少機加工的復雜性，就能顯著地節省時間和費用，不管該設計是用于鋼料還是塑料。
塑料模樣的機加工還使我們有可能創造出如果在鋼鑄件上進行機加工則并不切合實際的那種鉆頭設計。這樣在鋼鉆頭體上也許需要一個小時才能形成的表面，在塑料模樣上可能只需要幾分鐘便可機加工出來。這個能力使我們能夠切合實際地創造出如果直接在鋼鉆頭上機加工則是不切合實際的那種鑄造鉆頭的細節。
在鋼體鉆頭的典型制造方法中迂到的一個問題來自將表面硬化材料焊接在鉆頭的基準面上。如果材料不是適當地焊敷，會造成鉆頭的尺寸過大或過小，或者會造成能鉤抓井孔表面的粗糙的邊。在任何一種情況下，該鉆頭都必須重新加工來改正缺點。
傳統的鋼鉆頭還采用從刀片邊延伸到另一刀片邊而橫越刀片表面的表面硬化材料。如果該表面硬化材料沒有適當地施加好，那么當鉆頭體由于其與較硬的表面硬化材料接觸而被磨耗時，該表面硬化材料可能形成一條尖銳的邊，該邊能卡在井孔壁上，并造成鉆頭振動和其他不希望有的鉆孔動作。因此，應該知道將表面硬化材料適當地施加在鉆頭的正確區域上對鉆頭的適當操作是一件至關緊要的事。
本發明的簡要說明本發明為那些形狀復雜、不能在雨瓣可重復使用的模型內鑄出的鋼鉆頭體提供一種制造方法。本發明還提供一種能用本發明的方法制造的新穎的鉆頭設計。在本發明的方法中，首先將塊狀塑料機加工成模樣，形成第一個可復制的復雜模樣體。在本文中，名詞“復雜模樣”被用來說明一種不能從由少于三瓣構成的、可重復使用的模型內取出的模樣。該復雜模樣體在熔模鑄造中被用作熔化的材料以便制出第一復雜模樣體的金屬復制品。從機加工的復雜模樣中制出的金屬鑄件可制成兩個或多個，只要對每一個模樣重復進行相同的機加工過程即可。本發明的一個重要特點是本方法可用來制造復雜模樣體的變型，只須改變機加工的控制程序使它生產出變型的機加工模樣即可。這個能力使它能有限地制造出多個為給定的、復雜鉆頭設計和修改設計使用的模樣而可省掉制造一個可重復使用的模樣模型和改變模樣模型從而生產出修改模樣的中間工步。
在本方法的較優實施形式中，復雜模樣是由擠壓的聚苯乙烯材料機加工而成。五軸的數控機床被用來制造復雜的鉆頭模樣體。采用基本的核心程序來生產出給定模樣體設計的多個復制品，并通過基本核心程序的修改來生產出一種或多種鉆頭設計修改型式的多個復制品。
機加工的復雜鉆頭模樣可被用在“復制鑄件”(Replicast)法或其他類似的方法中，其時可硬化的材料被用來覆蓋在聚苯乙烯的模樣上以便制成一個薄殼模型。覆蓋的模樣被加熱使覆蓋層硬化并使模樣燒掉或汽化。最后造成的殼模最好是陶瓷的，被放置在支承砂床上或其他支承結構上，將熔化的鋼水注入其內便可造出所需的鉆頭體。一旦金屬冷凝，陶瓷的殼模便可從金屬上破除，從而露出具有所需復雜形狀的鉆頭。
用作機加工坯料的塑料最好是輕質的、擠壓出來的聚苯乙烯，它可被機加工制出一個比較光滑表面，這種材料除了具有這個特性外，還具有足夠的強度使它在被機加工成為模樣時，能被制成細長、較小的、自我支撐的形狀。而通常用于模鑄或制型用模樣的塑料與本發明所采用的較優材料加擠壓的聚苯乙烯相比，前者較多團粒、較少致密、并且結構上較弱。
塑料坯料在一道工步的機加工操作中被加工成為復雜的形狀可以消除工件重新裝夾的需要，增加被加工模樣的精度重現能力。采用器軸或五軸的機床還可消除在塑料坯上設置中央安裝心軸或其他裝夾夾具的需要，而這種心軸或夾具在傳統的三軸機床上為了制出復雜的機加工細節而將工件重新定位時可能會需要。
設計用來機加工軟材料的專用五軸機床被采用以便增加機速和靈活性。在多次進行的生產流程中，如果需要比較頻繁地更換鉆頭模樣的設計，那么采用這種專用機床來制造復雜的鉆頭模樣表面將特別適合。
本發明的鉆頭具有由于其設計和其制造方法而造成的獨立特點。本發明的鉆頭為一螺旋刀片鋼體鉆頭，其相鄰刀片之間的間距被增大以便當鉆頭鉆孔時增大切屑的排出通道。鉆頭刀片對鉆頭軸線偏斜并形成多個相連的平表面，這些平表面結合便可在刀片邊緣上產生一條連續的螺旋曲線以便用來安裝切割元件。采用這種方法，便可用比較簡單的平表面機加工過程來得到一個螺旋曲線的機加工表面。
本發明的鉆頭的另一特點為刀片的向前偏斜，這樣作用在旋轉刀片上的鉆孔力就會大部分從刀片邊緣通過刀片導向鉆頭體。與此相反，在一不偏斜的刀片上，鉆孔力會以直角方向作用在刀片側面上，從而增加使刀片向后彎曲的力。將力施加在刀片邊緣上而不是施加在刀片的側面上可允許刀片減薄，刀片厚度的減少有助于刀片間間距的增加，這樣又可改善切屑經過鉆頭的流動。
本發明的鉆頭的另一特點是，在基準面上設有凹槽區，用以施加表面硬化材料。凹槽區被機加工在塑料模的基準表面區內。鉆頭鑄件含有相應的凹槽。施加在凹槽區內的表面硬化材料在鉆頭旋轉時能起到抗拒磨耗的作用，從而能幫助維持恒定的鉆孔直徑。在刀片邊緣之間用來施加表面硬化材料的凹槽區能使鉆頭刀片材料和表面硬化材料之間有一光滑的接觸面，從而可防止表面硬化材料的邊緣鑿到形成的壁內或從刀片上裂開。凹槽還可用作標記，以便焊工施加表面硬化材料而制成一個比較均勻、完整的表面硬化層。雖然在鋼鉆頭本身內形成凹槽區需要一個費時的機加工過程，但凹槽可迅速而且容易地在塑料模樣內制出，而該塑料模樣可被使用在本發明所用鑄造過程中。
由上可知本發明的一個重要目的是要提供一種方法，其中多個復雜的鋼體鉆頭可用熔泡塑模鑄造法鑄出，而所用模樣可用可編程的程控機床制出。
本發明的另一重要目的是要提供一種方法，以便通過改變用來控制計算機數控機床的核心程序來改變基本的鉆頭設計。
本發明還有另一目的是要提供一種方法，它可用來制造一個基本鉆頭設計的多個相同的金屬復制品，并可容易而迅速地修改設計，制造出修改設計的多個相同的復制品。
本發明的另一個目的是要提供一種方法，其中被用來生產鉆頭鑄件的、復雜的泡沫塑料模樣可以其與所要鑄造的復雜鉆頭體十分接近的最終形狀供檢驗，從而可以容易地檢驗出模樣體上的缺陷。與其他方法相比，其中最終的鉆頭模樣是通過一系列工步造成的，所產生的模樣只是與最終所需的形狀籠統地近似，而本發明的系統由于能在終端產品和模樣之間直接比較，即使經驗較差的檢驗員也能檢驗出缺陷。
本發明的一人重要目的是要提供一種鑄造鉆井鉆頭的方法，該法可用來制造數量較少的、特殊設計的鉆井鉆頭，還可用來將基本設計的變型制造出來，不需另外費用，也不耽擱時間。
本發明的一個目的是要提供一種利用塑料模樣來形成多個復雜的金屬鉆頭體的生產方法，所說塑料模樣由計算機控制的機床加工出來，這樣可以生產出復雜鉆頭體的多個立即可復制的并且立即可修改的塑料模樣的復制品。
本發明還有另一個目的是要提供一種鑄造金屬鉆頭的方法，其中模樣材料被機加工成為在熔化模樣鑄造法中可熔化材料的模樣，而且該可熔化材料具有緊密性，能容易地被機加工成為一個光滑耐用的模樣，其形狀使它成為與所需鉆頭設計符合的基本上正確的復制品。
本發明的一個目的是要提供一種制造復雜鉆頭的方法，該方法能以較少的數量經濟地生產，并能用改變數控機床編程的辦法來改變鉆頭的設計。
本發明另一個目的是要提供一種方法，其中具有四軸或更多軸的機床能在一次裝夾操作的條件下完成復雜的塑料模樣，從而能有多個具有所需鉆頭形狀的準確復制品可在熔化模樣鑄造法中被澆注。
本發明的一個相關目的是要提供一種在五軸機床上加工軟材料的方法，從而使數量較少的特殊設計能經濟地制造。
本發明另一個重要目的是要提供一種具有特殊形狀刀片的鉆頭，該刀片在鉆頭體上向前偏斜形成螺旋邊緣的模樣以便用來安裝切割元件。
本發明的一個相關目的是要提供一種具有向前偏斜刀片的鋼體鉆頭，該刀片是由多個平面的機加工相互配合而形成的，能成為一個螺旋的供切割刃安裝的形狀，其作用如同一個連續曲線的螺旋刀片設計。
本發明還有一個目的是要提供一種刀片在鉆頭旋轉方向上向前偏斜的鉆頭，使鉆頭刀片邊緣以一個角度咬合地層，這樣來沿縱長方向導引鉆孔力使它通過刀片傳向鉆頭體，以資增加刀片在鉆孔方向上的強度。
本發明的一個目的是要提供一種方法，其中用來制造多刀片鋼體鉆頭的塑料模樣上有許多平表面經過機加工使它們互相配合而具有螺旋刀片的效果。
本發明的一個一般目的是要提供一種鉆頭設計，該設計具有簡化的機加工表面細節，可產生與采用較復雜的機加工表所能得到的效果類似的效果。
本發明的一個目的是要采用一種具有上述那種改進的機加工特征的模樣以便在熔化模樣鑄造法中使用。
本發明另一個目的是要提供一種鉆頭設計，該設計能從塑料模樣中澆鑄出來，而該塑料模樣具有比鋼更容易被機加工的特征。
本發明的一個相關目的是提供一種具有凹槽區的鉆頭，以便將表面硬化材料施加到鉆頭的基準面。
本發明還有一個相關目的是要提供一種具有凹槽區的模樣，該凹槽區被機加工到塑料模樣的基準面內，以便將表面硬化材料施加在其上，該塑料模樣在溶泡塑模鑄造法中被用來生產鉆頭。
附圖的簡要說明
圖1為方塊圖說明制造本發明的鋼體鉆頭的各個工步。
圖2為本發明的鉆頭模樣的端視圖；圖3為本發明的鉆頭模樣的一個剖面的立視圖；圖4為按照本發明的說明制造的鉆頭的立視圖；圖5為圖4中鉆頭的端視圖；及圖6為在本發明的方法中用來制造模樣的五軸CNC機床的機動頭的立視圖。
較優實施例的說明本發明的方法的基本工步一般地在圖1中用標號10指出。該方法的第一工步要求對一擠壓的聚苯乙烯坯料進行機加工借以形成一個與要用鑄造方法制造的鉆頭基本等同的復雜模樣。該模樣使用一臺五軸計算機操作的數控機床來機加工，能在塑料坯一次裝夾的條件下制出復雜的形狀。
如在方塊12中所示，經過機加工的模樣被一層可硬化的、耐火材料的泥漿覆蓋。將具有覆蓋層的模樣放置到一個干燥器內，如在方塊13中所示，使耐火材料硬化成為一個陶瓷殼體，同時把塑料模樣燒掉。
將陶瓷殼模定位在一個砂臺上，如在方塊14中所示，以便使薄的陶瓷殼模取得結構支撐。
將熔化的鋼水澆注到陶瓷殼模內，如在方塊15中所示。
在鋼冷卻后，從制成的鑄件上破碎并去除陶瓷殼模，如在方塊16中所示。
鑄件隨后被機加工或用其他方法處理，這樣便完成一個鉆頭，如在方塊17中所示。
在方塊12-17中示出的工步為現有技術所熟知。而形成制型用模樣的程序、和該方法產生的特殊鉆頭、以及鉆頭的設計(不管其生產方式如何)為本發明的研究對象。在本發明的方法中，建有一個生產系統，其中對特定的復雜鉆頭設計編有程序，因此可將采用這種設計的有限數目的模樣通過機加工制出。同時該程序又可修改，從而作出修改鉆頭設計。該修改設計可在一段時間內采用，又可再進行修改，從而可生產出第二次修改設計的一個或多個模樣。這樣這個系統便可與一般系統區別開來，在一般系統中，對每一個新的或不同的鉆頭生產流程都要制造或修改一個中間模樣的模型。
圖2示出一個已被機加工成為一個五刀片鉆頭模樣的聚苯乙烯坯料的端頭。一般地用標號18指出的模樣之所以“復雜”是因為其形狀使它不能從簡單的、可重復使用的兩瓣模型結構中取出。雖然能夠造出一個能被用來制出模樣18的模型，但這個模型將需要大量分開的部分和復雜的安排，構造這樣一個模型所需的費用和時間將使這個方法不能實行。
本發明的一個特點是鉆頭的設計，在該設計中，模樣18可被機加工成為一連串平表面如表面19、20、21和22，這些表面互相連接在一起便可使模樣得到所需的表面形狀。使鉆頭細節由多個平表面構成的重要意義在于，與由曲面構成的細節機加工時所需時間相比，機加工平表面所需時間可大為減少。這個優點適用于機加工塑料模樣以及從鋼坯機加工鉆頭體的過程。
模樣18是從擠壓聚苯乙烯的實心坯料機加工出來的。該坯料被定位在一臺特別適用于加工塑料的五軸計算機操作的機床內。在圖6中局部示出的該機床具有三條直線運動的軸線和兩條旋轉運動的軸線。在圖6中一般地用標號25指出的機動頭包括一個機械工具26，它可在工具中心線的任一側從垂直方向旋轉一個135°的弧線。而機動頭的安裝件能回轉360°，如圖6所示。三條直線軸線和兩條旋轉軸線的結合使該機床25能制出球面的、復雜的模樣而可不需將工件重新裝夾。這個能力具有重大意義，因為如果工件必須在夾盤內重新定位，那么對于較軟的塑料模樣來說，所需公差將難以維持并能被超過。如果工件被定中在中央心軸上而要用運動范圍有限的機床來機加工模樣上所需的復雜表面細節時，由于心軸需要在機床內重新設定，因此也會發生同樣的問題。
本發明的鉆頭模樣設計的一個重要特點在圖2中示出，從該圖可以看到，由本表面30、31、32和33形成的后刀片面可以得到與曲線的螺旋刀片面相同的效果而可不需用較費時的過程來機加工曲面。刀片的前表面(圖上看不到)類似地由多個連接的平表面構成，這樣得出的刀片可完成與光滑曲線的螺旋刀片相同的功能。只要可能，鉆頭模樣18的外部表面細節都可機加工成一連串的平表面來減少形成模樣的所需機加工時間。
本發明還有一個重要特點在圖3中示出，從該圖可以看到，鉆頭刀片35從鉆頭模樣的本體36上向外伸出。鉆頭刀片35的平面一般沿著A-A線延伸，而鉆頭體的中心軸線一般沿著B-B線延伸。如圖3所示，刀片35的平面與鉆頭模樣的軸線B-B相交成一角度。這個刀片相對于模樣軸線的位置在這里被稱為刀片的“向前偏斜”。而且在這方面，“向前”這個詞還被用來指相對于模樣36所制出的鉆頭的向前旋轉方向。鉆頭的向前旋轉方向就是鉆頭被用來鉆出井孔的那個旋轉方向。對本發明的鉆頭設計來說，向前偏斜是一要點，它將刀片這樣定位，使鉆孔力沿著刀片平面被向后導引到鉆頭體。在傳統的、不偏斜的刀片安裝件內，鉆孔力成直角地作用在鉆頭刀片上，從而在刀片上施加一個很大的彎曲力。而刀片的偏斜可導引鉆孔力使它通過刀片體，向后來到鉆頭體，這樣刀片就能抵擋鉆孔運動時的彎曲力。這個鉆孔力的通過刀片體的重新取向使我們能夠采用較薄的刀片，而較薄的刀片又能使相鄰刀片之間的間距增大。這個在圖2中一般地用標號38指出的間距被稱為“廢料槽”，它使鉆頭鉆孔時去除的地層切屑能夠向上流動通過鉆頭而返回到井表面。增大廢料槽的區域能增大鉆頭的鉆孔能力。
還應注意到，除了被偏斜外，在鉆頭體模樣上安裝座內的刀片還被“傾斜”。“傾斜”這一詞是指一個位置，在該位置上刀片的平面在鉆頭的向前旋轉的方向上偏離徑向而向前傾斜一個角度。
將刀片設置在鉆頭體模樣上的鉆頭設計使鉆頭切割刃可按所需的螺旋模式沿著刀片的邊緣安裝。這個模式最好同時參閱圖4和5，是這樣一個模式，切割刃沿著刀片的邊緣設置在最接近鉆頭旋轉軸線的地方，并且隨著鉆頭的向前旋轉，在鉆頭向前旋轉的方向上，切割刃會進一步離開鉆頭軸線，同時隨著切割刃的離開鉆頭端，切割刃偏離鉆頭軸線的程度也逐漸增大。這種合乎需要的形狀可以得到，不需另外加工出支承結構來導引切割刃的螺旋曲線配置。
本發明的鉆頭的另一重要特點是在鉆頭的外部表面上設有凹槽區。這些凹槽區用來作為施加表面硬化材料的限定場所，而表面硬化材料用來保護鉆頭體使它免受腐蝕和磨損。在圖3中用標號50指出的一個這樣的區域被設置在刀片35的徑向最外邊上。從圖3所示的模樣制出的鑄件會在鉆頭刀片上具有相應的凹槽區。凹槽區被用來施加表面硬化材料，通常是通過焊接過程來完成的。凹槽區具有邊緣51可作為焊工施加重敷材料時的基準并在鉆頭刀片材料和硬質焊敷層材料之間形成一個過渡區。這些特點結合起來便可防止產生粗糙邊緣和尺寸過大或尺寸不足的硬質焊敷層，如果不加以防止，這些都會產生不希望有的鉆頭性能。
參閱圖4和5，其中示出按照本發明說明制出的鉆頭，該鉆頭包括本發明鉆頭的特點。圖4中的鉆頭一般地用標號60指出，它包括一連串的、形式為具有硬質表面的、圓柱形鋃嵌件的切割元件61。這些傳統上常用的切割元件用銅焊或其他合適的方法被固定在鉆頭刀片上。
鉆頭60在其一端有一鉆頭面62而在其另一端有一連接部63。鉆頭體沿軸線C-C在軸向上延伸并載有刀片64、65、66、67和68。鉆頭包括廢料槽，例如包括在兩個相鄰刀片65和66之間的槽69。在鉆頭60上有五個這樣的廢料槽。廢料槽69的尺寸顯然比那些采用較厚刀片的鉆頭設計所能得到的廢料槽大得多。因此，該鉆頭能提高切割去除量，從而能較快和較有效地鉆出井孔。定位在鉆頭體內的噴嘴70被這樣設置和取向以便從切割刃的刀片上沖洗掉廢棄物。
圖4示出施加表面硬化材料的基準區71、72和73。這些區域位在鉆頭體徑向的外端并確定鉆頭所鉆井孔的直徑。
人們將會知道，本發明的鉆頭的上述這些特點，其價值還不止上面所說明的這一些。例如，在鉆頭的表面上設置凹槽區以便接納表面硬化材料對任何一種鋼鉆頭的制造方法都是有效的。當能在一個較軟的模樣材料上進行機加工以便在隨后的鑄造中得出所需的形狀時這個特點特別有用。又如采用機加工多個過程平表面的方法來達到機加工一個連續的曲面的效果，這個做法不論是將鋼坯直接機加工成為鉆頭還是將塑料坯機加工成為下一步鑄造過程所要用的模樣都是有效的。
與此類似，在鉆頭體上的刀片的向前偏斜能提供有益的效果不管刀片是用哪一種方式制成的。
雖然上面曾經說明擠壓的聚苯乙烯是一種較優的模樣材料，但其他材料也是可用的。一般地說，任何一種模樣材料，只要能夠容易地加工，具有足夠輕的重量，具有足夠的構造強度使它能形成自我支撐的模樣細節，并能被用作熔化模樣鑄造法的模樣，都是可用的。
在實施本發明時采用五軸機床特別適宜，因為它在加工塑料模樣時只施加極小的力，因此模樣的公差可做得很小。但應知道，任何一種器軸機床，只要它能在一次裝夾操作的條件下以所需的公差合適地制造所需的復雜模樣，也是可用的。
在上述說明的啟示下，本行業的行家顯然能對本發明作出各種變化和修改，但所有這些從本發明衍生出來的變化和修改自應屬于本發明的范圍內。
權利要求
1.一種用來制造復雜金屬體的多個復制品的生產方法，包括(a)按照預編程序的機加工過程機加工模樣制造材料的坯料以形成一個第一、可復制的、復雜的模樣體；(b)在熔模鑄造法中采用所說第一復雜模樣體作為熔化材料以便制出所說第一復雜模樣體的金屬復制品；及(c)重復步驟(a)和(b)以制出所說第一復雜模樣體的多個金屬復制品。
2.按照權利要求1的生產方法還包括下列步驟(a)修改所說預編程序的機加工過程以便形成一個第二可復制的、復雜的模樣體；(b)按照所說修改的、預編程序的機加工過程加工模樣制造材料的坯料以形成第二可復制的、復雜的模樣體；(c)在熔模鑄造法中采用所說第二復雜模樣體作為熔化材料以便制出所說第二復雜模樣體的金屬復制品；及(d)重復工步(b)和(c)以制出所說第二復雜模樣體的多個金屬復制品。
3.按照權利要求1的生產方法，其特征為，所說模樣制造材坯料為塑料。
4.按照權利要求1的生產方法，其特征為，所說塑料為聚苯乙烯。
5.按照權利要求1的生產方法，其特征為，所說機加工過程采用多軸計算機控制的機床。
6.按照權利要求5的生產方法，其特征為，所說機床為一用來加工較軟材料的高速機床，適宜具有四個或多個控制軸線。
7.按照權利要求1的生產方法，還包括下列步驟(a)在所說第一復雜模樣體上形成一個殼模；(b)從所說殼模上去除所說第一復雜模樣體；(c)將熔化金屬澆注到所說殼模內；及；(d)從所說金屬上去除所說殼模。
8.按照權利要求7的生產方法，其特征為，所說殼模是用可硬化的耐火材料覆蓋層覆蓋在所說第一復雜模樣上形成的；所說覆蓋層被加熱以硬化所述覆蓋層，并從所說殼模上去除所說第一復雜模樣。
9.按照權利要求1的方法，其特征為，所說坯料是在一次裝夾中被機加工成為所說第一復雜模樣體的。
10.按照權利要求9的方法，其特征為，所說坯料是被一臺具有至少三條直線運動軸線和兩條旋轉軸線的機床加工成為所說第一復雜模樣的。
11.按照權利要求1的方法，其特征為，所說金屬體為一鋼體鉆頭。
12.按照權利要求10的方法，其特征為，所說模樣被用來鑄造具有多個平面，向前偏斜的刀片的鋼體鉆頭。
13.按照權利要求10的方法，其特征為，被用來鑄造鋼體鉆頭的所說模樣在其基準面上設有凹槽區以便接納表面硬化材料。
14.一種用來制出復雜鉆頭體的多個金屬復制品的生產方法，包括(a)在編程數控的五軸機床上機加工擠壓的聚苯乙烯坯料，以形成第一復雜的多刀片鉆頭模樣；(b)用可硬化的耐火材料泥漿覆蓋所說鉆頭模樣；(c)處理所說已覆蓋的模樣，使所說覆蓋層硬化成為殼模，并從所說殼模上去除模樣；(d)將熔化金屬注入所說殼模內；(e)冷卻所說熔化金屬使它成為固態金屬鑄造鉆頭體；及(f)從所說鑄成的鉆頭體上去除所說殼模。
15.按照權利要求14的方法，其特征為，所說第一復雜模樣為具有平面，向前偏斜的刀片的鋼體鉆頭用的模樣。
16.按照權利要求14的方法，其特征為，所說第一復雜模樣為在基準面上具有施加表面硬化材料的凹槽區的鋼體鉆頭用的模樣。
17.按照權利要求15的方法，其特征為，所說第一復雜模樣而且是在所說平面、向前偏斜的刀片上形成帶凹槽的基準面區用的模樣。
18.按照權利要求14的方法，其特征為，所說第一模樣具有向前偏斜的刀片，而所說機加工包括將所說刀片加工成多個相連平表面的步驟，使所鑄成的鉆頭體具有鉆頭切割元件用螺旋形安裝表面。
19.按照權利要求18的方法，其特征為，所說機加工步驟還包括在所說第一模樣上加工出帶凹槽的基準面區的步驟，使所鑄成的鉆頭體在所說刀片上具有帶凹槽的基準面區。
20.按照權利要求14的方法，還包括在所說鑄成的鉆頭體上添加切割元件和表面硬化材料的步驟。
21.按照權利要求19的方法，還包括在所說鑄成的鉆頭體上添加切割元件和表面硬化材料的步驟。
全文摘要
鋼質鉆頭體是在熔泡塑模鑄造法中用聚苯乙烯模樣制造出來的。模樣被機加工,因此能生成復雜的形狀,這種復雜形狀是能從可重復使用的、兩瓣模樣模型中脫出的簡單模樣所不能復制的。模樣是由坯料按照一個基本的、編好程序的五軸機加工過程制造出來的,可形成可復制的復雜模樣體的多個復制品。該機加工過程可以修改,從而可形成修改設計的多個復制品。機加工復雜模樣由程序控制,修改設計只須修改程序,因此可制出具有各種形狀的鉆頭模樣,而可不需制造中間的、可重復使用的、可能需用多瓣構成的模樣模型,這樣在為每一個變型制造新的模樣模型所需的有關時間和費用便都可省去。模樣是在一次裝夾的條件下、在一臺適宜用三維球面運動加工塑料的機床上加工的。塑料的成分和密度使它能被機加工成為一個具有較小懸空突出和光滑表面細節的模樣。形成的鉆頭模樣具有向前偏斜的刀片,刀片的曲面由多個相連的平表面組成借以簡化機加工。刀片的邊緣形成一個螺旋面用來安裝切割元件。向前偏斜使刀片更為堅強,因此可以較薄,從而可增大刀片之間的間隙,改善經過鉆頭的切屑的流動。在模樣的基準面上機加工出凹槽,從而在鑄件上亦可產生凹槽供接納表面硬化層之用。當鉆頭在使用中逐漸磨耗時,該表面硬化層與周圍的刀片材料配合,形成一個光滑的過渡區。
文檔編號B21B1/46GK1242724SQ97181230
公開日2000年1月26日 申請日期1997年11月6日 優先權日1997年11月6日
發明者D·H·西蒙德, R·W·阿費勒, G·A·埃斯皮里圖, 小E·R·馬丁 申請人:德雷塞工業公司