一种刚度增强的钻杆制造技术

提供了一种刚度增强的可调谐或已调谐钻杆。增加所述钻杆的刚度可提高所述固有频率，从而降低所述钻杆在使用中的方向变形。所述可调谐钻杆包括被配置为支撑工具的远侧部、被配置用于附接至金属加工机床支撑结构的近侧部及在所述近侧部和所述远侧部之间延伸的杆体(至少为部分管状)。所述杆体的管状部分具有一个延长圆柱形空腔。所述钻杆杆体包括由第一材料形成的核心层和由第二材料形成的涂层。所述第二材料的弹性模量高于所述第一材料。在某些配置中，所述涂层通过熔覆、焊接、化学粘合剂、化学气相沉积、脉冲等离子扩散或其任意组合粘结至所述核心层。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于抑制在机械加工过程中引起的振动的钻杆，并且更具体地讲涉及一种至少一部分杆体包覆有高刚度材料的可调谐钻杆。
技术介绍
在金属加工操作中，工件和抵靠在工件上推进的切削工具之间存在相对运动。具体地说，上一道切削工具留在工件上的表面光洁度导致切屑厚度发生变化，这反过来导致切削力大小波动。切削力的波动增大工件和工具之间的相对运动，并且可能导致被称为颤动的不稳定状态。颤动是自激振动的一个示例。作为这种振动的结果，会产生劣质的表面光洁度和超差成品工件。当切削工具与延长钻杆连接时，颤动的问题会更加严重。钻杆基本上是一种悬臂式构件，其在一端处被锚固，在另一端处附接到切削工具。常规情况下，钻杆由金属合金形成，诸如碳钢。为减少钻杆的振动，可以降低切削速度和深度等切削参数，降低材料移除率。然而，该方法会影响生产量，导致生产率降低。为消除钻杆振动，已知进行了许多尝试。减少振动的一种方法是使用更硬材料制成的钻杆，诸如实质碳化物(例如，碳化钨)。然而，与常规钢杆相比，实质碳化物钻杆比较昂贵。此外，对于实质碳化物钻杆，虽然实质碳化物杆固有的高刚度能够降低颤动和振动，但是振动还是会达到不可接受的水平。还有，实质碳化物很脆，在使用或安装时对钻杆的很小冲击都会不小心损坏钻杆。Lee等人在美国专利No.6,935,816中公开了在钢接头和钢尖端部分之间延伸的碳化物钻杆。另一个降低钻杆振动的尝试是将动态吸振器机构附接至钻杆或附接到钻杆内部。动态吸振器可用于调谐钻杆。美国专利No.3,774,730中公开了一种在可调谐钻杆中使用的动态吸振器，包括支撑在弹性衬套上由高密度材料制成的圆柱形质量块。经过调优后，质量块响应于钻杆中产生的振动而振荡，抵消了振动。吸振器可以调谐，以使钻杆适应其长度和连接在钻杆末端的切削工具的重量发生的变化。纵向推动圆柱形质量块相对末端处的压板，从而抵靠质量块压缩橡胶衬套，这会改变橡胶支架的刚度，以更改圆柱形质量块的频率，由此来进行此类调整。一般来讲，固有频率较高的钻杆，其调谐过程会更容易，其中可以施加较小的调谐质量块。因此，与更长且更灵活的钻杆相比，更短和更硬的钻杆一般更易于调谐。可调谐钻杆一般由可以机械加工的材料制成，诸如碳钢，以便可以装配钻杆来适应吸振机构。因此，可调谐钻杆一般不会由较硬的材料制造，诸如碳化物，这些材料无法通过常规方法机械加工。除了可调谐钻杆，一些钻杆设计有不可调谐的内部吸振机构。这些防振杆将被称为AVB杆。然而，即使可调谐钻杆和AVB杆也无法提供用于小直径和较长长度钻杆的满意性能。这种限制是有问题的，因为小直径和较长长度钻杆对某些切削应用来说特别适合。钢制可调谐钻杆一般仅对小于大约10的长度/外径(L/D)比是有效的。同样，即使动态稳定，钢制可调谐钻杆可能也不具备抑制偏转的足够高的静态刚度，这可能会限制实现所需尺寸部分质量的能力。必要时，如果需要较高的L/D比，对于一些应用，可以使用带有实质碳化物杆柄的可调谐钻杆。然而，如上所述，实质碳化物昂贵、较重且易碎，导致其对于某些应用不那么有用。因此，有必要提供一种可降低振动的可调谐钻杆，以提供对于具有高L/D比的钻杆的改善性能，尤其是L/D比等于和大于10的钻杆。钻杆应能够结合目前可用的刀夹组件和动态调谐装置使用。本专利技术中的可调谐钻杆提供部分或所有这些特性。
技术实现思路
提供一种动态刚度增强的可调谐或已调谐钻杆。钻杆的动态刚度随着静态刚度的增加而增加，可降低使用期间钻杆的振幅。因此，根据本专利技术的一方面，提供了一种可调谐或已调谐钻杆，钻杆具有被配置为支撑工具的远侧部、被配置用于附接至金属加工机床支撑结构的近侧部及在近侧部和远侧部之间延伸的管状体。管状体具有一个大体上等直径的延长圆柱形空腔。钻杆杆体包括由第一材料形成的核心层和由第二材料形成的涂层。第一材料和第二材料的弹性模量不同。在某些配置中，杆体的核心层通过熔覆、焊接、粘合剂或上述方法的组合粘结至涂层。涂层可以粘结至核心层的一部分外表面。例如，涂层可能包括沿着一部分核心层纵向延伸的材料带。在某些配置中，第一材料是碳钢、不锈钢、钢筋复合材料或上述材料的任意组合。相似地，第二材料可能是弹性模量大于钢的一种材料。例如，第二材料可能是碳化钨。在某些其他配置中，涂层的厚度小于杆外径大约10％。可调谐钻杆可能包括与杆附接或嵌入到杆体空腔中的动态吸振器。根据本专利技术的另一方面，提供了一种形成可调谐钻杆的方法。可调谐钻杆具有被配置为支撑工具的远侧部、被配置用于附接至金属加工机床支撑结构的近侧部及在近侧部和远侧部之间延伸的管状体。管状体具有一个大体上等直径的延长圆柱形空腔。方法包括通过把由第一材料形成的管状核心层粘结至由第二材料形成的涂层而形成管状体的步骤；将可调谐吸振器安装到管状体的空腔内；把切削工具安装至钻杆的一端；以及把钻杆的另一端固定至金属加工机床的安装机构。第二材料的弹性模量高于第一材料。在该方法的某些实施例中，第一材料是碳钢、不锈钢、钢筋复合材料或上述材料的任意组合。第二材料可能是弹性模量大于碳钢的碳化物材料。此外，涂层可能包括以螺旋样式缠绕在核心层周边的材料带。或者，涂层可能包括沿着核心层以直线轨迹纵向延伸的材料带。在某些其他实施例中，核心层通过熔覆处理与涂层粘结。另外，当杆为圆形时，涂层的厚度可以是杆外径的10％，当杆为非圆形时，涂层的厚度是最大宽度的10％。根据本专利技术的另一方面，提供了支撑在金属加工机床上的可调谐刀夹。可调谐刀夹包括具有管状体的钻杆和沿着杆体纵向延伸的空腔；刀夹头适于接纳与钻杆远端附接的切削工具；与钻杆近端附接的安装机构，被配置为将钻杆附接至金属加工机床的一部分；以及嵌入在钻杆杆体空腔内的可调谐(已调谐)吸振器。钻杆的管状体可能包括由第一材料形成的核心层和由第二材料形成的涂层。第二材料的弹性模量高于第一材料。此外，杆体可能仅有一部分为管状结构，用来容纳吸振器，杆体的其余部分可能为通体实心或仅有一个用于其它用途的小空腔，诸如用于冷却液流。附图说明本专利技术的优选实施例的一些优点和特征已经在上文进行了总结。当本领域的技术人员参考下列附图并结合涉及附图的详细说明时，这些实施例以及该装置的其他潜在实施例将是显而易见的。图1是包括可调谐钻杆的刀夹组件的示意图，正如在现有技术中为人所知；...

【技术保护点】
一种钻杆组件，包括：具有杆体的钻杆和沿着所述杆体纵向延伸的空腔；适于接纳与所述钻杆远端附接的切削工具的刀夹头；与所述钻杆近端附接的安装机构，被配置为将所述钻杆附接到金属加工机床的一部分上；和嵌入在所述杆体中心空腔内部的可调谐或已调谐吸振器；其中，所述杆体包括由第一材料形成的核心层和由第二材料形成且与所述第一层粘结的涂层，其中所述第二材料的弹性模量大于所述第一材料。

【技术特征摘要】
2014.03.14 US 14/211,9501.一种钻杆组件，包括：
具有杆体的钻杆和沿着所述杆体纵向延伸的空腔；
适于接纳与所述钻杆远端附接的切削工具的刀夹头；
与所述钻杆近端附接的安装机构，被配置为将所述钻杆附接到金
属加工机床的一部分上；和
嵌入在所述杆体中心空腔内部的可调谐或已调谐吸振器；
其中，所述杆体包括由第一材料形成的核心层和由第二材料形成
且与所述第一层粘结的涂层，其中所述第二材料的弹性模量大于所述
第一材料。
2.根据权利要求1中所述的钻杆组件，其中所述涂层通过熔覆、
焊接、化学粘合剂、化学气相沉积、脉冲等离子扩散或其任意组合粘
结至或沉积在所述核心层上。
3.根据权利要求1中所述的钻杆组件，其中所述核心层为圆柱
形结构。
4.根据权利要求3中所述的钻杆组件，其中所述涂层被粘结至
所述核心层的一部分外表面上。
5.根据权利要求1中所述的钻杆组件，其中所述第一材料是碳
钢、不锈钢、钢筋复合材料或上述材料的任意组合。
6.根据权利要求1中所述的钻杆组件，其中所述第二材料是碳
化物、碳纤维或碳复合材料或上述材料的任意组合。
7.根据权利要求1中所述的钻杆组件，其中当所述钻杆为圆柱
形时，所述涂层厚度小于所述钻杆直径的10％，当所述钻杆为非圆柱
形时，所述涂层厚度小于所述钻杆最大宽度的10％。
8.根据权利要求1中所述的钻杆组件，其中所述钻杆的一部分
近端不具有用来放置吸振器的空腔。
9.根据权利要求1中所述的钻杆组件，其中所述杆体至少为部
分管状。
10.一种钻杆，包括被配置为支撑工具的远侧部、被配置用于附
接至金属加工机床支撑结构的近侧部以及在所述近侧部和所述远侧部
之间延伸的管状体，所述管状体具有一个延长圆柱形空腔，

【专利技术属性】
技术研发人员：R·弗洛塔德索萨菲约，
申请(专利权)人：钴碳化钨硬质合金公司，
类型：发明
国别省市：美国;US