钻头及其制备方法.pdf

适用于机器的钻头（100）包括由不同的材料制成的头部（104）和柄部（102），其中在头部（104）和柄部（102）之间具有接头（106）。头部（104）的材料相比柄部（102）的材料具有更低的热膨胀系数。柄部（102）在一端具有凹进部（112）。头部（104）具有工作表面（126）以及与凹进部（112）配合的突出部（114）。接头（106）在突出部（114）和凹进部（112）之间的接合面处形成，由此头部（104）的包括突出部（114）的部分受到压应力。突出部（114）可具有锥状形状并且凹进部（112）可具有杯状形状。柄部（102）的材料可为不锈钢，并且头部（104）的材料可包括金属碳化物。钻头（100）可为牙科钻头。

权利要求书一种适用于机器的钻头，所述机器具有可旋转的夹头，所述钻头包括：
细长构件，其具有纵向轴线且包括由不同材料制成的头部和柄部，头部材料相比柄部材料具有更低的热膨胀系数；以及
头部和柄部之间的接头；
所述柄部包括适于与机器的可旋转夹头配合的握持部以及形成于柄部纵向轴线方向的一端中且在纵向轴线方向延伸到柄部内的凹进部；
所述头部沿纵向轴线延伸，且具有适于去除材料的工作表面以及与所述凹进部配合的突出部；
其中所述接头形成于突出部和凹进部之间的接合面处，由此头部的包括突出部的部分受到压应力。
根据权利要求1所述的钻头，其中所述柄部具有位于握持部和凹进部之间的颈部部分，所述颈部部分具有的横截面尺寸等于或小于所述接头的横截面尺寸。
根据权利要求1所述的钻头，其中所述突出部具有圆锥状形状并且所述凹进部具有与所述突出部的圆锥状形状互补的杯状形状。
根据权利要求3所述的钻头，其中所述突出部的圆锥状形状为截头圆锥。
根据权利要求3所述的钻头，其中所述突出部的圆锥状形状为由在其顶点处的第一角度限定的圆锥，并且所述凹进部的杯状形状为由在其顶点处的第二角度限定的圆锥，所述第二角度大于、等于或小于所述第一角度。
根据权利要求3所述的钻头，其中所述突出部的圆锥状形状具有凹入或凸出表面，并且所述凹进部的杯状形状相应地具有凸出或凹入表面。
根据权利要求1所述的钻头，其中所述钻头包括在柄部和头部之间的接合面区域中的空隙。
根据权利要求1所述的钻头，其中头部材料的平均热膨胀系数相比柄部材料的平均热膨胀系数小至少约30％。
根据权利要求1所述的钻头，适用于具有可旋转夹头的牙科机头，其中所述接头为头部和柄部之间的焊接接头，并且其中所述工作表面包括布置成去除牙齿材料的多个切削刃。
根据任一前述权利要求所述的钻头，其中所述头部包括金属碳化物和/或所述柄部包括不锈钢。
钻头的制备方法，所述方法包括：
提供具有纵向轴线的柄部，所述柄部具有从其一端沿纵向轴线延伸进入柄部的凹进部，且所述柄部具有适于在机器夹头中使用的握持部；
提供具有纵向轴线的端头，所述端头具有沿所述端头的纵向轴线延伸的突出部；
将所述端头的突出部插入到所述柄部的凹进部内以形成两者之间的接合面，由此所述端头的纵向轴线和所述柄部的纵向轴线基本对齐；
将所述端头在接合面处接合到所述柄部以便形成沿其至少一部分的接头，从而使端头的包括突出部的部分受到压应力；以及
在将所述端头接合到所述柄部之前或之后，对端头进行加工以便在其上形成工作表面，所述工作表面构造成用以去除材料。
根据权利要求11所述的方法，其中所述柄部包括不锈钢并且所述端头包括金属碳化物。
根据权利要求11所述的方法，其中提供柄部包括在柄部中加工凹进部，以使所述凹进部具有杯状形状，并且其中提供端头包括加工突出部以便具有与所述凹进部的杯状形状对应的圆锥状形状。
根据权利要求11所述的方法，进一步包括：
在接合之后加工所述端头，以便在所述接头和所述头部之间形成颈部部分，并且所述颈部部分具有的横截面尺寸等于或小于所述接头的最大横截面尺寸。
根据权利要求11所述的方法，其中接合包括将所述端头焊接到所述柄部。

说明书钻头及其制备方法
技术领域
本发明通常涉及刀头，更具体地涉及用于去除材料的钻头(bur)。
背景技术
可以各种方法来实现材料的去除。一种常用的方法涉及将旋转刀头与待去除的材料相接触。例如，在牙科手术过程中，牙医可操作其内安装有刀头的钻保持器或机头。在该应用中，该刀头称为牙科钻头或仅称为钻头，且具有设计成以可控和理想的无痛方式去除牙齿材料的表面。机头基本上是一个专门设计的钻（drill）或回转机。机头可以各种方式供电或驱动，例如凭借穿过空气涡轮机的压缩空气或通过经由电动马达的电力而供电或驱动，这样被卡在或以其他方式保持于机头中的钻头能以超过40万转每分钟的速率旋转。
虽然钻头可为单件构造，但是钻头往往是多个部件的组装件，以致力于降低制造成本和满足性能标准。例如，钻头可以是两件式的构造，其通常包括连接到柄部或杆部的头部。头部设计成用于去除目标材料，且为此目的而具有研磨表面或切削刃，如齿或刀片。在操作过程中，当钻头旋转并且头部的切削刃接触到较软材料时，所述刃切割或去除材料。再次参考牙科钻头的例子，在牙髓治疗期间牙科医生会使用钻头通过将旋转的头部与牙齿相接触来去除牙齿的一部分，诸如牙齿的珐琅质。
为了高速有效地去除材料，刀片必须保持锋利并且深入材料的表面。在这方面，钻头的头部通常由比待去除材料更硬的物质制成。尽管在某些应用中，可以采用金刚石浸渍或电镀金刚石的切削刃，但首选材料为金属碳化物，如碳化钨。
柄部用于将旋转从机头传递到头部，还用于使头部与机头间隔开一定的距离。当钻头由两个独立的部件构成时，柄部可由低成本的、可加工的高强度材料，例如钢制成。
在将切削刃接合并机械加工于其中之前，碳化物件通常被称为端头（pill）。参考图1A和1B，用于将端头10接合到柄部12以便制备钻头14的技术包括在两个部分之间形成对接接头16。如图1A和1B所示，对接接头16将两个平坦表面放置到一起，一个平坦表面位于端头10上而另一个平坦表面位于柄部12上，进而焊接或钎焊两个平坦表面之间的接合面来形成对接接头16。另一种接合端头和柄部的接头构造（未示出）包括在端头中形成凹进部，将柄部的一部分插入到凹进部内并且将两者钎焊或焊接到一起。
然而，这些构造每个都具有其局限性。对于其中一种构造，虽然对接接头是一种简单且容易形成的接头，但是具有对接接头的钻头往往会在材料去除过程中受到的载荷下断裂。也就是说，接头在该构造中通常是薄弱点，且有时限制钻头的使用寿命和有效性。具体地，参考图1B，在使用过程中施加到钻头14的头部或端头10上的横向载荷（箭头18）或力矩使得钻头14的表面处于张力（由δ1表示）下，因此，接头16也至少部分地处于张力下。从而，由所施加的载荷L导致的应力趋于将接头16拉开。这些裂纹张开应力（由δ2表示）具有与拉伸应力δ1完全相等的量值。
另一种接头构造包括在端头中形成凹进部，柄部在所述凹进部内倾斜并被接合。然而，这种接头构造加工昂贵，且通常需要特别改造的接合技术，该接合技术对于生产环境而言通常是不切实际的。例如，在端头由碳化钨制成时，端头中凹进部的加工通常需要金刚石浸渍或其它昂贵的钻头，其原因在于金属碳化物以其极高的硬度而被公知。因此，在由极坚硬的材料制成的端头中加工凹进部将显著地增加制造工艺的成本。此外，这种技术可能无法提供能抵抗钻头使用过程中所受到的正常应力的接头。
因此，需要能解决上述问题的钻头。具体的，需要一种既结实又可以成本有效的方式制造的钻头。
发明内容
为此目的，在本发明的一个实施例中，适用于具有可旋转夹头的机器的钻头，其包括具有纵向轴线的细长构件，其包括由不同材料制成的头部和柄部。头部和柄部在接头处接合到一起。头部材料相比柄部材料具有更低的热膨胀系数。柄部包括握持部和凹进部，所述握持部适于与机器的可旋转夹头配合，所述凹进部形成于柄部的纵向轴线方向上的一端并且在纵向轴线方向上延伸到柄部内。头部沿纵向轴线延伸，且具有适于去除材料的工作表面和与凹进部配合的突出部。接头在突出部和凹进部之间的接合面处形成，由此头部的包括突出部的部分受到压应力。在一个实施例中，柄部的材料为不锈钢而头部的材料包括金属碳化物。在一个实施例中，突出部具有圆锥状的形状且凹进部具有与突出部的圆锥状形状互补的杯状形状。在另一实施例中，突出部的圆锥状形状具有凹入或凸出表面，而凹进部的杯状形状相应地具有凸出或凹入表面。在一个实施例中，钻头是牙科钻头。
在本发明的另一个实施例中，钻头的制备方法包括提供具有纵向轴线的柄部，所述柄部具有从其一端沿纵向轴线延伸进入柄部的凹进部，且所述柄部具有适于在机器夹头中使用的握持部。该方法还包括提供端头，所述端头具有纵向轴线和沿端头的纵向轴线延伸的突出部，并且将端头的突出部插入到柄部的凹进部内以形成两者之间的接合面，由此端头的纵向轴线和柄部的纵向轴线基本对齐。端头和柄部在接合面处接合以便形成沿其至少一部分的接头，从而使端头的包括有突出部的那部分受到压应力。在将端头接合到柄部之前或之后对端头进行加工以便在其上形成工作表面，该工作表面构造成用以去除材料。在一个实施例中，将端头和柄部接合包括将端头焊接到柄部。
附图说明
纳入并构成本说明书一部分的附图解释说明本发明的实施例，且与上面给出的综述和下面给出的详细说明一起来用于解释本发明的各方面。
图1A是根据现有技术的具有对接接头的钻头的平面视图；
图1B是沿着剖面线1B‑1B所取的图1A的横截面视图；
图2A是本发明钻头的一个实施例的平面视图；
图2B是沿着剖面线2B‑2B所取的图2A的横截面视图；
图2C是图2B的圆圈区域2C的放大视图；
图3‑10是根据本发明的端头和柄部构造的各实施例的透视分解视图；
图11A是本发明的一个实施例的若干坯件的照片；
图11B是对图11A的坯件进行加工之后的根据本发明一个实施例的若干钻头的照片；
图12是本发明一个实施例的横截面的扫描电子显微照片；
图13是接头构造的断裂载荷的箱形图，示出具有对接接头的钻头以及根据本发明实施例之一的示例性钻头的断裂载荷。
具体实施方式
现在参考附图，特别参考图2A和2B，在本发明的一个实施例中，钻头100包括在接头106处接合到头部104的柄部102，下面对其中的每一个进行更详细的描述。如图所示，钻头100大致为具有纵向轴线110的细长构件108，钻头100设计成绕纵向轴线110旋转。此外，在下面进行的更详细描述中，柄部102和头部104由不同的材料制成，从而材料具有不同的热膨胀系数。参考图2B，柄部102具有在其一端形成的凹进部112而且头部104具有互补且相对的突出部114，从而使突出部114的至少一部分适配于柄部102的至少一部分中，或者与柄部102的至少一部分紧密配合或邻接以形成接头106。以下对突出部114和凹进部112的细节进行更详细的描述，与两种材料的热膨胀系数之间的差异相结合，突出部114和凹进部112的构造在头部104中（尤其是在突出部114中及其周围）产生压应力。由于与例如如图1A中所示的具有对接接头16构造的钻头14相比，头部104和柄部102之间的接头106在使用中能够承受更大的应力而不会断裂，因而所述钻头100出乎意料地结实。此外，尽管具体提到了“钻头”和牙科应用，但是应该理解钻头100可适用于其它材料去除的应用，例如PC板钻孔，和金属切削及成形应用。在这些应用中，钻头可被称为“微钻”，“刀头”，“切削工具”，或另外类似的术语，因此，术语“钻头”并不仅指牙科钻头。
参考图2A‑2C中所示的柄部102，凹进部112形成于柄部102的一端内。如图所示，柄部102可具有限定凹进部112的侧壁116。凹进部112接纳突出部114的至少一部分，以使突出部114与侧壁116的一部分配合或邻接。在一个实施例中，凹进部112具有大致凹入或杯状形状。在该方面，凹进部112可具有多种构造，下面参考图3‑10对其中的一些进行描述。除了各种杯状构造之外，侧壁116的表面光洁度可为粗糙的或构造成具有沟槽或脊状物（未示出），上述沟槽或脊状物可纳入而与凹进部112的形状无关。
继续参考图2A‑2C，在一个实施例中，凹进部112为圆锥形，特别地可以为一圆锥，该圆锥沿钻头100的纵向轴线110大致对称，并且由圆锥的顶点118处的角度A来限定（参见图2C）。角度A可测量为例如在0°和180°之间。通过进一步的实例，角度A可测量为大约20°或以上、大约30°或以上，或者大约40°或以上，并且可测量为大约160°或以下、130°或以下、110°或以下，或者大约90°或以下。通过另外的实例，角度A可测量为在大约20°和大约160°之间、在大约30°和大约90°之间、在大约40°和大约80°之间，或者在大约55°和大约65°之间。在一个实施例中，角度A约为60度。圆锥形凹进部112的基部可由侧壁116的边缘120限定。如图所示，边缘120可与柄部102在接头106处的横截面尺寸相符，但本发明的实施例并不受如此的限制。例如如图9所示，边缘120具有的横截面尺寸可以小于柄部102在该位置的横截面尺寸。边缘120的横截面尺寸和柄部102外表面的横截面尺寸之间的差异会形成如图所示的平台122。
参考图2A和2B，如上所述，柄部102接合到头部104，且允许钻头100绕其纵向轴线110旋转。为此，柄部102可构造成固定到钻（未示出）内或者能够迫使钻头100旋转的类似装置内。通过实例的方式，在牙科应用中，钻可能是机头。在该方面，柄部102具有握持部124，其与钻配合且可专门构造成适于钻。如图2A中所示，握持部124通常可与头部104间隔开，以便在头部104和钻之间提供间隙，进而允许用户（例如牙医）在使用过程中看到头部104的位置。为此，柄部102的长度（包括握持部124）可根据应用（包括钻的类型以及钻头100的其它尺寸）而有所不同。通过实例的方式，钻头100的长度可约为0.700英寸（约17.8mm）。此外，虽然握持部124取决于钻的类型和应用而会有任意数目的构造，其中在一个实施例中，握持部124可具有圆形的横截面，其允许钻头100摩擦固定于夹头或刀架内，例如，颚式或套筒式夹头。通过实例的方式，对于圆形横截面而言，柄部102的直径可约为0.063英寸（约1.60mm）至约0.092英寸（约2.29mm），然而可预期更小或更大的直径。如众所周知的那样，这些和其它类型的夹头依靠摩擦配合来在使用过程中将钻头100（尤其是具有圆形横截面的那些）固定在位。然而，取决于应用以及在使用过程中将钻头100保持于其内的钻或机器，握持部124可具有其它的横截面构造。通过另外的实例，握持部124可具有方形或其它非圆形的横截面形状，从而其可适配于钻的可旋转部分中的具有类似形状的刀架内，或者以其他方式由夹头更牢固地握持。附加的或可选的，握持部124的横截面形状可具有允许将钻头100固定在钻内和/或由钻驱动的特征，诸如突出部、平坦部或一种或另一种类型的键。
如上所述，柄部102和头部104由不同材料制成，因而具有不同的热膨胀系数。柄部102材料和头部104材料之间的热膨胀差异可用于增强钻头100的强度。关于热膨胀系数，柄部102材料的特征在于具有的热膨胀系数高于头部104具有的热膨胀系数，如下所述。应该理解，给定材料的热膨胀系数描述当材料温度变化时材料的膨胀和收缩。其可定量地描述为每单位长度的长度变化或每单位体积的体积变化与温度变化的比率。线性热膨胀系数的单位通常表示为μm/m·K或μin/in·°F。因此，在一般情况下，当加热或冷却使得每种材料经受相同的温度变化时,具有较高热膨胀系数材料的膨胀程度高于具有较低热膨胀系数材料的膨胀程度。如众所周知的那样，热膨胀系数随温度变化。因此，本领域的普通技术人员通常指的是特定温度范围内的平均热膨胀系数。
参考图2A和2B，由于热膨胀的差异，在相同的温度范围内柄部102将以高于头部104的更大比例进行膨胀和收缩。通过实例而不是限制的方式，柄102可为钢，如碳素钢，奥氏体或马氏体不锈钢，或者含有铬作为主要合金元素的其它钢。通过实例的方式，碳素钢可为S2工具钢，其在约21℃至约750℃的温度范围内具有的平均热膨胀系数为约14.8μm/m·K。然而，可以使用其它工具钢。通过附加的实例，柄部102可由400系列不锈钢或包括作为合金元素的少量（如果有的话）（如少于2.5％的重量）镍的等同物制成。此外，柄部102的钢可处于未硬化状态，或根据本领域内公知的工艺进行硬化。关于平均线性热膨胀系数，不锈钢的特征在于在从0℃至1000℃的温度范围内具有在约10至约20μm/m·K的范围内的平均线性热膨胀系数。然而，可以理解，给定钢的平均线性热膨胀系数将取决于钢的类型，尤其是钢中的任何合金元素的含量和种类以及测量热膨胀系数的温度范围。因此，如果柄部102的平均热膨胀系数大于头部104材料的平均热膨胀系数，则柄部102的平均热膨胀系数可高于20μm/m·K或低于10μm/m·K。此外，可以理解，具有柄部102（柄部102材料的平均热膨胀系数仅略高于头部104的平均热膨胀系数）的钻头虽然会不表现出显著的强度量级的提高，但是至少在头部104的突出部114内仍包含压应力，正如在下面更详细描述的那样。
除了热膨胀系数的差异之外，柄部102的材料可具有不同于头部104材料的其它力学性能。例如，虽然柄部102的材料相比头部104的材料通常具有更高的韧度，柄部102的材料可比头部104的材料软，也就是说，不像头部104的材料那样硬。因此，这使得柄部102的握持部124更有效地固定于钻内，其中例如夹头的夹爪比柄部102更硬，并且允许夹爪“咬合”到柄部102的握持部124内，但是柄部102在使用过程中不会因施加于其上的应力而断裂。
在一个实施例中，柄部102由不锈钢制成。因此有利的是，当在使用过程中暴露于流体（诸如生物流体）以及其它腐蚀性环境时，不锈钢柄部可抗腐蚀。此外，不像现有技术的具有碳化物头部的钻头，根据本发明的一个实施例具有接合到碳化物头部的不锈钢柄部的钻头足够结实以便在牙科应用中使用。尽管不锈钢和金属碳化物的热膨胀系数之间有相当大的差异。此外，在需要耐腐蚀的性质时，使用不锈钢可有利地去除用于在柄部102上设置耐腐蚀涂层的后续电镀或处理，诸如镀镍。耐腐蚀可延长钻头100的使用寿命。例如，具有不锈钢柄部的钻头100比具有碳素钢柄部的钻头会持续更长的时间。即使在不锈钢柄部和碳钢柄部中每一个之上的头部可具有同等的使用寿命，然而具有不锈钢柄部的钻头比具有碳素钢柄部的钻头更耐久，其原因在于碳素钢可能会腐蚀。腐蚀将导致柄部102的强度降低，从而减少其使用寿命。此外，柄部102的腐蚀会对牙科手术产生特殊的后果。腐蚀产品未必具有生物危害性，并且腐蚀柄部可保持足够的强度，使其在使用过程中不会断裂或变形，但是由于柄部腐蚀使得钻头褪色不美观，且会给患者显现出“肮脏”的感觉，该患者会反对在其嘴内使用腐蚀的钻头。
如图2A‑2C所示，头部104形成钻头100的一端，该一端通常与柄部102的握持部124相反。如上所述，突出部114与柄部102的凹进部112配合而形成接头106。钻头100的头部104设计成当钻头100旋转时去除材料。为了完成材料的去除，头部104具有工作表面126。参考图2A，工作表面126配置有凸起132或其它合适的特征，从而能够将材料从工件（未示出）去除。本领域的普通技术人员将注意到存在许多适合的凸起，以及对凸起类型的选择往往取决于为此而设计钻头100的应用。在牙科治疗中，例如，工作表面126可设计成去除牙齿珐琅质。仅仅通过实例而不是限制的方式，凸起132可为由凹槽（通过实例的方式，如图11B中所示）间隔开的多个刀片，所述凹槽加工到头部104内。这些刀片可定位于相对于工作表面126的切线的不同角度处，以改变钻头100的切削作用。如众所周知的那样，更钝的角会产生所谓的“负前角”，其增加钻头100的强度和使用寿命。另一方面，更锐的角会产生“正前角”，从而使刀片更为“锐利”。然而，具有正前角的刀片可能会更迅速的变钝。刀片可具有附加的特征。通过实例的方式以及具体参考图11B，可增加横过每一刀片的附加切削工具（cut）以提高切削效率。
参考图2A，工作表面126可采取圆柱状的形状，然而，本发明的实施例并不受到如此的限制。除了突出部114之外，头部104的形状可取决于给定的应用、机器或材料，且除了其它之外可包括球形、倒圆锥、直形裂隙、锥形裂隙、梨形头部等等。此外，头部104、接头106和柄部102的横截面尺寸或形状不需要相同。例如，头部104的横截面尺寸可大于、等于或小于柄部102的横截面尺寸。
关于突出部114，突出部114的表面在接头106处与柄部102的侧壁116相对。为此，突出部114构造成至少部分地适配于凹进部112内，以便突出部114的一部分表面紧靠侧壁116的表面。因此，突出部114相对于对接接头16（在图1A和1B中示出）可以是凹入的。突出部114的凹入形状可采取多种构造的任何一种构造，下面参考图3‑10对其中的一些进行描述。
在一个示例性实施例中，如图2A‑2C所示，突出部114可与凹进部112的尺寸对应，以便侧壁116的几乎整个表面紧靠突出部114的整个表面。因此，当凹进部112具有圆锥形时，突出部114也可以是类似的圆锥形或圆锥形状。如图所示，圆锥形状的突出部114可是大体对称的，且在顶点128或锥尖处由角度B限定，并且圆锥基部在横截面上的尺寸对应于工作表面126与突出部114的表面在肩部130处的交接面。在一个实施例中，角度B大体与凹进部112的角度A对应，但是应该理解这两个角度可以不同，以简化组装，如下面详细描述的那样。
至于上述的凹进部112，在一个实施例中，突出部114的顶点128可位于纵向轴线110上，例如，测量可在0°和180°之间。通过另外的实例，角度B可测量为约20°或更大，约30°或更大，或者约40°或更大，并且可测量为约160°或更小，约130°或更小，约110°或更小，或者约90°或更小。通过附加的实例，角度B可测量为约20°至约160°之间，约30°至约90°之间，约40°至约80°之间，或约55°至约65°之间。在一个实施例中，角度B为约60°。与柄部102在接头106处的横截面尺寸相比，突出部114的基部例如在肩部130处的横截面尺寸可大于、大体等于或小于边缘120的横截面尺寸。因此，突出部114可以完全地或不完全地坐落于凹进部112内。然而，在示出的示例性实施例中，肩部130在接头106处与边缘120的尺寸相符。
如上所述，头部104的材料具有比柄部102的材料更低的热膨胀系数。如上所述，因此相比柄部102的材料，头部104材料的膨胀程度更小。例如，头部104的材料具有的热膨胀系数低于约20μm/m·K或低于约10μm/m·K。通过实例的方式，头部104材料具有的平均热膨胀系数可以比柄部102材料的平均热膨胀系数小至少约30％。在另一实例中，头部104的材料具有的平均热膨胀系数可以比柄部102材料的平均热膨胀系数小至少约50％，在某些情况下，头部104的材料具有的平均热膨胀系数可以比柄部102材料的平均热膨胀系数小高达约70％。
在一个实施例中，头部104的材料包括金属碳化物，例如，由选自于钒（V），钨（W），铬（Cr）和/或钼（Mo）的任何一种金属的金属碳化物或选自于上述金属的组合的金属碳化物。但是，也可采用其它类型或等级的碳化物和具有相似硬度和热膨胀系数的其它合适的材料。例如，头部104可为金属氧化物；金属氮化物，如氮化钛（TiN）；或含有金属氧化物、金属氮化物或其它硬质陶瓷材料的金属陶瓷。金属碳化物，诸如碳化钨（WC），可具有约为6μm/m·K的热膨胀系数。但是，头部104的材料可为金属基质复合材料，其包括任何一种金属碳化物颗粒或金属碳化物颗粒的组合，上述颗粒结合于钴（Co）、镍（Ni）或类似金属的合金的金属基质内。通过实例的方式，金属基质可包含约10％重量的钴（Co）。金属基质可具有比金属碳化物大的平均热膨胀系数。因此，如上所述，头部104材料可具有的平均热膨胀系数比单独的金属碳化物的平均热膨胀系数大，但比柄部102材料的平均热膨胀系数小。应该理解，在金属基质复合材料的情况下，头部104的热膨胀系数由金属碳化物的类型和比例以及金属基质的类型和比例来确定。根据本发明的实施例，不会牺牲头部所选材料的益处来满足最低强度要求。
除了头部104和柄部102的热膨胀系数之间的差异之外，头部104的材料通常比柄部102材料更坚硬和更为刚性。如本领域中公知的那样，金属碳化物和其它类似材料的特征通常在于超过约8.0的莫氏等级的硬度，但是一些材料的特征在于超过约8.5的莫氏等级的硬度，而其它材料具有约9.0的莫氏等级的硬度。头部104和凸起132的硬度特别允许凸起去除更软的类似牙齿珐琅质或金属的材料。高硬度可提高材料去除，同时可在某些应用中提高钻头100的使用寿命。
此外，在一个实施例中，头部104的材料比柄部102的材料更为刚性。例如，碳化钨的刚性为钢的约三倍左右。然而，高刚性往往与脆性材料（即由脆性断裂而断裂的材料）相关。作为高硬度以及其它特性的结果，柄部102可不由这些材料制成，因为这些材料的刚性和硬度使得难以抓握柄部102，同时也会增加柄部102在使用过程中由于断裂而失效的可能性。然而，柄部102的特征在于通过经受已知的与制成所述柄部102的钢有关的硬化工艺而获得的硬度。
通常而言，钻头100构造成通过使钻头100在横向方向上接触工件来去除材料，所述横向方向类似于载荷L（箭头134）的方向。相反，钻具的钻头通过在轴向方向或与箭头134的取向成90度的方向上加载钻头来去除材料。如本领域内公知的那样，当在图2B所示的方向上施加负载L时，将在接头106上产生弯矩或扭矩。因此横向荷载在钻头100中产生通常平行于纵向轴线110的拉伸应力。因此，受到载荷L的钻头100在接头106处的表面上可形成最大拉伸应力σA。拉伸应力σA导致形成大体垂直于接头106接合面的裂纹张开应力σB。裂纹张开应力σB是定向为与接头106的接合面大体垂直并且其操作成将接头106拉开的拉伸应力。可以理解，当裂纹张开应力σB超过接头106的抗拉强度时，所述应力将导致钻头100断裂。
根据本发明的一个实施例，凹进部112和突出部114构造成减小在接头106处监测到的裂纹张开应力σB。为此，在一个实施例中，接头106的至少一部分定向在相对于拉伸应力σA成角度α的方向。换句话说，接头106不与所施加的载荷平行，从而拉伸应力σA不与接头106的至少一部分垂直。因此，沿着接头106的以角度α取向的一部分，裂纹张开应力σB从与拉伸应力σA大约相等的量值减少到小于σA的值。在一般情况下，随着角度α从90°（即，从接头106的一部分平行于所施加的载荷L的这一取向离开）减少，裂纹张开应力σB也减少。
接头106（也就是突出部114与凹进部112的接合面）的构造通常确定在钻头100的任何给定截面中的角度α。通过实例的方式，并继续参考图2C，在圆锥形的突出部114紧靠限定凹进部112的侧壁116的情况下，角度A和B通常确定角度α。随着角度A和B减少，角度α减少并且裂纹张开应力σB相对于由于载荷而监测到的拉伸应力σA减少。在一个实施例中，裂纹张开应力σB相比在具有对接接头的相比较工具中监测到的裂纹张开应力小至少约30％。在一个实施例中，裂纹张开应力σB相比在具有对接接头的相比较工具中监测到的裂纹张开应力小高达约50％。作为一个具体的实例，当凹进部112和突出部114在各自的顶点118、128处的角度A和B均为约60°的情况下，角度α为约30°。此外，在该实施例中，角度α沿着钻头100的纵向轴线110和接头106的外表面之间的接合面基本恒定。然而，参考图2C，可以理解本发明的实施例不被如此限制，因为角度α可取决于凹进部112和突出部114的构造而在纵向轴线110和接头106的外表面之间的任何点处发生变化。这可具有附加的优势，如以下将更全面描述的那样。
此外以及根据本发明的另一个实施例，通过在适于给定横截面尺寸的接头106处增加头部104和柄部102之间接合面的表面积，可增加接头106的强度。一般来说，随着接合面处的表面积增加，裂纹张开应力σB降低，其原因在于由载荷L施加的拉伸应力σA在更大的区域内分布。表面积的增加是由于接头106的构造造成的。可以理解存在多种方式以增加柄部102和头部104之间的表面积而不增加接头106的横截面尺寸。通过实例的方式，增强接头106的凸出/凹入性质（即，如图6和7中所示，使突出部114更凸出并且凹进部112更凹入）会增大接合面的面积。这可以通过在沿着接头106接合面的点处改变纵向轴线110和接头106外表面之间的角度α而实现。也就是说，沿着钻头100的一个或多个横截面的在侧壁116和突出部114之间的接合面可以是曲线型的。应该意识到随着接合面变得越来越弯曲，接合面的表面积通常会增大。可选地或结合上文，减小凹进部112和圆锥形突出部114在顶点118、128处的角度A和B也将增大接头106内的表面积。
如上所述，当钻头100不在使用时，突出部114的至少一部分受到压应力。也就是说，突出部114的至少一部分包含残余压应力。残余的压应力用于增强钻头100，从而提高钻头100的强度防止失效。压应力是由突出部114和侧壁116的构造连同头部104的材料和柄部102的材料之间的热膨胀差异一起造成的，上述每个在上文均有描述。
在一个实施例中，如下所述，一旦头部104和柄部102接合到一起，则残余压应力至少在突出部114中形成。这与图1A和1B中示出的对接接头形成鲜明对比，发现在图1A和图1B中接头106的构造导致在靠近接头106的头部104中产生拉伸应力。此外，随着热膨胀系数之间的差异增加，对接接头的强度降低和/或残余拉伸应力增加。应该意识到金属碳化物虽坚硬但也比钢更脆，当由其制成的对象受到拉伸应力时，它们可能会断裂。换句话说，头部材料在拉伸方面比较弱。因此，残余拉应力用于弱化钻头，尤其是在头部区域中，会导致在对接接合之后头部“突然脱落”。
有利的是，根据本发明的实施例，突出部114的至少一部分（而在某些实施例中，为头部104的工作表面126的一部分）包含残余压应力。对于要经受足以导致钻头100断裂的拉伸应力的压缩表面而言，在观察到任何拉伸应力之前，所施加的载荷必须首先具有足够大的量值以克服残余压应力。因此，头部104中的残余压应力导致钻头100的强度净增加。总之，由于突出部114的构造和凹进部112的构造（其减小在接头106处监测到的裂纹张开应力σB）以及头部104的至少一部分内的残余压应力（其增加至少接头106的强度），本发明的钻头相比具有对接接头的类似钻头能承受更大的载荷而不会断裂。
在本发明的另一个实施例中并且参照图2A‑2C，钻头100具有处于握持部124和接头106之间的颈部部分或颈部136。如图所示，颈部136为沿着钻头100的纵向轴线110具有减小的横截面尺寸的一个区域。颈部136具有钻头100的最小横截面尺寸。在一个实施例中，颈部136的横截面尺寸小于接头106的最大横截面尺寸。通过实例的方式，测量颈部136其可在约0.018英寸（约0.046mm）至约0.020英寸（约0.05mm）之间。在示出的实施例中，颈部136构造成从握持部124到在接头106附近但不在接头106处的最小横截面尺寸处逐渐变细的锥形，然后颈部136在接头106处锥变到接头106的横截面尺寸。因此，颈部136可提供一参考距离，其允许用户估计头部104相对于工件的深度或位置。例如，牙医能够通过观察颈部136的可见比例来估计头部104在牙齿内的深度。
参考图3，通过下述来完成上述钻头100的实施例，即通过将在其一端具有凹进部112的由一种材料制成的柄部102接合到在其一端处具有突出部114的由另一种材料制成的端头138，以便形成坯件（在附图11A的照片中示出），然后加工端头138的另一端以便形成头部104（例如，如图2A所示），并且任选的，加工柄部102以便形成握持部124和颈部136（例如，如图10中所示），进而形成钻头（在图11B的照片中示出）。然而，应该意识到可在将柄部102与端头138接合之前加工颈部136和/或握持部124。为此，柄部102可从市售的棒料切割，并且根据本领域内的公知方法加工成所需的横截面尺寸。加工可包括在棒料的一端中加工凹进部112，和/或在其另一端加工握持部分124，和/或加工其间的颈部136以便形成柄部102。但是，柄部102可根据本领域内公知的其它方法（诸如通过铸造、粉末冶金或锻造工艺）来制备，这些方法中，可采用精加工或不采用精加工来形成包括凹进部112以及任选的握持部124和/或颈部136的柄部102。具体地，凹进部112可具有根据上述原则的多种结构变型中的任何一种。可利用车床或其它类似的金属切削设备而形成凹进部112的杯状结构，从而柄部102的侧壁116限定例如圆锥（如图所示）或其它对称的杯状凹进部。然而，应该意识到，凹进部112不必是对称的，尽管本领域的普通技术人员将意识到对称的凹进部更容易利用车床或类似设备来进行加工。
参考图3‑10中所示的示例性实施例，凹进部112可具有圆锥状或圆锥形的构造。例如，如图3和4中所示的那样，凹进部112可具有圆锥的形状。但是，凹进部112可具有其它的同心圆锥状形状，诸如图5中所示的截头圆锥。其它改型的杯状形状可包括分别如图6和7中所示的凸出和凹入的圆锥状形状。在这些实施例中，接头106在通过接头的横截面上为曲线形。
参考图8和图9，还有其它改型的杯状形状包括这样的凹进部112：其通过在柄部102的一端中首先钻孔来形成。所述孔可帮助导引凹进部112剩余部分的后续加工，从而提高凹进部112与柄部102外表面的同心性。通过实例的方式，如图所示，柄部102的侧壁116则显现出具有导孔140的剩余部分。当侧壁116的表面紧靠突出部114时，导孔140的剩余部分可提供缓冲。
再次参考图3所示的示例性实施例，端头138的突出部114可具有与凹进部112配合的圆锥状或圆锥形的构造。如关于头部104的上文所述，制成端头138的材料具有比柄部102材料更小的热膨胀系数并且比柄部102的材料更坚硬。端头138的突出部114形成于在其通过机加工、铸造和/或粉末金属处理与柄部102组装之前。例如，通过用金刚石工具或其它足够坚硬的工具研磨材料棒，可从材料棒加工端头138的突出部114。可选地，端头138可由粉末金属处理形成，尤其是在头部104为本领域内公知的金属基质复合材料的情况下。例如，可通过压制和烧结包括金属碳化物颗粒和金属基质颗粒的粉末金属坯块来形成端头138。在该方面，端头138的突出部114可接近净成形（net shaped），因此在接合柄部102之前需要很少（如果有的话）的加工。工作表面126可在端头138与柄部102接合之前或之后在端头138中形成。在形成突出部114、组装和进一步加工（如果有的话）之后，端头138形成为钻头100的头部104。
在本发明的一个实施例中，端头138的突出部114可具有与凹进部112的形状相匹配的形状。例如，突出部114可具有凸出的形状，诸如图3中所示的圆锥形状。如上所述，圆锥突出部114可由顶点128限定，在顶点128处测量的圆锥的角度为B。因此，当突出部114和凹进部112的形状相匹配时，测量凹进部112的顶点118处的角度A其几乎与角度B相同。但是，应该意识到，突出部114的角度B或凹进部112的角度A，或角度A和B两者可变化以便于组装端头138与柄部102。例如，突出部114的角度B可小于凹进部112的角度A，以便将端头138定中心于凹进部112内。当突出部114紧靠侧壁116时，该构造还可分别在突出部114和凹进部112的顶点118、128附近在侧壁116和突出部114之间提供较小的间隙。因此，突出部114和凹进部112的相对形状可构造成当柄部102与端头138放置到一起时将端头138和柄部102的每一个的单独纵向轴线与钻头100的纵向轴线110对齐。
虽然突出部114和凹进部112的形状可大致相同，从而每一个的整个表面紧靠另一个的整个表面（如图2、3和5中所示），但是本发明并不限制于此。在如图4、8和9所示的其它实施例中，突出部114可以是截头圆锥形状。所述截头圆锥形状可通过如上所述的烧结坯件而形成圆锥，之后通过加工来去除圆锥的顶点而加工成或形成，或者所述截头圆锥可通过烧结坯件以及进行些许的后烧结加工或不进行后烧结加工来直接形成。如图3和4中所示，相应的凹进部可具有圆锥状形状。在这些实施例中，突出部114和侧壁116中每一个的表面彼此不完全接触。因此，当一个突出部114插入到圆锥形状的凹进部112内时，在钻头100内可形成间隙或空隙144。
在制备柄部102和端头138之后，通过将端头138的突出部114的至少一部分插入到柄部102的凹进部112内而将柄部102和端头138组装起来。一旦组装起来，突出部114的一部分紧靠侧壁116的一部分。在突出部114与凹进部112的形状不同的情况下，在突出部114和侧壁116之间的任何地方可生成空隙144。在一个实施例中，空隙144可靠近钻头100的纵向轴线110形成以利于如下所述的接合处理。
一旦组装起来，柄部102和端头138通过加热至少突出部114和侧壁116以及在柄部102和头部104的邻近区域而被接合或融合到一起，以便在两个部件之间形成冶金结合。通过实例的方式，柄部102和端头138可通过将两部件焊接或钎焊到一起而接合。具体地，通过进一步实例的方式，焊接可通过电阻焊接、感应焊接、激光束焊接来实现。焊接时，将待接合的两个部件按压到一起并且加热。熔融金属层在两部件之间形成，其可能包括来自于两者的材料。在接合过程中，取决于端头138和柄部102的材料，柄部102和头部104之间的接合面可经受1000℃或更高的温度。邻近所述接合面的区域也被加热，但是这些区域不会融化。此外，接合可包括在接头形成的区域周围提供保护气氛。所述保护气氛可包括在两个部件中的每一个被加热并且形成熔融金属层时围绕所述两个部件施加惰性气体流，诸如氩气（Ar），氮气（N2）或氦气（He）。一旦所述部件冷却，接头106便形成。在一个实施例中，焊接围绕边缘120的周围形成，并且可沿接头106朝着顶点128延伸到有限的长度。因此，焊接接头106不会形成于在邻接表面之间的整个接合面上。
可选的，柄部102和端头138可通过将端头138和柄部102钎焊到一起而接合。如本领域内公知的那样，将柄部102钎焊到端头138可包括在突出部114和侧壁116之间插入填充金属或合金，以及加热侧壁116和突出部114到钎焊材料的熔融温度。通常情况下，这涉及到将柄部102和突出部114加热到高于450℃的温度，但是低于柄部102材料或端头138材料的熔融温度。可选的，钎焊可包括将钎焊材料分配于端头138和柄部102之间的这两个部件紧密配合之处，以便钎焊材料由于毛细作用而进入接合面。在任何情况下，填充金属在两个部件之间被加热到高于其熔融（液相）温度。一旦填充金属在端头138和柄部102之间熔融然后冷却，在钎焊材料和柄部102之间以及钎焊材料和端头138之间形成冶金结合，或以其它方式将两个组件连接到一起。然而，由于钎焊的成本增加（其原因在于需要填充材料），将柄部102和端头138焊接到一起优于采用钎焊。
考虑到端头138和柄部102之间的热膨胀系数不匹配，柄部102的被加热部分相比端头138的被加热部分膨胀得更多。具体地，在邻接位置处凹进部112的边缘120的直径相比突出部114的直径膨胀得更多。在接合过程中被加热的柄部102的其它区域相比突出部114的对接部分也膨胀到更大程度，导致凹进部112相对于突出部114的邻接部分的整体扩大。这两个部件以其相应的受热或膨胀后的尺寸而被接合。具体地以及在本发明的一个实施例中，凹进部112和突出部114之间的热膨胀不匹配造成在包含接头106的区域中在高温（如上所述，由于焊接或钎焊造成）下的尺寸相对于室温尺寸不匹配。
一旦柄部102和端头138接合然后冷却，在高温下产生的尺寸不匹配的至少一部分在室温下会被保留。具体地，在冷却过程中，柄部102和头部104的被加热部分根据其相应的热膨胀系数趋于收缩以便趋于恢复其原始的室温尺寸。由于其较高的热膨胀系数，柄部102趋于收缩到相比端头138的更大程度，但是柄部102的一部分由于其附接到头部104而被限制不能完全收缩。也就是说，柄部102的一部分不能收缩到其原始的室温尺寸。柄部102的受限收缩在头部104中产生残余压应力，其中柄部102的一部分被置于残余拉伸下。因此，在室温下，头部104的至少一部分处于压缩状态下，而柄部102的一部分处于拉伸状态下。如上所述，由于最易于脆性断裂的头部104处于残余压缩的状态下，而使用过程中在这些位置形成任何拉伸应力之前必须克服该残余压缩状态，因此这种残余应力状态将提高而不是降低钻头100的强度。
在一个实施例中，可将柄部102和端头138在接合过程中按压到一起。加热时，特别是加热到将柄部102和端头138焊接到一起所需的温度时，突出部114和/或柄部102可塑性变形但仍保持在一起。因此，突出部114和侧壁116的精确构造在接合时会改变。例如，柄部102会出现轻微变形。这种变形会依赖于柄部102和端头138加热到达的温度以及力（如果有的话）的大小，所述力用于将端头138和柄部102保持在一起，同时每个部件均被加热。
此外，如果在接合之前没有完成，可对端头138进行进一步加工以便形成工作表面126的任何突起或其它表面特征，其设计成将材料从工件去除。通过实例的方式，接合后的加工可包括在端头138中切割或加工多个凹槽以便形成头部104。加工可能还包括将接头106的外表面机械去料。此外，如本领域内公知的那样，钻头可以每分钟几十万转的速度旋转，从而端头138和柄部102在接合过程中的小偏差会导致钻头100不平衡或另外绕与钻头100的纵向轴线110不重合的轴进行旋转。在这种情况下，一旦柄部102和端头138组装到一起，会需要另外的加工以使钻头100平衡以便在较高的旋转速率下使用。虽然希望各个纵向轴线对齐，但是该对齐并非必要，特别是在旋转速率相对较低或者需要进行接合后加工的应用场合中使用钻头100的情况下。
为了便于更全面地理解本发明，提供以下的非限制性实例。
实例
参考图11A、11B和12，对根据本发明一个实施例的钻头进行描述。钻头形状为557号。具有约6％钴（Co）的烧结碳化钨端头焊接到420型不锈钢柄部。用最高达约4磅力（lbf）的力将柄部和端头按压到一起并且在保护气氛下对柄部和端头加热，直到在接合面周围形成一个熔池。所形成的坯件在保护气氛中冷却约0.5秒，然后让其空气冷却到室温，之后进行焊接后回火处理。在图11A中示出加工前的坯件，焊接接头由箭头142指示。然后对每个端头进行加工以便在每个头部中形成凸起和凹槽，并且对每个端头也进行加工以便在其中形成颈部，如图11B所示。
图12中示出沿着图11A的一个坯件的纵向轴线所取的横截面。如图所示，端头的突出部具有截头圆锥形状（见例如图8），但是在相应完全成形的圆锥顶点处的角度可为约60°。凹进部也具有圆锥形状，具有通过在切割凹进部（见例如图8）的圆锥锥度之前通过对柄部进行预钻孔而形成的残余导孔。如图12所示，所述导孔中的材料为制备适于显微镜检查样品的剩余钢。如图所示，在焊接之后的端头边缘周围形成凝固熔池。但是，在焊接之后接头的外表面被去除。
对具有如图12所示接头构造的钻头进行测试以便确定其相比具有对接接头构造的钻头的强度。为了测试钻头，测量每个钻头的切向断裂强度。因此，将载荷施加到头部。载荷逐渐增大直到钻头断裂。记录断裂载荷。将50个钻头的断裂载荷绘制在图13中。
图13绘制了上述的示例性钻头（标有“60°杯‑圆锥不锈钢接头”）的断裂载荷。图13还绘制了具有通过焊接被对接接合到不锈钢柄部（标有“不锈钢对接接头”）的碳化钨头部的钻头的断裂载荷，以及具有通过焊接被对接接合焊接到S2工具钢柄部（标有“工具钢对接接头”）的碳化钨头部的钻头的断裂载荷。
如图所示，本发明示例性钻头的特征在于断裂载荷为约12lbf（约53牛顿）或更大，其超过所测试的两个其它构造的断裂载荷。此外，还应注意到一些断裂并不在接头本身中发生。相反，一些断裂发生在头部或颈部中。因此，如图13所示的示例性钻头的一些断裂载荷并不表明接头的强度。相反，实际的接头强度高于图13中所示的接头强度。
相比较而言，具有对接接合的工具钢和碳化钨的钻头在接头处出现断裂时的载荷小于约12lbf（约53牛顿），具体在约8lbf（约36牛顿）至约11lbf（约49牛顿）之间。此外，如上所述，不锈钢对接接头构造出现断裂时的载荷通常小于本发明的示例性钻头，很多的这些示例性钻头在出现断裂时的载荷小于约5lbf（约22牛顿）。适用于钻头的最小规格为约5lbf。因此，很多不锈钢对接钻头不符合所需的最低5lbf。此外，不锈钢对接接头的强度差别很大，只有最强的“非分离”强度接近上述本发明的示例性钻头的最低“非分离”强度。
虽然通过描述其一个或多个实施例对本发明进行了说明，且虽然相当详细地描述了上述实施例，但是它们并不意旨将所附权利要求的范围制约或以任何方式限制到具体细节。其它的优势和变型对于本领域的技术人员而言显而易见。因此，本发明的更广泛方面不仅限于显示和描述的具体细节和说明性实例。因此，在不偏离总的发明构思范围的情况下可以对上述细节进行新的构思。