CN102046913A - 牙轮钻头密封表面的构造 - Google Patents

Abstract

使用表面构造改变牙轮钻头密封系统的一个或者更多个表面(径向的或者圆柱形的)的形貌。该表面构造产生微凹表面，所述微凹表面保留有益于减小在界面和混合润滑作用区域中的摩擦的额外润滑剂。喷丸硬化被公开为构造所需表面的一种方法。

Description

牙轮钻头密封表面的构造

优先权要求

本申请要求2008年3月14日提交的美国临时申请专利序列号61/036,762的权益，该临时申请的公开内容在此通过引用并入。

技术领域

本发明一般地涉及地钻孔钻头，更具体地涉及牙轮钻头。

背景技术

牙轮钻头是在石油、天然气和采矿领域中用来穿透地球岩层形成井筒的切削工具。钻头的载荷和运动传递至三头和锥体(cone)组件中的轴承。对于应用轴颈轴承的钻头而言，主轴颈轴承承载了多达80％的总径向载荷。主轴颈轴承由头(作为轴)、轴承衬(轴瓦，bushing)以及锥体(作为轴承箱)组成。润滑和密封这种轴承。密封件的外周由锥体的密封套(gland)压紧，因此密封件和锥体一起移动并在密封件的内周上靠着头(在密封表面或者密封轮毂(seal boss)处)滑动。密封件因而被限制在密封套(密封盖，seal gland)中以确保润滑剂在轴承内和防止岩屑侵入轴承。密封件把污染物排除在轴承外的时间越长，轴承的寿命就越长。因此，密封件可成为牙轮钻头寿命的限制因素。

在现有技术中已知弹性体密封件作为牙轮钻头中的主要密封元件。已经开发了多种类型的弹性体密封件。该密封件很柔软，并且能够同钻井泥浆相容。密封件在相对高的温度下具有优异的弹性。因此，已经证明在可接受的一段时间内该密封件能够足以提供足够的密封力以将泥浆和岩屑环境与润滑剂分离。

但是，当锥体旋转时密封件和密封套表面之间的摩擦可能引起密封件自身损坏。随着时间过去，这种损坏积累到密封件自身破坏(fail)的点。密封件破坏之后，由于轴承系统中润滑剂的损失，轴承经受接触区域中润滑脂的缺乏。此后，由于滑动摩擦引起的剪切和加热，在轴承系统表面上出现过多的磨损。最后的结果是典型地划伤(scoring)、刮伤(scuffing)以及甚至严重故障(catastrophic failure)如磨损(galling)或者咬死(seizure)。因此，在轴颈轴承的接触界面表面之间保持润滑作用是必要的。维持密封件寿命因此对维持钻头寿命是关键的。

一种延长密封件寿命的方式是减少密封件和头之间的摩擦。在典型的运行条件下，密封件经历混合的润滑作用。在这种润滑作用区域中，为了减小摩擦，在密封件和一个或者更多个密封套表面之间的接触点需要更多的润滑剂。因此，在本领域需要在密封区域中引入更多的润滑剂。

参考图1，图1图解说明了典型的牙轮钻头的部分剖面图。图1更具体地图解说明了一头和锥体组件。这种钻头的一般构造和操作是本领域技术人员所熟知的。

钻头的头1包括轴承轴(bearing shaft)2。切割锥体(cutting cone)3可旋转地安置在作为轴颈的轴承轴2上。钻头的主体部分包括上部螺纹部分，其形成能够帮助钻头与钻柱(未显示)连接的钻具接头连接4。润滑系统6被包括以用于向锥体3和轴承轴2之间的轴颈轴承提供润滑作用，并且将润滑剂保留于其中。这个系统6具有为本领域技术人员所熟知的构造和操作。

提供若干轴承系统与支持锥体3围绕轴承轴2旋转的轴颈轴承相连。这些轴承系统包括第一圆柱形滑动轴承10(本文也称为主轴颈轴承)、滚珠轴承12、第二圆柱形滑动轴承14、第一径向滑动(推力)轴承16和第二径向滑动(推力)轴承18。

图2更详细地图解说明了图1的部分剖面图，其示出轴承系统和密封系统。第一圆柱形滑动轴承10被在轴承轴2上的外部圆柱面20和轴承衬24的内部圆柱面22限定，所述内部圆柱面已被压配合入锥体3。轴承衬24是环形结构，其一般由铍铜(beryllium copper)制成，但是其他材料的使用在本领域是已知的。滚珠轴承12支撑于限定在轴承轴2和锥体3之间的界面的环形滚道26内。第二圆柱形滑动轴承14被在轴承轴2上的外部圆柱面30和锥体3上的内部圆柱面32限定。外部圆柱面30向内径向偏离外部圆柱面20。第一径向滑动轴承16通过在轴承轴2上的第一径向面40和在锥体3上的第二径向面42限定在第一和第二圆柱形滑动轴承10和12之间。第二径向滑动轴承18靠近位于锥体的旋转轴的第二圆柱形滑动轴承12，并且该第二径向滑动轴承18由在轴承轴2上的第三径向面50和在锥体3上的第四径向面52限定。

关于密封系统，在切割锥体3和轴承轴2之间放置环形密封圈60。密封表面，例如，圆柱面密封轮毂62，设置在轴承轴上。在图示的结构中，这个由密封轮毂62提供的密封表面是圆柱形的并且向外径向偏离第一滑动轴承10的外部圆柱面20(偏离轴承衬24的厚度)。可以明白，如果需要，密封表面(例如，密封轮毂62的)能够表现相对于主轴颈轴承表面不偏离，或者向内径向偏离。另外，可以明白密封表面(62)不必是圆柱形的，而如果需要可以是锥形的。在锥体3中形成环形槽以限定密封套64。当切割锥体3被可旋转地定位于轴承轴上以限定密封套64区域时，槽和密封表面(密封轮毂62)互相对齐。环形密封圈60被压紧在密封套64的表面(一个或多个)和密封表面(密封轮毂62)之间，并且该环形密封圈60作用是将润滑剂保留在绕轴承系统的轴承区域中并且阻止井筒中的任何物质(钻井泥浆和岩屑)进入轴承区域。

粗糙面接触和液体动压力二者都支撑着轴承系统中的载荷。使用系统6，将润滑剂提供在第一圆柱形滑动轴承10、第二圆柱形滑动轴承14、第一径向滑动轴承16和第二径向滑动轴承18中、在所涉及的圆柱形表面和径向表面之间。通过在密封套64中压紧的密封圈60在轴承系统中保留润滑剂。此润滑剂不仅润滑轴承系统，而且也提供密封套64表面上润滑剂的量度(measure)，特别是在密封表面诸如密封轮毂62表面上，当锥体旋转时，润滑剂有助于允许压紧的密封圈60沿密封表面(例如，密封轮毂62外部圆柱面)滑动。

在井下钻井应用中，密封件被设计成能抵挡高压力。高压力与设计的密封套中密封件的高压缩率一起将密封件紧紧地压紧在密封轮毂62上。存在于密封区域中密封轮毂表面的润滑剂为密封件提供润滑作用并带走摩擦热。在密封件没有良好地润滑的情况下，其与密封轮毂相对干燥滑动并产生了大量的摩擦热。这种摩擦热已知是密封件破坏的根本原因。为了减小摩擦并带走热，因此需要在密封件下引入更多的润滑剂，诸如在密封轮毂62表面上(或者其他的滑动密封套表面)。

在轴承系统的这些表面接触区域中，轴承经历润滑脂缺乏是常见的。这可能导致轴颈轴承的划伤、刮伤以及甚至严重故障如磨损或者咬死。因此有必要在夹在轴承系统的所涉及的和相对的圆柱形表面和径向表面之间的位置中保留润滑剂。

参考如下现有技术文件：美国专利号：3,839,774(Oct.8，1974)，4,248,485(Feb.3，1981)和5,485,890(Jan.23，1996)：美国公开2005/0252691(Nov.17，2005)；以及PCT公开WO 2007/146276(Dec.21，2007)，这些的公开内容在此通过引用并入。

发明内容

为解决润滑脂缺乏和可能的密封件破坏问题，需要增加能够保持在密封系统的表面接触区域中的润滑剂的量。在将更大量的润滑剂引入这些表面接触区域的努力中，密封系统的表面形貌(例如，密封套表面)以如下所述的方式进行改善。

使用表面构造改善牙轮钻头密封系统的一个或者更多个表面(径向的、锥形的或者圆柱形的)的形貌。关于表面构造的某些特征及其对减小摩擦和延长钻头寿命的有益影响，描述创新的方法和设备。这些特征解决了现有技术中关于密封表面的结构和操作的不足。

根据一种实施方式，通过表面构造技术改善密封系统的表面形貌。将表面构造引入到牙轮钻头的密封系统，优选地在密封位置的密封轮毂圆柱面上。本文公开的表面构造包括保留额外的润滑剂并且因此有助于减小密封件处摩擦的微凹(dimples)。

如本文描述的表面构造在密封系统的一个或者更多个表面上产生特定图案的微凹。再次参考图1和图2，根据本文描述的实施方式在密封系统中的构造表面优选是密封轮毂62表面。但是，可以理解，取决于密封套64的结构，与限定密封套和压紧密封圈60相关的一个或者更多个其他的表面也可具有表面构造。因此，任何需要的表面，包括密封系统密封套64区域的圆柱形的、锥形的、和径向的表面可具有表面构造。进一步，构造表面与未构造表面的任何组合可用于密封系统中。

为解决润滑脂缺乏和可能的密封件破坏问题，需要增加能够保持在轴承系统的表面接触区域中的润滑剂的量。在将更大量的润滑剂引入这些表面接触区域的努力中，轴承系统的表面形貌以如下所述的方式进行改善。使用表面构造改善牙轮钻头轴承系统的一个或者更多个表面(径向的或者圆柱形的)的形貌。

由于重载荷和低速度，驱动轴(头轴，head shaft)和主轴颈轴承的轴承衬在轴承系统的载荷侧接触。这种金属对金属的接触在轴承系统的摩擦行为中占主导地位。摩擦系数正常能够达到超过0.1，这样产生大量的热而且可能导致轴承和密封件破坏。为了改善轴承寿命，必须减小摩擦。在混合的润滑作用区域中，有两种方法在这些表面接触区域中产生更好的润滑作用：供应更多的润滑脂或者产生更高的液体动压力。

根据一种实施方式，通过表面构造技术改善头轴承(止端轴承，headbearing)系统的表面形貌。将表面构造引入到牙轮钻头轴承系统的头侧(head side)上或者轴承衬(或者锥体)侧(或两者)上。本文公开的表面构造包括保留额外的润滑剂并且因此有助于减小在边界和混合润滑作用区域中的摩擦的微凹。

如本文所述的表面构造在轴承系统的一个或者更多个表面上产生特定图案的微凹。为了识别在根据本文描述的实施方式的轴承系统中可能的构造表面，再次参考图1和图2。在一种执行方案中，表面构造提供在轴承轴2的外部圆柱面20上，所述外部圆柱面形成了第一圆柱形滑动轴承10的一部分。在另一个执行方案中，表面构造提供在轴承衬24的内部圆柱面22上，所述内部圆柱面已被压配合入锥体3并且形成了第一圆柱形滑动轴承10的一部分。在仍另一执行方案中，表面构造提供在轴承轴2的外部圆柱面30上，所述外部圆柱面形成了第二圆柱形滑动轴承14的一部分。在仍另一执行方案中，表面构造提供在锥体3的内部圆柱面32上，所述内部圆柱面形成了第二圆柱形滑动轴承14的一部分。在另一个执行方案中，表面构造提供在轴承轴2上的第一径向面40上，所述第一径向面形成了第一径向滑动轴承16的一部分。在仍另一执行方案中，表面构造提供在锥体3的第二径向面42上，所述第二径向面形成了第一径向滑动轴承16的一部分。在仍另一执行方案中，表面构造提供在轴承轴2的第三径向面50上，所述第三径向面形成了第二径向滑动轴承18的一部分。在仍另一执行方案中，表面构造提供在锥体3的第四径向面52上，所述第四径向面形成了第二径向滑动轴承18的一部分。也可以使用上述构造表面与未构造表面的任何组合。

表面构造的微凹表现为润滑剂储器，其将润滑作用渗透入金属粗糙面的内部空间。同时，在微凹区域上产生更高的液体动压力。这两种作用以摩擦的减小促进了密封系统或者轴承系统润滑作用的提高。

就微凹而言，覆盖面积百分比对于密封表面和轴承表面可以相同或者不同。在一个执行方案中，覆盖率相同，并且优选地，表面构造的微凹覆盖目的表面的60％-100％。甚至更加优选地，微凹应该覆盖目的表面的70-90％之间。在一个执行方案中，微凹基本上覆盖目的表面的100％。在另一执行方案中，密封表面比轴承表面可具有更轻微的喷丸硬化(弹射增韧，shot peen)。所以，轴承表面构造覆盖率可具有如前所述的百分比，而密封表面具有更低的构造覆盖面积。更低的表面构造覆盖率的例子包括5-60％。

本文的实施方式使用多种方法中的任何一个或者更多个来产生表面构造，所述实施方式包括：机械加工、化学蚀刻、激光构造加工(lasertexturing)、深滚压(deep rolling)、振动抛光(vibratory finishing)，等等。可控制性、均一性、成本、覆盖面积、微凹尺寸、微凹深度以及微凹形状是决定选择何种方法以形成构造的因素。

在优选的执行方案中，使用喷丸硬化(shot peening)产生表面构造的微凹。更具体地，使用两步法喷丸硬化过程。根据这种两步法过程，在第一步中将待处理的密封系统表面或者轴承系统表面暴露于第一喷丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的小球介质(media)(“喷丸”)以第一强度水平轰击表面。在第二步中，将正处理的同一密封系统表面或者轴承系统表面暴露于第二强度水平的第二喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的小球介质(“喷丸”)轰击表面。优选地，从第一强度水平减少得到第二强度水平。优选地，第二平均尺寸比第一平均尺寸小。

在优选的执行方案中，实行两步法喷丸硬化过程的每一步以达到60-100％之间的喷丸处理覆盖面积(peened coverage area)。当在每一步中使用少于100％的喷丸处理覆盖面积时，目标是达到处理表面的以下最终喷丸处理覆盖面积：至少60％，以及更具体地70-90％和更优选地接近或者达到基本上100％。

可以更进一步理解，喷丸硬化过程可使用超过两个的单独弹射(锤击，peening)作用。例如，可以使用三步法、四步法或者更多步法过程。每一步优选地使用不同平均尺寸的介质和不同的强度水平。

对于可用于密封表面的更轻微的喷丸硬化，可能仅需要使用单次喷丸硬化作用来获得所需的表面构造。

附图说明

图1图解说明了典型的牙轮钻头的部分剖面图；

图2图解说明了另一典型的牙轮钻头的部分剖面图；

图2A-2C图解说明了在图2中使用的密封系统的其他表面形状；

图3图解说明了示例性的喷丸硬化冲击模式；

图4以横截面图解说明了通过图3的喷丸硬化处理的目的表面，有或者大约有100％的覆盖面积；

图5以横截面图解说明了通过额外的喷丸硬化处理的目的表面，有低于100％的覆盖面积；

图6图解说明了对于额外实施的喷丸硬化的示例性冲击模式；

图7、8和9以横截面图解说明了通过额外的喷丸硬化过程处理的目的表面；

图10-12是图解说明经历两步法喷丸硬化过程的表面之间的形貌比较的图像；

图13是图解常规机械加工表面的形貌的图像；

图14是图解两步法喷丸硬化表面的形貌的图像；和

图15-19图解说明了表面构造(surface texting)引起的对摩擦系数的有益影响。

具体实施方式

使用表面构造修改牙轮钻头的密封系统和/或轴承系统的一个或者更多个表面(径向的、锥形的或者圆柱形的或者其他的)的形貌。表面构造产生微凹表面，微凹表面保留有益于减小在界面和混合润滑作用区域中的摩擦的额外润滑剂。至少对于轴承表面，微凹构造的表面覆盖面积应超过最小60％，更优选在70-90％之间，以及甚至更优选地接近或者达到近似100％。对于密封表面，可应用更轻微的喷丸硬化(5-60％)。

参考图1和图2，应用了表面构造的密封系统中的构造表面，优选地包括当锥体旋转时与密封圈60具有滑动接触的任何表面。这将包括密封套64的一个或者更多个表面。更具体地，它将至少包括密封轮毂62表面。也可使用上述构造表面与期望的未构造表面的任何组合。

尽管图1和图2图解说明了应用与轮毂62和密封套64相关的圆柱形密封表面，但是表面构造可应用于密封系统的其他表面形状，诸如图2a、2b和2c所图示的那些。需要注意的是，这些可选的表面形状使用锥形表面与密封系统相连(在密封件的轴和锥体的任一侧或者两侧)。因此，与密封件相连并且作为当锥体旋转时支撑密封圈60的密封表面起作用的任意锥形的或圆柱形的表面是适合的用于构造的候选者。

为认识应用该表面构造的轴承系统中的构造表面，再次参考图1和图2。

首先看第一圆柱形滑动轴承10，表面构造提供在轴承轴2上的外部圆柱面20和被压配合入锥体3的轴承衬24的内部圆柱面22中的一个或另一个或者两个上，这些表面形成第一圆柱形滑动轴承10(或者主轴颈轴承)。

关于第二圆柱形滑动轴承14，表面构造提供在轴承轴2的外部圆柱面30和锥体3的内部圆柱面32中的一个或另一个或者两个上。

对于第一径向滑动轴承16，表面构造提供在轴承轴2的第一径向面40和锥体3的第二径向面42中的一个或另一个或者两个上。

最后，对于第二径向滑动轴承18，表面构造提供在轴承轴2的第三径向面50和锥体3的第四径向面52中的一个或另一个或者两个上。

也可使用上述构造的表面与期望的未构造表面的任何组合。

表面构造的微凹作为润滑剂储器，其将润滑作用渗透入金属粗糙面的内部空间。同时，在微凹区域上产生更高的液体动压力。两种作用将促进密封系统和/或轴承系统润滑作用的提高。

多种方法中的任何一个或者更多用于产生微凹表面构造，所述方法包括：机械加工、化学蚀刻、激光构造加工、深滚压、振动抛光、喷丸硬化，等等。可控制性、均一性、成本、覆盖面积、微凹尺寸、微凹深度以及微凹形状是影响为表面构造过程选择何种方法的因素。

微凹的表面构造应是任意的并具有相同的覆盖率(coverage)。优选地，应存在不同尺寸的微凹并且微凹应随机分布整个表面。至少对于轴承表面，优选的是在目的表面上基本上100％的最终覆盖面积。如果原始的表面完全被交叠的微凹构造剔除，那么可以说已经达到了100％的覆盖面积。此外，最终的表面结构应没有任何锐边。但是，应该认识到该益处产生于在目的表面上超过60％或者更优选地在70-90％之间以及向上接近100％的最终覆盖面积。相同的表面覆盖百分比可用于轴承表面和密封表面二者上。可选地，与轴承表面相比，密封表面上可使用较轻微的构造。作为例子，覆盖率为5-60％的较轻微构造可用于密封表面上，而覆盖率为60-100％的较大量构造可用于轴承表面上。

在优选的执行方案中，选择喷丸硬化以通过形貌(topology)改变形成微凹的表面结构。喷丸硬化有利地具有随机性但是有均一覆盖率的特点。喷丸硬化也是可控的过程，因此只有那些需要的表面将具有改变的表面形貌(这允许临近弹射表面存在机械加工表面)。如本领域的技术人员已知的，喷丸硬化是冷加工过程，其中零件的表面被称为喷丸的小球介质轰击。每一个喷丸由于撞击在表面上留下一个很小的微凹。喷丸硬化被更广泛地用于产生压应力以便减少疲劳裂纹。受到在表面上产生细小微凹的目的(view)启发，如本文所述出于不同目的，使用喷丸硬化产生微凹的表面构造，这种构造可将更多的润滑剂限制在密封表面/轴承表面接触区域(一个或多个)和产生更好地分开密封表面/轴承表面的增加的液体动压力。

上述的表面20、22、30、32、40、42、50、52和62(或者其他的密封套锥形的、径向的或者圆柱形的滑动表面)中的任何一个或者更多个可经历喷丸硬化处理。在优选的执行方案中，两步法(双重)喷丸硬化过程应用于目的表面。

在第一步中，在表面上在第一喷丸强度(射击强度，shot intensity)下使用第一喷丸介质完成喷丸硬化。第一步喷丸硬化作用进行第一段时间以获得需要的覆盖面积。喷丸介质(射击介质，shot media)优选地是铸钢，在示例性的执行方案中该铸钢的第一平均尺寸为0.011英寸，和第一步的强度是0.007～0.010C(通过Almen带测定)。可选择地，对于较软的表面例如在轴承衬24上的第一圆柱形滑动轴承10的内部圆柱面22，喷丸介质是玻璃珠(第一步的强度0.008～0.012N)。在示例性的执行方案中，玻璃介质的平均尺寸是0.006英寸。可基于例如材料的硬度是否超过某一阈值(例如HRC45的硬度)，制定硬表面与软表面之间的差别。在上述主轴颈轴承的执行方案中，硬化钢材料的轴颈具有HRC 58-62的硬度，而铍铜的轴承衬具有大约HRC 38的硬度。

至少对于轴承表面和可能地也对于密封表面，优选地，在第一段时间后由这种第一喷丸硬化步骤的完成而产生的喷丸处理覆盖面积在60％和100％之间。也提供超过100％的覆盖率。覆盖率被定义为通过过程步骤表面完成构造(例如微凹化)的程度(以百分比计)。因此，具有100％覆盖率是已被弹射表面的原始表面构造已被第一喷丸硬化步骤完全剔除。超过100％的覆盖率是通过延长弹射暴露时间超过达到100％覆盖率所需的时间而得到的。例如，200％覆盖率可通过喷丸硬化表面两倍于得到100％覆盖率所需时间量实现的。可选地，导致5-60％的覆盖率的更轻微喷丸硬化可用于密封表面。

图3图解说明了对于执行第一喷丸硬化步骤，具有100％的覆盖面积或者大约100％的覆盖面积的示例性的冲击模式。

图4以横截面图解说明了通过第一喷丸硬化步骤处理的目的表面。

相反地，图5以横截面图解说明了通过第一喷丸硬化步骤处理的具有少于100％的覆盖面积(即，处理较短一段时间)的目的表面。例如，使用这种弹射处理可实行轻微的构造加工，用于对密封表面的执行方案中。

在第二步中，在由第一步完成得到的表面(图4或者图5)上，使用第二喷丸介质在第二强度下进行额外的喷丸硬化。第二步喷丸硬化作用进行第二段时间以便得到需要的覆盖面积。喷丸介质优选具有第二平均尺寸0.011英寸(其比第一平均尺寸小)的铸钢，和第二步的强度是0.007～0.010A(通过Almen带测定)。可选地，对于较软的表面诸如在轴承衬24上的第一圆柱形滑动轴承10的内部圆柱面22，喷丸介质是更小的玻璃珠。优选地，由这个第二步喷丸硬化步骤完成得到的喷丸处理覆盖面积在60％和100％之间。

图6图解说明了对于执行第二喷丸硬化步骤，具有低于100％的覆盖面积的示例性冲击模式。

图7以横截面图解说明了通过第二喷丸硬化步骤(当从图4所示的第一步结果开始时)处理目的表面得到基本上100％覆盖面积必需的第二段时间。

图8以横截面图解说明了通过第二喷丸硬化步骤(当从图5所示的第一步结果开始时)处理的目的表面。在这种情况下，第二步具有小于100％的覆盖率(由于暴露缩短的第二段时间)。再一次，在一种执行方案中，这种更轻微的两步法弹射处理可有效地用于密封表面以及轴承表面。

图9以横截面图解说明了通过第二喷丸硬化步骤(当从图5所示的第一步结果开始时)处理的目的表面。在这种情况下，通过选择需要的第二段时间，第二步具有100％的覆盖率。

不管用第二喷丸硬化达到的覆盖面积百分比如何，优选地是最小碰撞的第二喷丸硬化步骤，如图7所示，在由第一喷丸硬化步骤(见图4和图5)完成得到的表面构造中存在任何锐边。这会导致表面构造加工面(finish)的改进(例如，有利地减少在轴承系统中金属对金属接触的可能性)。

至少对于轴承表面，优选地，在目的表面的喷丸硬化(两步或者更多步骤)的完成后，对于组合的第一步和第二步表面微凹化处理，实现了基本上100％的覆盖面积。但是，覆盖面积大于60％、70-90％以及大于90％是有利的。

尽管描述了两步法过程，但是可以理解喷丸硬化过程可使用多于两个单独的弹射作用。例如，使用三步法、四步法、或者更多步法过程。每一步将优选使用不同的平均尺寸的介质和不同的强度水平。

对于较软的材料，例如硬度是HRC45或者硬度低于HRC45，可能只需一个喷丸硬化步骤作用。但是，较硬的材料受益于如上所述的两步或者更多步喷丸硬化作用的施行。

可以理解本文示出的横截面的表面构造图解实际上是示意性的和示例性的。附图中示出的图解的微凹形状和位置的规律性和周期性不必是在横截面处所见的实际的喷丸硬化表面的精确图解，更确切的是代表使用两步过程达到的结果。本领域的熟练技术人员理解由给予各自不同第一段时间和第二段时间的第一和第二步骤的每一个进行弹射作用产生的形貌。

已知在现有技术中提供具有粗糙度为8至16微英寸Ra的径向和圆柱形的密封系统/轴承系统表面。这将包含标准用途的典型的抛光表面(也见图13)。但是，作为本文描述的表面处理过程完成的结果，喷丸硬化的目的轴承表面具有大于20微英寸Ra的表面加工粗糙度(也见图14)。

现在参考图10，图10是图解根据上述的两步法喷丸硬化过程处理以具有大于20微英寸Ra的表面粗糙度的表面(见左边的轴承轴)和具有常规的8至16微英寸Ra的表面粗糙度的表面(见右边的轴承轴和中间的轴承衬的内表面)之间的形貌比较的图像。图11是图解根据上述的两步法喷丸硬化过程处理以具有大于20微英寸Ra的表面粗糙度的表面(见左边的轴承轴和中间的轴承衬的内表面)和具有常规的8至16微英寸Ra的表面粗糙度的表面(见右边的轴承轴)之间的形貌比较的图像。图12是图解根据上述的两步法喷丸硬化过程处理以具有大于20微英寸Ra的表面粗糙度的表面(见右边的轴承轴)和具有常规的8至16微英寸Ra的表面粗糙度的表面(见左边的轴承轴)之间的形貌比较的图像。

图13是图解常规的(regular)机械加工面的形貌的图像，例如在现有技术中用于轴承系统表面的。

图14是图解根据上述产生的两步法喷丸硬化表面的形貌的图像。

在相同的操作条件下，在试验装置上测试具有常规机械加工密封轮毂的常规机械加工轴(见图13的表面)和具有喷丸硬化密封轮毂的轴(见图14的表面)。图15和图16图解了该测试的结果并表明表面构造(一般地)以及根据上述过程的两步法喷丸硬化(具体地)对在这些密封系统结构中摩擦系数的有益影响。制造的表面构造的小微凹的存在产生液体动压力，稳定或者减小摩擦。具有常规的机械加工面(在该技术领域熟知的)的轴和密封轮毂系统表现出很大的摩擦变化。但是，对喷丸硬化的密封轮毂轴，极小微凹为润滑脂提供了更多的储器以润滑具有密封件的滑动表面。同时，包含在微凹中的润滑脂将产生液体动压力以更好地分开摩擦结合(friction couple)。因此，摩擦趋于更加稳定或者减小。

图15和图16区别仅仅在于标示和呈现图解的数据所使用的方式。

在相同的操作条件下，在轴承试验装置上测试具有常规机械加工轴承衬的常规机械加工轴(见图13的表面)、具有常规机械加工轴承衬的喷丸硬化轴(见图14的表面)和具有喷丸硬化轴承衬的常规机械加工轴。图17和图18图解了那种测试的结果并示出表面构造(一般地)以及根据上述过程的两步法喷丸硬化(具体地)对在这三个轴承系统结构中摩擦系数的有益影响。制造的表面构造的小微凹的存在产生液体动压力，稳定或者减小摩擦。具有常规的机械加工面(在该技术领域熟知的)的轴和轴承衬系统暴露于更多粗糙面与粗糙面接触以至在这种轴承系统结构中的摩擦表现出很大的变化。但是，对喷丸硬化的轴和/或轴承衬系统(图解的两种执行方案)，极小微凹为润滑脂提供了更多的储器以润滑摩擦面。同时，包含在微凹中的润滑脂将产生液体动压力以更好地分开摩擦结合。因此，摩擦趋于更加稳定或者减小。

图17和图18区别仅仅在于标示和呈现图解的数据所使用的方式。

现在参考图19，图19也图解说明了根据上述两步过程的喷丸硬化对在这三个轴承结构中的摩擦系数的影响。图19图解说明了与图17和图18所提供的相同的信息，但是以不同的方式进行呈现。图19图解丢失了一些在图17-18中所示的关于在常规的头和轴承衬系统中的摩擦变化以及在喷丸硬化的头和轴承衬系统中的摩擦减少的信息。虽然如此，如本文所述，轴承系统的表面构造加工面的摩擦益处是显而易见的。

总的来说，提供表面构造的密封系统用于牙轮钻头。通过两步法喷丸硬化过程在与密封系统相关的一个或者更多个目的表面上(例如，密封轮毂或者其他的相对于密封件的滑动表面)产生极小的微凹。在目的表面上形成随机分布和不一致尺寸的微凹(例如对轴承表面具有至少60％的覆盖面积)，并且该微凹作为将更多润滑剂限制在表面接触区域中的储器起作用。在微凹区域中产生液体动压力并且减小密封件摩擦。因此，提供密封工作状况。

总的来说，提供表面构造的头轴承(止端轴承)用于牙轮钻头中。通过两步法喷丸硬化过程在与轴承系统(例如，在主轴颈轴承中)相关的一个或者更多个目的表面上制造极小的微凹。在目的表面上形成随机分布和不一致尺寸的微凹(至少60％的覆盖面积)并且该微凹作为将更多润滑剂限制在表面接触区域中的储器起作用。在微凹区域中产生液体动压力并且减小轴承摩擦。因此，改善轴承工作状况。

上面描述和图解说明了本发明的实施方式。本发明不限于所述公开的实施方式。

Claims (36)

1.一种密封系统表面的表面构造方法，包括：

将目的密封表面暴露于第一喷丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小球介质以第一强度水平轰击所述密封表面；和

将所述目的密封表面暴露于后续的第二喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的第二小球介质以第二强度水平轰击所述表面。

2.根据权利要求1所述方法，其中所述第二强度水平从所述第一强度水平减小得到。

3.根据权利要求1所述方法，其中所述第二平均尺寸比所述第一平均尺寸小。

4.根据权利要求1所述方法，其中所述第二强度水平从所述第一强度水平减小得到并且其中所述第二平均尺寸比所述第一平均尺寸小。

5.根据权利要求1所述方法，还包括将所述目的密封表面暴露于一个或者更多个额外的喷丸硬化作用。

6.根据权利要求1所述方法，其中所述第一喷丸硬化作用表面构造所述目的表面的60-100％。

7.根据权利要求6所述方法，其中所述第二喷丸硬化作用表面构造所述目的表面的60-100％。

8.根据权利要求1所述方法，其中所述第一喷丸硬化作用和所述第二喷丸硬化作用的每一个表面构造所述目的表面的100％。

9.根据权利要求1所述方法，其中，在所述第二喷丸硬化作用完成后，所述目的密封表面的60-100％已经被构造具有随机尺寸和分布的微凹。

10.一种构建钻头的方法，包括：

形成轴承结构，所述轴承结构具有包括至少一个邻近密封件的密封表面的密封系统；和

表面构造所述密封系统的所述密封表面，其中表面构造包括：

将所述密封表面暴露于第一喷丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小球介质以第一强度水平轰击所述表面；和

将所述密封表面暴露于后续的第二喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的第二小球介质以第二强度水平轰击所述表面。

11.根据权利要求10所述方法，其中所述密封表面是所述轴颈轴承系统的轴上的圆柱形密封表面或者锥形密封表面的任一个。

12.根据权利要求10所述方法，还包括根据所述两个暴露步骤表面构造所述轴承结构的轴承表面。

13.根据权利要求12所述方法，其中所述轴承结构包括轴承衬并且表面构造的所述轴承表面是所述轴承衬的内部圆柱面或外部圆柱面的一个。

14.根据权利要求12所述方法，其中所述轴承结构包括轴承轴并且表面构造的所述轴承表面是所述轴的外部圆柱面。

15.一种牙轮钻头轴承的密封系统，所述牙轮钻头轴承具有邻近滑动密封件的密封表面，其中所述密封表面具有由多个微凹组成的表面构造。

16.根据权利要求15所述密封系统，其中所述微凹覆盖所述密封表面的5-60％。

17.根据权利要求15所述密封系统，其中所述微凹覆盖所述密封表面的60-100％。

18.根据权利要求15所述密封系统，其中通过两步法过程的喷丸硬化形成所述多个微凹，所述两步法过程包括：第一喷丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小球介质以第一强度水平轰击所述密封表面，和后续的第二喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的第二小球介质以第二强度水平轰击所述密封表面。

19.根据权利要求18所述系统，其中所述第一喷丸硬化作用表面构造所述目的表面的5-100％。

20.根据权利要求19所述系统，其中所述第二喷丸硬化作用表面构造所述目的表面的5-100％。

21.根据权利要求18所述系统，其中所述第一喷丸硬化作用和所述第二喷丸硬化作用的每一个表面构造所述目的表面的100％。

22.根据权利要求15所述系统，其中所述密封表面是与密封套相关联的表面。

23.根据权利要求15所述系统，其中所述密封表面是圆柱形密封表面或者锥形密封表面的任一个。

24.根据权利要求15所述系统，进一步，其中所述轴承包括轴承衬，并且其中所述轴承衬的内部圆柱面或外部圆柱面的一个具有由多个微凹组成的表面构造，所述多个微凹覆盖所述目的表面的至少60％。

25.根据权利要求15所述系统，其中所述轴承包括轴承轴，并且其中所述轴的外部圆柱面具有由多个微凹组成的表面构造，所述多个微凹覆盖所述目的表面的至少60％。

26.一种用于牙轮钻头轴承的轴承系统，包括：

包括密封表面和圆柱形轴承表面的轴；

轴承衬；

具有环形密封套并且容纳所述轴承衬的辊锥体；

其中所述辊锥体和轴承衬被可旋转地安装到所述轴上，以至所述轴承衬与所述圆柱形轴承表面对齐，和所述密封套与所述密封表面对齐；和

其中至少所述密封表面和a)所述轴上的所述圆柱形轴承表面或者

b)所述轴承衬的内部圆柱面的至少一个具有表面构造，所述表面构造包括多个微凹。

27.根据权利要求26所述轴承系统，其中对于所述密封表面和所述轴承表面二者，所述微凹覆盖所述表面的60-90％。

28.根据权利要求26所述轴承系统，其中对于所述密封表面和所述轴承表面二者，所述微凹基本上覆盖所述表面的100％。

29.根据权利要求26所述轴承系统，通过两步法过程的喷丸硬化形成所述多个微凹，所述两步法过程包括：第一喷丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小球介质以第一强度水平轰击所构造表面，和后续的第二喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的第二小球介质以第二强度水平轰击所述构造表面。

30.根据权利要求26所述轴承系统，其中所述圆柱轴承表面径向偏离所述密封表面。

31.根据权利要求26所述轴承系统，其中所述密封表面是所述轴上的圆柱形密封表面或锥形密封表面的任一个。

32.根据权利要求26所述轴承系统，其中对于所述密封表面，所述微凹覆盖所述表面的少于60％，和对于所述轴承表面，所述微凹覆盖所述表面的60-100％。

33.一种构建钻头的方法，包括：

形成具有密封系统的轴承结构，所述密封系统包括至少一个邻近密封件的密封表面；和

表面构造所述密封系统的所述密封表面，其中表面构造包括将所述密封表面暴露于喷丸硬化处理，其中由第一平均尺寸的第一小球介质以第一强度水平轰击所述表面。

34.根据权利要求33所述方法，其中表面构造还包括将所述密封表面暴露于后续的第二喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的第二小球介质以第二强度水平轰击所述表面。

35.根据权利要求33所述方法，其中所述密封表面是所述轴颈轴承系统的轴上的圆柱形密封表面或锥形密封表面的任一个。

36.根据权利要求33所述方法，还包括表面构造所述轴承结构的轴承表面，所述密封表面的构造比所述轴承表面的所述表面构造轻微。

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