CN103032027A - 牙轮钻头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牙轮钻头及其制造方法，它的轴承系统采用滚锥轴承或锥弧形的滑块瓣，并且利用锁紧螺钉的大头凸缘止推面邻接滚锥或滑块瓣的小头端面，滚锥或滑块瓣的大头端面邻接牙轮壳的内止推面的方法紧密布置锥形滚动或滑动轴承系统，同时实现了可靠的牙轮壳的锁紧功能。借助于锥形的牙爪轴结构简单的特点，采用高效的镗削工艺加工。借助于锥形的牙爪轴易于装夹的特点，将牙爪轴分体并采用能焊透的摩擦焊工艺焊接在牙爪上。借助于将牙爪轴分体后牙爪较扁平，将接头与牙轮支架分离后的锻造毛胚较扁平较易成型的特点，采用将接头与牙轮支架主先分离加工再焊接组合的工艺方法取代了现有的三瓣式加工组合的工艺。提高牙轮钻头的轴承系统的使用寿命与牙轮钻头的制造效率。

Description

牙轮钻头及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种牙轮钻头，适用于制造用于采矿、石油天然气钻探及开采、地质钻探、土建施工的钻井、钻桩基孔等的牙轮钻头，包括三牙轮钻头、单牙轮钻头、四牙轮钻头、组合牙轮钻头以及牙轮滚轮扩孔器等包含牙轮壳的延伸变型的破岩产品。

背景技术

从来的牙轮钻头，特别是它的轴承系统，分为滚动轴承和滑动轴承两大类。滑动轴承承载能力强但不适合高速运行，滚动轴承适合高速运行却承载能力弱，它们面临的共同问题都是寿命不够长，轴承系统的早期失效占所有失效几率的大约百分之八十。为适应高速钻进的需要，在采用滚动轴承的牙轮钻头领域已经出现一些新型的轴承设计。例如美国专利US004136748，为改变滚柱轴承为主承载轴承，球滚珠锁紧并承担部分载荷，平面推力轴承止推的尚不够理想的结构，它采用的能承受部分轴向载荷的滚锥轴承，因为装配结构设计得不够好等原因，它还需要采用螺纹连接。也有锁紧结构依赖螺钉的，如美国专利US20100071959。但它们的主要结构还是没有什么大的变化，轴承仍然是滚动轴承加止推滑块。最接近本发明的采用滚锥轴承系统的是中国专利ZL91105563.0。它采用了与本发明接近的滚锥轴承，但锁紧机构复杂，可靠性不够高且占用较多牙轮壳内宝贵的空间，缩小了为滚锥轴承保留的空间，限制了滚锥轴承可以发挥的潜力。滑动轴承也类似，大量采用占空间的滚珠锁紧结构。虽然也有如美国专利US4802539、US4600064的采用螺钉或卡环锁紧的。至于三牙轮钻头的制造方法，因为牙爪轴是个包含大跑道与锁紧槽等的较为复杂的旋转体，无法采用高切削速度的镗削加工，而必须靠车削加工，跑道还需要磨削以达到所需的表面光洁度。所以三牙轮钻头的制造方法无一例外地都是将包含牙爪、牙爪轴的牙轮支架先分瓣或单个牙爪分别加工，然后再组合焊接为一个整体的牙轮支架。

发明内容

本发明的目的是提供一种牙轮钻头，与常规方式相比，它仅采用一套滚锥轴承，或一套双面滑动的锥瓦形滑块瓣，同时承担全部载荷与锁紧任务，并且因为滚锥轴承与锥瓦形滑块瓣的轴承系统本身具有的高转动同轴度而能延长密封装置的寿命。本发明的目的是这样实现的：在牙爪轴与牙轮壳之间布满滚锥或锥瓦形滑块瓣，在牙轮钻头的牙爪轴轴心设有一个通孔，内装设有一个锁紧螺钉。锁紧螺钉大头有一个环形凸缘作为滚锥或锥瓦形滑块瓣小头端面的止推面，滚锥或锥瓦形滑块瓣大头端面顶到的牙轮壳上的内止推面。这样的结构，实现了仅借用一套滚锥或锥瓦形滑块瓣，同时承担全部载荷与锁紧的任务。装配方法是这样的：在牙轮壳内先装上锁紧螺钉，再安放好全部的滚锥或锥瓦形滑块瓣，然后将锁紧螺钉插进牙爪轴孔内，用螺丝刀穿过牙爪轴通孔插入锁紧螺钉尾的螺丝刀拧紧口，保留轴承系统适当游隙地拧紧锁紧螺钉即可。最后把防松螺丝或其它防松脱装置、密封堵头装上。至于本发明的制造方法，因为它的牙爪轴是个没有锁紧槽的简单的锥体或包含部分柱体等的旋转体，除了可以采用现在普遍采用的慢速的车削加工以外，可以采用更高切削速度的镗削加工。磨削加工也类似，可以采用锥形珩磨等，以获得更好的表面质量如光洁度等并提高加工效率。本发明的轴承系统同样适用于把牙爪轴从牙爪中拆分出来成为一个单独的旋转体零件加工，再装配进牙爪中，紧固方法可以采用或焊接或螺钉、螺纹紧固的现有技术方案。特别是中心有通孔的锥形牙爪轴可以被牢固地装夹，为将分体的牙爪轴采用摩擦焊接工艺焊接在牙爪中创造了条件。另外，将牙爪轴分离后的牙爪较为扁平，再分离支架与接头，则不带接头的支架轴向尺寸较小，可以成为一个单独的锻造毛胚，加工后再与接头焊接或螺纹连接成一个完整的牙轮支架。

附图说明

图1是本发明采用滚锥轴承的牙轮钻头局部剖视示意图；

图2是本发明采用滑动轴承的牙轮钻头局部剖视示意图；

图3是本发明的滑块瓣轴侧视图；

图4是本发明的牙爪轴锥镗削加工示意图；

图5是本发明的牙爪轴锥珩磨加工示意图；

图6所示是本发明的分体牙爪轴摩擦焊工艺示意图；

图7所示是本发明的分体牙爪轴摩擦焊改进工艺示意图；

图8是本发明的牙轮支架采用支架主体部分与接头部分分离组合的局部剖视示意图。

图中1.牙爪  2.牙爪轴  3.牙轮壳  4.锁紧螺钉  5.锁紧螺钉尾  6.锁紧螺钉尾拧紧口7.止转螺丝  8.密封堵头  9.滚锥  10.滑块瓣  11.镗头  12.镗刀杆  13.刀片  14.珩磨油石与安装架  15.平行连杆  16.拉力弹簧  17.拉力弹簧顶杆  18.珩磨头  19.摩擦头  20.装夹拉杆  21.装夹螺母  22.尾锥  23.锥形沉孔  24.牙轮支架主体  25.接头。

具体实施方式

如图1所示为本发明采用滚锥轴承的牙轮钻头局部剖视示意图，其中1为牙爪，2为牙爪轴，3为牙轮壳，4为锁紧螺钉，5为锁紧螺钉尾，6为锁紧螺钉尾拧紧口，7为止转螺钉，8为密封堵头，9为滚锥，其余部分与常规牙轮相似，如蓄油室及油路等未绘出，不赘述。其中牙爪轴2的外锥表面即是锥轴承跑道，与牙轮壳3、滚锥9配合，并在锁紧螺钉4的约束下成为一个完整的锥轴承系统。牙轮壳3的锁紧原理是：锁紧螺钉4依靠锁紧螺钉尾5上的螺纹固定在牙爪轴2的轴心通孔内螺纹上，锁紧螺钉4的大头凸缘止推面邻接或顶住滚锥9的小头端面，滚锥9的大头端面邻接或顶住牙轮壳3的内止推面，从而实现全部锁紧功能。因为传递锁紧力的部件可以彼此全部都是面接触，例如球面，显然比现有的线接触的滚珠锁紧机构具有更好的沿牙爪轴向抗拉强度，更不易被破坏而导致轴承的早期失效，且占用空间少。并且锁紧螺钉4的大头外部与牙轮壳3的内锥部在轴承系统磨损后还可以接触承受一部分载荷。至于本发明的装配方法，先把锁紧螺钉4装入牙轮壳3内，填满滚锥9，再将锁紧螺钉尾5伸进牙爪轴轴心通孔内，通过牙爪轴轴心通孔用螺丝刀拧锁紧螺钉尾拧紧口6，保留轴承系统适当游隙地拧紧锁紧螺钉4即可。最后把止转螺丝7、密封堵头8装上。本发明是突破了习惯思维局限的结果：在螺钉尾拧紧而不是以往的非得在螺钉头拧紧。牙轮壳内的螺钉头被牙轮壳遮挡住了，难以拧螺钉。这可能是最接近本发明的采用滚锥轴承系统的中国专利ZL91105563.0，它采用了与本发明非常接近的滚锥轴承系统，也采用螺纹结构锁紧，但锁紧机构复杂而没有突破的原因。当然，如果非要从大头拧螺钉，也可以在牙轮壳上钻辅助孔，拧完螺钉再封堵辅助孔。另外，锁紧螺钉4的止转方法还可以有多种，例如止转卡销等。锁紧螺钉拧紧口6的结构也可以是一字槽、十字槽、内六方槽、梅花槽等，不赘述。

如图2所示为本发明采用滑动轴承的牙轮钻头局部剖视示意图，其中10为滑块瓣，其余与图1相同。它采用滑块瓣10作为与牙爪轴2、牙轮壳3之间的双面摩擦副。滑块瓣10在与牙爪轴2或牙轮壳3中任何一边发生润滑失效导致摩擦力距增大甚至咬合时，另一边仍然保持滑动工作状态，提高了滑动轴承的可靠性与寿命。它的锁紧原理也与图1所示相同，锁紧螺钉4依靠锁紧螺钉尾5上的螺纹固定在牙爪轴2上，锁紧螺钉4的大头凸缘止推面顶住滑块瓣10的小头端面，滑块瓣10的大头端面顶住牙轮壳3的内止推面，从而实现全部锁紧功能。因为传递锁紧力的部件彼此全部都是锥面或球面的面接触，它的锁紧强度与可靠性取决于滑块瓣10的抗压强度。至于装配方法，则基本上与前述的图1部分相同。通常设计为一个圆锥形整体的滑块被改成分瓣的，即滑块瓣10，完全是为了实现装配目的，整体的锥环形滑块无法简单地装配进牙轮壳3内。

图3是本发明的滑块瓣轴侧视图，其中属于常规技术设计内容的例如：摩擦面覆盖耐磨材料，如巴氏合金等，或采用高硬度的硬质合金、陶瓷或金刚石薄膜等提高耐磨性以及边缘倒角、导油槽等未绘出。需要进一步公开的内容是：锥弧形的滑块瓣10可以是等厚度的；也可以是小头厚，大头薄，利于提高锁紧系统强度与能力；也可以是小头薄，大头厚，利用牙爪轴2与牙轮壳3的挤压作用，使滑块瓣10趋于靠近牙轮壳2的内止推面，从而减少对锁紧螺钉4的大头凸缘止推面的接触与磨损。利于长时间保持锁紧能力从而提高系统寿命。可见不同的滑块瓣10的厚度特点可以派生出不同的牙轮轴承系统寿命特性，为在有限空间的牙轮壳3内综合取舍筛选出不同特性的牙轮钻头提供了一条途径。其实如图1所示的本发明，也同样存在不同滚锥锥度对牙轮钻头轴承系统特性的影响，不赘述。

图4是本发明的牙爪轴锥镗削加工示意图，其中11为镗头，12为镗刀杆，13为刀片。在镗牙爪轴2的锥面时，镗头11仅旋转不进给，进给动作由镗刀杆12沿给定锥度的斜槽滑移，从而完成对镗牙爪轴2的锥面的镗削加工。在镗削加工分瓣的牙爪轴时，镗头11可以较大。但镗削加工三牙爪合成一体的牙轮支架的牙爪轴时，镗头11只能较小，以避开另外两只牙爪轴毛胚对镗头11的干涉。至于镗刀杆12的进给方法与机构，有不少方案且属于镗锥轴技术领域，已经是现有技术，不赘述。

图5是本发明的牙爪轴锥珩磨加工示意图，其中14为珩磨油石与安装架，15为平行连杆，16为拉力弹簧，17为拉力弹簧顶杆，18为珩磨头。它是将珩磨加工圆柱管内壁的技术方法转化过来的。不同的是珩磨加工圆柱管内壁时油石对加工面的压力由离心作用提供，但在本发明里，锥珩磨加工牙爪轴2的锥面时，油石对加工面的压力由拉力弹簧16提供，并且特别设计有一个拉力弹簧顶杆17，它是在珩磨头18往返运动时对油石施加在加工面上的压力进行补偿，避免锥面半径大的地方压力过大、锥面半径小的地方压力过小导致磨削不均匀的问题。

如图6所示是本发明的分体牙爪轴摩擦焊工艺示意图。本发明的轴承系统及其锁紧方法同样适用于把牙爪轴2从牙爪1中拆分出来成为一个单独的旋转体零件加工，再装配进牙爪1中，或焊接或螺钉、螺纹紧固的现有技术方案。特别是牙爪轴2是带轴心通孔的锥体，可以被牢固地装夹，为将分体的牙爪轴2采用摩擦焊接工艺焊接在牙爪1中提供了可能。其中19为摩擦头，20为装夹拉杆，21为装夹螺母。摩擦头19上设有与牙爪轴2完全互补的凹锥，并或在其凹锥面涂或垫增加摩擦力的材料，将牙爪轴2穿入装夹拉杆20装入摩擦头19并使用装夹螺母21紧固。锥面的价值除定位准确以外，还在于较小的轴向力会带来较大的锥面压力，从而获得摩擦焊接所需要的扭矩支持。这正是现有的主要是柱体且结构较复杂的牙爪轴分体技术方案难以采用能焊透的摩擦焊技术的原因，因为现有的没有轴心通孔且非锥体的分体牙爪轴难以牢固可靠地装夹。图6所绘相当于摩擦焊工艺已经完成顶锻工序时的最终状况。至于检验摩擦焊接质量的方法，可以有很多，例如采用反向压出测试的方法，如果测试达到材料的理论剪切强度的百分之几十，就合格。不合格的补救措施可以是压出后重焊等。

图7所示是本发明的分体牙爪轴摩擦焊改进工艺示意图。由于牙爪1上安装分体牙爪轴2的孔一边深一边浅，摩擦焊工艺容易导致偏心等问题。解决的方法是在分体牙爪轴2尾部设一个尾锥22，或在牙爪1上设一个锥形沉孔23，使分体的牙爪轴2与牙爪1的摩擦焊接面接近旋转对称的环形以改善摩擦焊工艺条件，同时较小的摩擦焊面积有利于降低摩擦焊所需的摩擦力矩。尾锥22与或锥形沉孔23之间的空穴可以用电弧焊等方法填埋。

图8是本发明的牙轮支架采用支架主体部分与接头部分分离组合的局部剖视示意图，只绘出了其轴对称的一半。其中1为牙爪，24为牙轮支架主体，25为接头。对于本发明的三牙轮钻头而言，它的三个牙爪1与牙轮支架主体24合为一体，在一个锻造毛胚上。特别是如图6、图7所示采用分体牙爪轴2的情形，因为牙轮支架的毛胚中不包含牙爪2的毛胚部分，该锻造毛胚较扁平较易成型。若采用牙爪轴2与牙爪1合为一体的结构，则锻造毛胚成型较困难。接头25与牙轮支架主体24将在制造过程中采用螺纹连接或焊接工艺连接，具体焊接工艺如摩擦焊接、电弧焊接等。将接头25与牙轮支架主体24分离再组合的工艺方法在很多规格尺寸的牙轮钻头支架中比现有的需要先锻造三瓣毛胚再铣削120°平面然后焊接组合牙轮支架的工艺具有更高的制造效率。

图4为第一个实施例，图6为第二个实施例，图8为第三个实施例。

Claims (7)

1.一种牙轮钻头，适用于制造用于采矿、石油钻探及开采、地质钻探、土建施工等的牙轮钻头，其轴承系统包含牙爪轴[2]、牙轮壳[3]、锁紧螺钉[4]、滚锥[9]，其特征在于牙爪轴[2]是锥形的，滚锥[9]在牙爪轴[2]与牙轮壳[3]之间，锁紧螺钉[4]与牙爪轴[2]紧固连接，锁紧螺钉[4]的大头凸缘止推面邻接滚锥[9]的小头端面，滚锥[9]的大头端面邻接牙轮壳[3]的内止推面。

2.一种牙轮钻头，适用于制造用于采矿、石油钻探及开采、地质钻探、土建施工等的牙轮钻头，其轴承系统包含牙爪轴[2]、牙轮壳[3]、锁紧螺钉[4]、滑块瓣[10]，其特征在于牙爪轴[2]是锥形的，锥弧形的滑块瓣[10]在牙爪轴[2]与牙轮壳[3]之间，锁紧螺钉[4]与牙爪轴[2]紧固连接，锁紧螺钉[4]的大头凸缘止推面邻接滑块瓣[10]的小头端面，滑块瓣[10]的大头端面邻接牙轮壳[3]的内止推面。

3.根据权利要求1所规定的发明，其特征在于牙爪轴[2]的锥面是采用镗削加工的。

4.根据权利要求2所规定的发明，其特征在于牙爪轴[2]的锥面是采用镗削加工的。

5.根据权利要求1所规定的发明，其特征在于分体的牙爪轴[2]是采用摩擦焊接紧固在牙爪[1]上的。

6.根据权利要求2所规定的发明，其特征在于分体的牙爪轴[2]是采用摩擦焊接紧固在牙爪[1]上的。

7.一种牙轮钻头，适用于制造用于采矿、石油钻探及开采、地质钻探、土建施工等的牙轮钻头，其特征在于牙轮支架是由牙轮支架主体[24]与接头[25]这两个零件组合形成的，并且牙爪轴[2]是带轴心通孔的锥体。

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