CN103237951B - 用于旋转锥形钻头的巴掌尖外表面的抗磨材料 - Google Patents
用于旋转锥形钻头的巴掌尖外表面的抗磨材料 Download PDFInfo
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Abstract
旋转锥形钻头包括：主体、悬自主体的巴掌和从巴掌延伸的支承轴。锥体可安装至支承轴。巴掌包括在钻头的操作过程中经受磨损的表面位置。硬质材料片的底面用巴掌的基本上贴合的表面定位在经受磨损的位置处。用贴合的表面定位使用可流动材料如铜焊材料进行。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2010年10月1日提交的名称为“WearResistantMaterialfortheShirttailEdgeOuterSurfaceofaRotaryConeDrillBit(用于旋转锥形钻头的巴掌尖边缘外表面的抗磨材料)”的美国专利申请号12/896,484的权益，其公开内容在此通过引用以其全部内容并且以法律允许的最大范围并入。
背景技术
发明的技术领域
本发明涉及钻地钻头，并且更具地涉及具有可旋转牙轮的钻地钻头，也称为旋转锥形钻头。
相关技术的描述
参照图1和2，其中图1图解了现有技术旋转锥形钻头10的等距视图，并且图2图解了图1的现有技术旋转锥形钻头10的一部分的横截面视图。巴掌12悬自(dependfrom)钻头10的主体部分14。巴掌12包括支承轴(bearingshaft)16，其在向下并且径向向内的方向延伸。支承轴16包括圆筒形支承面18。牙轮锥体(cuttercone)20被安装至支承轴16，并且由支承面18支撑以旋转。在可选的实施中，牙轮锥体20通过一组滚柱轴承支撑以在支承轴16上旋转。锥体20的形状和构造以及它与支承轴16的可旋转连接在本领域是众所周知的。在密封轴承实施中，锥体20和支承轴16之间的轴承(轴颈或滚柱)通过润滑剂(如润滑脂)润滑，润滑剂以本领域技术人员众所周知的方式填充邻近轴承的区域以及旋转锥形钻头内的其它通道21。该润滑剂通过使用例如以o-形环22形式的弹性密封件被保持在旋转锥形钻头内，弹性密封件被定位于锥体20的底部附近的内圆筒形表面26和支承轴16的底部附近的外圆筒形表面28之间的密封盖24内。
巴掌12的外表面30在接近锥体20的半圆边缘32处终止。与表面30相连的巴掌12的区域在本领域被称为“巴掌尖区域”，并且边缘32在本领域被称为“巴掌尖边缘”。提供巴掌尖边缘32，其中表面30的末端部分过渡至平行于锥体20的底部(并且垂直于支承轴16)定向的并且在支承轴16的底部定位的内部径向表面34。在旋转锥形钻头10上，钻头故障的主要形式之一可追溯至巴掌尖磨损。在这种巴掌尖磨损的一种形式中，巴掌尖边缘32磨损，内部径向表面34的径向宽度由于该磨损减小，并且在密封轴承内的弹性o-形环22密封件被暴露。如果轴承改为是敞式(非密封或空气)轴承，则巴掌尖边缘的磨损可使空气轴承暴露。巴掌尖磨损的另一形式包括在远离巴掌尖边缘的位置处的巴掌尖外表面30的磨损。
现有技术教导了延缓巴掌尖磨损的两种方法。图3图解了第一种方法，其中焊接的表面硬化材料40层被施加至表面30，沿着巴掌尖边缘32的至少一部分延伸。表面硬化材料一般是施加至表面30的碳化钨硬金属40的沉积。该材料一般是镍焊接介质中携带的粒状碳化钨。当旋转锥形钻头在高研磨性岩层中运转时，该方案未很好地起作用，因为表面硬化材料40磨损太快。主要是焊接介质，一般是镍，造成材料上焊接相对差的性能。图4图解了第二种方法，其中碳化钨插入物42被压装入在巴掌尖边缘32附近的表面30内形成的孔44内。尽管这些插入物42提供更好的抗磨性(与使用表面硬化材料比较)，但是插入物42未对巴掌尖边缘32提供保护。对此的原因是孔44必须被定位在离巴掌尖边缘32一些看得出的距离处，以便压装适当地起作用并且在外围保持插入物42。例如，一般从孔44的边缘至巴掌尖边缘32提供至少0.125英寸的间距d1。因而，图4的方法起到主要保护巴掌尖边缘32附近但不是精确处于巴掌尖边缘32的巴掌尖区域的作用。而且，为了适当地被保持，压装插入物42一般必须具有厚度t(孔44的相应深度)，以使插入物的厚度与插入物的直径d’(在插入物是圆的情形)或插入物的宽度w(其它形状)的比超过大约0.5(即，t/d’≥0.5；或t/w≥0.5)。
因此，在本领域对于提供保护巴掌尖边缘如巴掌尖边缘32的改进方法存在需要。
再次参照图1和2，巴掌尖区域内的巴掌12的外表面30横向终止于前巴掌尖边缘50和后巴掌尖边缘52。前巴掌尖边缘50在旋转锥形钻头10的操作过程中特别易于磨损。现有技术又教导了延缓前巴掌尖边缘50的磨损的两种方法。图5图解了第一种方法，其中焊接的表面硬化材料40被施加至表面30，沿着前巴掌尖边缘50的至少一部分延伸。表面硬化材料一般是碳化钨硬金属40的沉积。该材料一般是镍焊接介质内携带的粒状碳化钨。当旋转锥形钻头在高研磨性岩层中运转时，该方案未很好地起作用，因为表面硬化材料40磨损太快。主要是焊接介质，一般是镍，造成材料上焊接相对差的性能。图6图解了第二种方法，其中碳化钨插入物42被压装入在前巴掌尖边缘50附近的表面30内形成的孔44内。尽管这些插入物42提供更好的抗磨性(与使用表面硬化材料比较)，但是插入物42未对前巴掌尖边缘50提供保护。对此的原因是孔44必须被定位在离前巴掌尖边缘50一些看得出的距离处，以便压装适当地起作用并且在外围保持插入物42。例如，一般从孔44的边缘至前缘50提供至少0.125英寸的间距d2。因而，图6的方法起到主要保护前巴掌尖边缘50附近但不是精确处于前巴掌尖边缘50的巴掌尖区域的作用。而且，为了适当地被保持，压装插入物42一般必须具有厚度t(孔44的相应深度)，以使插入物的厚度与插入物的直径d’(在插入物是圆的情形)或插入物的宽度w(其它形状)的比超过大约0.5(即，t/d’≥0.5；或t/w≥0.5)。
因而，本领域对于提供保护前巴掌尖边缘如前巴掌尖边缘50的改进方法存在需要。
发明内容
在一个实施方式中，旋转锥形钻头包括：主体、悬自主体的巴掌和从巴掌延伸的支承轴。还提供了具有底面的硬质材料片。硬质材料片的底面用巴掌的基本上贴合的表面定位。
在一个实施方式中，旋转锥形钻头包括：主体、悬自主体的巴掌、从巴掌延伸的支承轴和安装至支承轴的锥体。巴掌在邻近锥体的底部的巴掌尖边缘处终止。硬质材料片的底面用巴掌的基本上贴合的表面定位在沿巴掌尖边缘的位置。
在一个实施方式中，旋转锥形钻头包括：主体、悬自主体的巴掌、从巴掌延伸的支承轴和安装至支承轴的锥体。硬质材料片的底面用巴掌的基本上贴合的表面定位(例如在沿着经受磨损的巴掌尖区域的边缘的表面)。
在一个实施方式中，旋转锥形钻头包括：主体、悬自主体的巴掌、从巴掌延伸的支承轴和安装至支承轴的锥体。巴掌包括在钻头的操作过程中经受磨损的位置。硬质材料片的底面用巴掌的基本上贴合的表面定位在经受磨损的位置。
在任何前述实施方式中，进行连接的贴合表面可包括：在巴掌的外巴掌尖表面之内或旁边形成的基底表面、在邻近巴掌尖边缘的巴掌的外表面之内或旁边形成的基底表面、在巴掌的外巴掌尖表面之内形成的开口的基底表面、和/或在邻近巴掌尖边缘的巴掌之内形成的开口的基底表面。
在任何前述实施方式中，用于定位硬质材料片的材料可包括粘结材料。粘结材料通常是介于硬质材料片的底面与巴掌的基本上贴合的表面之间的可流动的粘结材料。那种材料可包括例如铜焊材料。
在任何前述实施方式中，硬质材料片可包括聚晶金刚石复合片(polycrystallinediamondcompact)，或由材料如固态碳化钨或多晶立方氮化硼复合片制造，或包括浸渍的金刚石片段。
附图简述
本发明的其它特征和优势将在几个非限制性实例的后面描述中参照附图变得清楚，其中：
图1图解现有技术旋转锥形钻头的等距视图；
图2图解图1的现有技术旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图；
图3图解施加沿着巴掌尖边缘的至少一部分延伸的表面硬化材料层；
图4图解了使用在巴掌尖边缘附近的碳化钨插入物；
图5图解了施加沿着巴掌尖前缘的至少一部分延伸的表面硬化材料层的；
图6图解了使用在巴掌尖前缘附近的碳化钨插入物；
图7图解了包括用于巴掌尖边缘和巴掌尖前缘的保护机构的旋转锥形钻头的等距视图；
图8图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括巴掌尖边缘保护机构的实施方式；
图9和10图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括用于保护巴掌尖前缘的机构的实施方式；
图11图解了旋转锥形钻头的等距视图，所述旋转锥形钻头包括用于巴掌尖边缘和巴掌尖前缘的保护机构；
图12图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括巴掌尖边缘保护机构的实施方式；
图13和14图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括用于保护巴掌尖前缘的机构的实施方式。
附图详述
现在参照图7，其图解了旋转锥形钻头110的等距视图，旋转锥形钻头110包括用于巴掌尖边缘和巴掌尖前缘(也称为横向前缘)的保护机构。巴掌112悬自钻头110的主体部分114。巴掌112包括在向下和径向向内方向延伸的支承轴(未显示，见图8附图标记116)。牙轮锥体120被安装至支承轴并且被支撑其上以转动。巴掌112的外表面130终止于接近锥体120的半圆缘132处。与表面130相连的巴掌112的区域在本领域被称为“巴掌尖区域”，并且边缘132在本领域被称为“巴掌尖边缘”。巴掌112的外表面130横向终止于前巴掌尖边缘150和巴掌尖的后缘152处。巴掌尖的横向前缘150和横向后缘152包括沿着巴掌112的长度延伸的巴掌尖边缘132的延伸。虽然，例如，图解为包括密封轴承系统，但将理解，本发明适用于密封和非密封(空气)轴承钻头。
为了保护巴掌尖边缘132，多个开口134提供于沿着(邻近但未重合)巴掌尖边缘132延伸的位置处的巴掌112的外表面130内，并且将硬质片插入物136附着至每个开口134内的基底表面。也参见图8。为了保护巴掌尖的横向前缘150，多个开口138被提供于沿着(邻近但未重合)巴掌尖的前缘150延伸的位置处的巴掌112的外表面130内，并且将硬质片插入物140附着至每个开口138内的基底表面。也参见图9。为了大体上保护外表面130，多个开口142被提供于开口138内部和邻近开口138的位置处的巴掌112的外表面130内，并且将硬质片插入物144附着至每个开口142内的基底表面。也参见图10。开口可在期望的位置，特别是在钻头的操作过程中经受磨损的巴掌上的位置，被铣至或浇铸至巴掌112的外表面130内。
虽然在图7中图解所述保护机构，但是将理解图解的保护机构中的任何一个或多个可被选择用于旋转锥形钻头110上。虽然图7主要图解了圆形插入物的使用，但是将理解插入物可具有任何期望的形状(包括多边形形状、椭圆形形状(如显示的)等)。而且，如图7中显示的，插入物可具有不同的尺寸，可能取决于放置位置选择尺寸。
将注意，与现有技术实施不同，插入物不需要压装至开口，并且进一步地，插入物未依靠外围摩擦保持机构。而是，插入物以待描述的方式附着在开口内。关于插入物使用粘合比压装保持存在显著优势。粘合用于插入物保持允许其中接收插入物的开口比压装安装可能的更接近巴掌尖边缘132和前缘150布置。此外，两个邻近的开口可比压装安装可能的更彼此接近地布置。
现在参照图8，其图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括巴掌尖边缘保护机构的实施方式。在该实施方式中，开口134被提供于巴掌尖边缘132附近(邻近但未重合)的巴掌112的外表面130内。开口134可被铣至或浇铸至巴掌112的外表面130内。开口134由基底表面160和外壁162限定(基底表面可以例如是平的)。硬质片插入物136附着在开口134内，但是不需要相对于外壁162保持摩擦。在优选的实施方式中，硬质片插入物的底面被附着至开口134的基底表面160。插入物的底面贴合至开口的基底表面(并且因此，例如，可以是平的表面)。将底面附着至基底表面的方式可例如包括任何合适的粘附材料，其介于基本上贴合的(例如，平行的)表面之间，包括通过毛细管作用在基本上贴合的表面之间可流动的粘结材料，如铜焊材料、焊剂、粘合剂、树脂等(参见，例如，美国专利申请公开号2009/0038442，其公开内容在此通过引用以其全部内容并入)。由于绘图比例，粘结材料未明确地在图8中显示，但是将理解，粘结材料存在于贴合的底面和基底表面之间。粘结材料优选地在贴合的底面和基底表面之间具有基本上均匀的厚度。硬质片插入物136具有一定厚度，使得当在开口134内附着时，片状插入物136的上表面166与巴掌112的外表面130基本上齐平，或稍微暴露超过巴掌112的外表面130，或稍微凹入巴掌112的外表面130以下。硬质片插入物136由比用于制造钻头的巴掌和巴掌尖的材料更耐磨的材料或材料的组合制造。在优选的实施中，硬质片插入物由如固态碳化钨、聚晶金刚石复合片(PDC)、多晶立方氮化硼复合片、浸渍金刚石片段等的材料制造。这些材料优于现有技术中已知的碳化钨表面硬化上的传统焊接，因为它们更致密并且不易于磨损和腐蚀。
提供巴掌尖边缘132，其中表面130的末端部分过渡至平行于锥体120的底部(垂直于支承轴116)定向并且在支承轴116的底部定位的内部径向表面192。硬质片插入物136起到防止巴掌尖边缘132的磨损和内部径向表面192的腐蚀的作用。开口134的深度通过它最接近巴掌尖边缘132(并且因而接近径向表面192)的位置限制。如果使用薄片插入物136，开口134可移动非常接近于巴掌尖边缘132，而未到达表面192。例如，可从开口134的边缘至巴掌尖边缘132使用0.050至0.120英寸的间距d3(其中d3<d1)(插入物厚度在0.050至0.500英寸的范围)。正是在贴合的基底表面160处进行粘合(例如，通过铜焊)至硬质片插入物136。以此方式，与现有技术不同，粘结材料未被暴露在外面，并且未受到可能的磨损。发生粘合的贴合表面可以例如随着钻头的半径弯曲，或具有任何选择的弯曲构造。虽然密封轴承系统被图解，但是将理解，根据本发明的保护适于密封的和非密封的(空气)轴承钻头。
硬质片插入物136具有厚度t和宽度w(其中宽度在垂直于巴掌尖边缘132的方向上测量)。硬质片插入物136是薄插入物。在该情况中，插入物的厚度t与插入物的宽度w的比小于0.5(即，t/w<0.5)。更具体地，插入物的厚度t与插入物的宽度w的比显著小于0.5(即，t/w<<0.5)。甚至更具体地，插入物的厚度t与插入物的宽度w的比小于0.2(即，t/w<0.2)，并且可甚至小于0.1(即，t/w<0.1)。这是允许的，因为硬质片插入物136通过粘合至它们的底面而不是它们的外围边缘得以保持(如现有技术中使用的压装插入物的情况(参见，图4))。
现在参照图9，其图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括用于巴掌尖的横向前缘的保护机构的实施方式。在该实施方式中，开口138被提供在前巴掌尖边缘150附近(邻近但未重合)的巴掌112的外表面130。开口138可被铣至或浇铸至巴掌112的外表面130内。开口138由基底表面170和外壁172限定(基底表面可以例如是平的)。关于选择开口138的深度，在该位置存在更大自由度。硬质片插入物140附着在开口138内，但是不需要相对于外壁172保持摩擦。在优选的实施方式中，硬质片插入物的底面附着至开口138的基底表面170。插入物的底面贴合至开口的基底表面(并且因而，例如，可以是平的表面)。将底面附着至基底表面的方式可例如包括任何合适的粘附材料，其介于基本上贴合的(例如，平行的)表面之间，包括通过毛细管作用在基本上贴合的表面之间可流动的粘结材料，如铜焊材料、焊剂、粘合剂、树脂等(参见，例如，美国专利申请公开号2009/0038442，其公开内容在此通过引用以其全部内容并入)。由于绘图比例，粘结材料未明确地在图9中显示，但是将理解，粘结材料存在于贴合底面和基底表面之间。粘结材料优选地在贴合的底面和基底表面之间具有基本上均匀的厚度。硬质片插入物140具有一定厚度，使得当在开口138内附着时，片状插入物140的上表面176与巴掌112的外表面130基本上齐平，或稍微暴露超过巴掌112的外表面130，或稍微从巴掌112的外表面130凹入。硬质片插入物140由比用于制造钻头的巴掌和巴掌尖的材料更耐磨的材料或材料的组合制造。在优选的实施中，硬质片插入物由如固态碳化钨、聚晶金刚石复合片(PDC)、多晶立方氮化硼复合片、浸渍金刚石片段等的材料制造。这些材料优于现有技术中已知的碳化钨表面硬化上的传统焊接，因为它们更致密并且不易于磨损和腐蚀。此外，在该实施中的粘结材料未暴露在外面并且未遭受可能的磨损。发生粘合的贴合表面可以例如随着钻头的半径弯曲，或具有任何选择的弯曲构造。
硬质片插入物140具有厚度t和宽度w(其中宽度在垂直于前缘150的方向上测量)。硬质片插入物140是薄插入物。在该情况中，插入物的厚度t与插入物的宽度w的比小于0.5(即，t/w<0.5)。更具体地，插入物的厚度t与插入物的宽度w的比显著小于0.5(即，t/w<<0.5)。甚至更具体地，插入物的厚度t与插入物的宽度w的比小于0.2(即，t/w<0.2)，并且可甚至小于0.1(即，t/w<0.1)。这是允许的，因为硬质片插入物140通过粘合至它们的底面而不是它们的外围边缘被保持(如现有技术中使用的压装插入物的情况(参见，图4)。
现在参照图10，其图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括用于巴掌尖的横向前缘的保护机构的实施方式。在该实施方式中，开口142被提供在巴掌112的外表面130内。开口142可被铣至或浇铸至巴掌112的外表面130内。开口142由基底表面180和外壁182限定(基底表面可以例如是平的)。关于选择开口142的深度，在该位置存在更大自由度。硬质片插入物144附着在开口142内，但是不需要相对于外壁182保持摩擦。在优选的实施方式中，硬质片插入物的底面附着至开口142的基底表面180。插入物的底面贴合至开口的基底表面(并且因而，例如，可以是平的表面)。将底面附着至基底表面的方式可例如包括任何合适的粘附材料，其介于基本上贴合的(例如，平行的)表面之间，包括通过毛细管作用在基本上贴合的表面之间可流动的粘结材料，如铜焊材料、焊剂、粘合剂、树脂等(参见，例如，美国专利申请公开号2009/0038442，其公开内容在此通过引用以其全部内容并入)。由于绘图比例，粘结材料未明确地在图10中显示，但是将理解，粘结材料存在于贴合底面和基底表面之间。粘结材料优选地在贴合的底面和基底表面之间具有基本上均匀的厚度。硬质片插入物144具有一定厚度，使得当在开口142内附着时，片状插入物144的上表面186与巴掌112的外表面130基本上齐平，或稍微暴露超过巴掌112的外表面130，或稍微从巴掌112的外表面130凹入。硬质片插入物144由比用于制造钻头的巴掌和巴掌尖的材料更耐磨的材料或材料的组合制造。在优选的实施中，硬质片插入物由如固态碳化钨、聚晶金刚石复合片(PDC)、立方氮化硼等的材料制造。此外，在该实施中的粘结材料未暴露在外面并且未遭受可能的磨损。发生粘合的贴合表面可以例如随着钻头的半径弯曲，或具有任何选择的弯曲构造。
硬质片插入物144具有厚度t和宽度w(其中宽度在提供最小w值的方向上测量)。硬质片插入物144是薄插入物。在该情况中，插入物的厚度t与插入物的宽度w的比小于0.5(即，t/w<0.5)。更具体地，插入物的厚度t与插入物的宽度w的比显著小于0.5(即，t/w<<0.5)。甚至更具体地，插入物的厚度t与插入物的宽度w的比小于0.2(即，t/w<0.2)，并且可甚至小于0.1(即，t/w<0.1)。这是允许的，因为硬质片插入物144通过粘合至它们的底面而不是它们的外围边缘被保持(如现有技术中使用的压装插入物的情况(参见，图4)。
将注意，开口和片状插入物可具有任何选择的几何形状和布置，因而允许对钻头的复合表面施以保护。
可移动开口138非常接近前缘150。例如，从开口138的边缘至前缘150可使用0.000至0.120英寸的间距d4(其中d4<d2)。而且，可移动开口134、138和142彼此非常接近，因为插入物通过底面粘合保持。例如，如d3或d4一样小或者小于d3或d4的间距可用在开口134、138和142之间。
沿着巴掌尖边缘和/或前巴掌尖边缘和/或巴掌尖外表面使用开口和片状插入物施加的保护的图解仅是举例，将理解所述的保护机构可被施加至易受磨损的钻头的任何边缘或表面。
现在参照图11，其图解了旋转锥形钻头210的等距视图，所述旋转锥形钻头210包括用于巴掌尖边缘和巴掌尖前缘的保护机构。巴掌212悬自钻头210的主体部分214。巴掌212包括在向下和径向向内方向延伸的支承轴(未显示，参见图14附图标记216)。牙轮锥体220被安装至支承轴并且在其上被支撑以转动。巴掌212的外表面230终止于接近锥体220的半圆缘232处。与表面230相连的巴掌212的区域在本领域被称为“巴掌尖区域”，并且边缘232在本领域被称为“巴掌尖边缘”。巴掌212的外表面230横向终止于前巴掌尖边缘250和巴掌尖后缘252处。巴掌尖的前缘250和后缘252包括沿着巴掌212的长度延伸的巴掌尖边缘232的延伸。巴掌尖区域进一步包括前侧表面254，其在前巴掌尖边缘250处与巴掌212的外表面230邻近。虽然例如图解为包括密封轴承系统，但是将理解本发明适用于密封和非密封(空气)轴承钻头。
为了保护巴掌尖边缘232，多个硬质片236附着至提供于沿着(邻近但未重合)巴掌尖边缘232的位置处的巴掌212的弯曲外表面230之内或旁边的基底表面231。也参见图12。为了保护巴掌尖的前缘250，多个硬质片240附着至提供于沿着(邻近但未重合)巴掌尖的前缘250的位置处的巴掌212的弯曲外表面230之内或旁边的基底表面231。也参见图13。为了大体上保护外表面230，多个硬质片244附着至提供于片240的内部和邻近片240的位置处的巴掌212的弯曲外表面230之内或旁边的基底表面231。也参见图14。硬质片可在期望的位置放置，特别是在钻头的操作过程中易受磨损的巴掌上的位置。虽然所有三个保护机构在图11中被图解，但是将理解，可选择任何一个或多个保护机构，用在旋转锥形钻头210上。基底表面231优选地进行机械加工或浇铸成为巴掌尖区域的外表面。
虽然图11主要图解了圆形片的使用，但是将理解片可具有任何期望的形状(包括多边形形状、椭圆形形状(如显示的)等)。而且，如图11中显示，片可具有不同的尺寸，可能取决于放置位置选择尺寸。
现在参照图12，其图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括巴掌尖边缘保护机构的实施方式。在该实施方式中，硬质片236的底面260附着至基本上贴合的基底表面231，其提供在巴掌尖边缘232附近(邻近但未重合)的巴掌212的弯曲外表面230之内或旁边。基底表面可以例如是形成于外表面内的变平的表面。将底面附着至基底表面的方式可例如包括任何合适的粘附材料，其介于基本上贴合的(例如，平行的)表面之间，包括通过毛细管作用在基本上贴合的表面之间可流动的粘结材料，如铜焊材料、焊剂、粘合剂、树脂等(参见，例如，美国专利申请公开号2009/0038442，其公开内容在此通过引用以其全部内容并入)。由于绘图比例，粘结材料未明确地在图12中显示，但是将理解，粘结材料存在于贴合底面和基底表面之间。粘结材料优选地在贴合的底面和基底表面之间具有基本上均匀的厚度。片236的厚度可在0.050至0.500英寸的范围内。硬质片236由比用于制造钻头的巴掌和巴掌尖的材料更耐磨的材料或材料的组合制造。在优选的实施中，硬质片由如碳化钨、PDC、多晶立方氮化硼复合片、浸渍金刚石片段等的材料制造。这些材料优于现有技术中已知的碳化钨表面硬化上的传统焊接，因为它们更致密并且不易于磨损和腐蚀。发生粘合的贴合表面可以例如随着钻头的半径弯曲，或具有任何选择的弯曲构造。
提供巴掌尖边缘232，其中表面230的末端部分过渡至平行于锥体220的底部(垂直于支承轴216)定向并且在支承轴216的底部定位的内部径向表面292。硬质片236起到防止巴掌尖边缘232的磨损和内部径向表面292的腐蚀的作用。正是在外表面230上的基底表面231处进行粘合(例如，通过铜焊)至硬质片236的底面260。以此方式，与现有技术不同，粘结材料未被暴露在外面，并且未受到可能的磨损。虽然密封轴承系统被图解，但是将理解根据本发明的保护适于密封的和非密封的(空气)轴承钻头。
硬质片236具有厚度t和宽度w(其中宽度在垂直于巴掌尖边缘232的方向上测量)。硬质片236是薄插入物。在该情况中，片的厚度t与片的宽度w的比小于0.5(即，t/w<0.5)。更具体地，片的厚度t与片的宽度w的比显著小于0.5(即，t/w<<0.5)。甚至更具体地，片的厚度t与片的宽度w的比小于0.2(即，t/w<0.2)，并且可甚至小于0.1(即，t/w<0.1)。
现在参照图13，其图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括用于巴掌尖的前缘的保护机构。在该实施方式中，硬质片240的底面270附着至基本上贴合的基底表面231，其提供在前巴掌尖边缘250附近(邻近但未重合)的巴掌212的弯曲外表面230之内或旁边。基底表面可以例如是形成于外表面内的变平的表面。将底面附着至基底表面的方式可例如包括任何合适的粘附材料，其介于基本上贴合的(例如平行的)表面之间，包括通过毛细管作用在基本上贴合的表面之间可流动的粘结材料，如铜焊材料、焊剂、粘合剂、树脂等(参见，例如美国专利申请公开号2009/0038442，其公开内容在此通过引用以其全部内容并入)。由于绘图比例，粘结材料未明确地在图13中显示，但是将理解粘结材料存在于贴合底面和外表面之间。粘结材料优选地在贴合的底面和基底表面之间具有基本上均匀的厚度。片240的厚度可在0.050至0.500英寸的范围内。硬质片240由比用于制造钻头的巴掌和巴掌尖的材料更耐磨的材料或材料的组合制造。在优选的实施中，硬质片由如碳化钨、PDC、多晶立方氮化硼复合片、浸渍金刚石片段等的材料制造。再次，该实施中的粘结材料未被暴露在外面并且未受到可能的磨损。发生粘合的贴合表面可以例如随着钻头的半径弯曲，或具有任何选择的弯曲构造。
硬质片240具有厚度t和宽度w(其中宽度在垂直于前缘250的方向上测量)。硬质片240是薄插入物。在该情况中，片的厚度t与片的宽度w的比小于0.5(即，t/w<0.5)。更具体地，片的厚度t与片的宽度w的比显著小于0.5(即，t/w<<0.5)。甚至更具体地，片的厚度t与片的宽度w的比小于0.2(即，t/w<0.2)，并且可甚至小于0.1(即，t/w<0.1)。
现在参照图14，其图解了旋转锥形钻头的巴掌的一部分的横截面视图，所述旋转锥形钻头包括用于巴掌尖的前缘的保护机构的实施方式。在该实施方式中，硬质片244的底面280附着至基本上贴合的基底表面231，其提供于邻近片240的巴掌212的外表面230之内或旁边。基底表面可例如是形成于外表面内的变平的表面。将底面附着至基底表面的方式可例如包括任何合适的粘附材料，其介于基本上贴合的(例如，平行的)表面之间，包括通过毛细管作用在基本上贴合的表面之间可流动的粘结材料，如铜焊材料、焊剂、粘合剂、树脂等(参见，例如，美国专利申请公开号2009/0038442，其公开内容在此通过引用以其全部内容并入)。由于绘图比例，粘结材料未明确地在图14中显示，但是将理解粘结材料存在于贴合底面和基底表面之间。粘结材料优选地在贴合的底面和基底表面之间具有基本上均匀的厚度。片244的厚度可在0.050至0.500英寸的范围内。硬质片244由比用于制造钻头的巴掌和巴掌尖的材料更耐磨的材料或材料的组合制造。在优选的实施中，硬质片由如碳化钨、PDC、多晶立方氮化硼复合片、浸渍金刚石片段等的材料制造。再次，该实施中的粘结材料未被暴露在外面并且未受到可能的磨损。发生粘合的贴合表面可以例如随着钻头的半径弯曲，或具有任何选择的弯曲构造。
硬质片244具有厚度t和宽度w(其中宽度在提供最小w值的方向上测量)。硬质片244是薄插入物。在该情况中，片的厚度t与片的宽度w的比小于0.5(即，t/w<0.5)。更具体地，片的厚度t与片的宽度w的比显著小于0.5(即，t/w<<0.5)。甚至更具体地，片的厚度t与片的宽度w的比小于0.2(即，t/w<0.2)，并且可甚至小于0.1(即，t/w<0.1)。
将注意，硬质片可具有任何选择的几何形状，因而允许对钻头的复合表面施以保护。
在巴掌尖边缘和/或前巴掌尖边缘和/或巴掌尖外表面使用片施加的保护的图解仅是举例，将理解所述的保护机构可被施加至易受磨损的钻头的任何边缘或表面。
虽然方法和设备的各种以及优选的实施方式已经在附图中图解并在前述详述中描述，但是将理解本发明不限于公开的实施方式，而是能够在不脱离由权利要求阐述和限定的本发明精神的情况下进行许多重新布置、改进和替换。
Claims (16)
1.旋转锥形钻头，包括：
主体；
悬自所述主体的巴掌；
从所述巴掌延伸的支承轴；
安装至所述支承轴的锥体；
至少一个预先形成的具有底面的硬质材料片；
粘结材料，其将所述硬质材料片的所述底面连接至与所述硬质材料片的所述底面基本上贴合的所述巴掌的表面；和
其中所述硬质材料片具有宽度w和厚度t，其中比t/w小于0.5。
2.权利要求1所述的钻头，其中所述巴掌包括外表面，并且其中所述硬质材料片的所述底面通过所述粘结材料连接至形成于所述巴掌的所述外表面之内或旁边的基底表面。
3.权利要求1所述的钻头，其中所述巴掌包括外表面，并且开口被提供于所述巴掌的巴掌尖边缘附近的所述外表面内，所述开口包括基底表面，并且其中所述硬质材料片的所述底面通过所述粘结材料连接至所述开口的所述基底表面。
4.权利要求1所述的钻头，其中所述巴掌包括前侧表面和在所述巴掌的横向前缘处与其邻近的外表面，并且所述硬质材料片的所述底面通过所述粘结材料连接至邻近所述横向前缘的位置处的所述巴掌的所述外表面之内或旁边形成的基底表面。
5.权利要求1所述的钻头，其中所述巴掌包括前侧表面和在所述巴掌的横向前缘处与其邻近的外表面，并且开口被提供在邻近所述横向前缘的所述外表面内，所述开口包括所述巴掌的基底表面，并且其中所述硬质材料片的所述底面通过所述粘结材料连接至由所述巴掌的所述外表面内的所述开口提供的所述基底表面。
6.权利要求1所述的钻头，其中所述巴掌包括外表面，并且在邻近所述锥体的底部的巴掌尖边缘处终止，并且所述硬质材料片的所述底面通过所述粘结材料连接至邻近所述巴掌尖边缘的位置处的所述巴掌的所述外表面之内或旁边形成的基底表面。
7.权利要求1所述的钻头，其中所述巴掌包括外表面，并且在巴掌尖边缘处终止，开口被提供在所述外表面内，所述开口包括所述巴掌的基底表面，并且其中所述硬质材料片的所述底面通过所述粘结材料连接至由邻近所述巴掌尖边缘的位置处的所述巴掌的所述外表面内的所述开口提供的所述基底表面。
8.权利要求1-7任一项所述的钻头，其中所述硬质材料片由固态碳化钨制造。
9.权利要求1-7任一项所述的钻头，其中所述硬质材料片是聚晶金刚石复合片、浸渍金刚石片段或多晶立方氮化硼复合片之一。
10.权利要求1-7任一项所述的钻头，其中所述粘结材料包括可流动的粘结材料，其介于所述硬质材料片的所述底面和所述巴掌的表面或基底表面之间。
11.权利要求10所述的钻头，其中所述粘结材料是铜焊材料。
12.权利要求1-7任一项所述的钻头，其中所述硬质材料片的所述底面位于经受磨损的所述巴掌上的位置。
13.权利要求1所述的钻头，其中所述比t/w小于0.2。
14.权利要求1所述的钻头，其中所述比t/w小于0.1。
15.权利要求1-7任一项所述的钻头，其中所述硬质材料片由固态碳化钨制造，并且其中所述粘结材料包括可流动的粘结材料，其介于所述硬质材料片的所述底面和所述巴掌的表面或基底表面之间。
16.权利要求1-7任一项所述的钻头，其中所述硬质材料片是聚晶金刚石复合片、浸渍金刚石片段或多晶立方氮化硼复合片之一，并且其中所述粘结材料包括可流动的粘结材料，其介于所述硬质材料片的所述底面和所述巴掌的表面或基底表面之间。
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