CN104334818B - 切削元件、切削工具和在钻孔内切削的方法 - Google Patents
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Abstract
一种切削元件，其包括：具有其上限定多个切削刃的两个平面的改型基尔默德、从两个平面中的第一平面的中心区域延伸的第一支撑部、和从两个平面中的第二平面的中心区域延伸的第二支撑部。第一支撑部和第二支撑部的尺寸和位置设置成，当切削元件搁置在一平表面上而使得多个切削刃中的一个与第一支撑部两者与该平表面相接触的时候，第一平面与该平表面形成锐角。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2012年6月8日提交的美国申请号13/492267的优先权，该申请的全部内容通过引用结合在此。
背景技术
诸如用在井下应用场合中的铣刀之类的切削工具例如可以制作成具有附着于工具表面的多个切削元件。这些切削元件可以是通过破碎更大工件而制造的随机形状的颗粒。替代性地，可以使用例如诸如机加工和模制之类的工艺将切削元件精确地成型成可重复的形状。不管制造单独的切削元件所使用的工艺如何，这些元件一般以随机的朝向附着于铣刀。这些随机的朝向在相对于铣刀表面的最大高度上不一致。另外，切削元件的在切削操作期间接合目标材料的部分的高度之间可能存在很大的不一致性。此外，切削表面相对于目标材料的角度是随机的，因此很少会接近便于有效切削的最佳角度。因此减少前述缺点的设备和方法将会在行业中被很好地接受。
发明内容
在此披露了一种切削元件。该切削元件包括具有其上限定多个切削刃的两个平面的改型基尔默德，从两个平面中的第一平面的中心区域延伸的第一支撑部和从两个平面中的第二平面的中心区域延伸的第二支撑部的尺寸和位置设置成：当切削元件搁置在一平表面上而使得多个切削刃中的一个与第一支撑部两者与该平表面相接触的时候，第一平面与该平表面形成锐角。
在此还披露了一种切削工具。该切削工具包括带有至少一个平表面的本体，复数个切削元件附着于所述至少一个平表面，所述复数个切削元件中的多个切削元件定向成使得第一支撑部和至少一个切削刃两者与所述至少一个平表面相接触。所述切削元件包括具有其上限定多个切削刃的两个平面的改型基尔默德、从两个平面中的第一平面的中心区域延伸的第一支撑部、和从两个平面中的第二平面的中心区域延伸的第二支撑部，第一支撑部和第二支撑部的尺寸和位置设置成：当切削元件搁置在一平表面上而使得多个切削刃中的一个与第一支撑部两者与该平表面相接触的时候，第一平面与该平表面形成锐角。
在此还披露了一种在钻孔内切削的方法。该方法包括：使在此披露的切削工具在钻孔内旋转；使钻孔中的目标与所述复数个切削元件中的一个或更多个相接触；以及对目标进行切削。
附图说明
如下的描述不应该以任何方式被认为是限制。参照附图，同样的元件标号相同：
图1示出了在此所披露的切削元件的侧视图；
图2示出了图1的切削元件的另一个侧视图，显示了以一种替代性的朝向搁靠在一个表面上；
图3示出了图1和2的切削元件的透视图，显示了以图2的朝向搁靠；
图4示出了在此所披露的切削元件的替代性实施方式的透视图；
图5示出了切削元件的中心部分的透视图；
图6示出了图5的切削元件的中心部分的侧视图；
图7示出了在此所披露的另一切削元件的侧视图；
图8示出了图7的切削元件的端视图；
图9示出了在此所披露的另一切削元件的侧视图；
图10示出了图9的切削元件的替代侧视图；和
图11示出了在此所披露的采用多个图9的切削元件的切削工具的局部透视图。
具体实施方式
这里参照附图通过举例和非限制性方式给出了所披露的设备和方法的一个或更多个实施方式的详细描述。
参照图1，以附图标记10示出了在此所披露的切削元件的一个实施例。该切削元件10包括中心部分20，其在这里作为"基尔默德(gilmoid)或改型基尔默德120"被公开，正如将在下面分别参照图5-6和7-8详细描述的那样。基尔默德20限定了多个切削刃16A、16B，并具有延伸超过表面32A和32B的两个支撑部24A和24B，表面32A和32B限定了基尔默德20的某些体积边界。在该实施例中，支撑部24A和24B彼此是非对称的，以响应于作用其上的重力产生朝向表面38的偏置力，从而使得支撑部24A、24B中的一个和切削刃16A、16B中的一个与表面38相接触。对于这里的一些实施例，该表面38是一平表面。
参照图2和3，偏置力趋向于使切削元件10从图1所示的位置再定位朝向图2和3所示的位置。如图2和3所示，切削元件10搁靠在表面38上，从而使得支撑部24B和其中一个切削刃16B都与表面38相接触。在该位置，切削刃16A以如下方式定向：使得表面32A相对于表面38具有大约45度(优选在35度和55度之间)的角度，并且其代表了优选的切削朝向，其可以比替代性角度以更高效率切削。相反，图1中的切削元件10定位成使得限定在两个切削刃16A和16B之间的仅一个面42与表面38相接触。在该位置，基尔默德20的纵向轴线基本上与表面38平行。另外，尽管支撑部24A、24B的轴线40A、40B在此是以它们之间呈180度的角度示出的，但是可以想到120度或更大的角度。
切削元件10在几何形状上进一步构造成：当切削元件10搁靠在表面38上时，不管其朝向如何，切削元件10上距离表面38最远的点的尺寸46是恒定的。这确保了粘结到该表面38上的多个切削元件10上的相对均匀的切削力分布。
前述结构允许多个切削元件10在固定地粘结到表面38之前在表面38上具有优选的朝向。虽然每个切削元件10相对于切削运动的方向的朝向是随机的，但是，上面讨论的偏置设置将使得大多数的切削元件10相对于表面38如图2和3所示的那样定向。相对于使用非偏置切削元件的切削器具而言，使大多数的切削元件10如图2和3所示的那样定向提高了使用这些切削元件10的切削器具的切削特性。
在此示出的支撑部24A和24B在几何形状上是非对称的，正如分别通过支撑部24A和24B的宽度50A和50B的不同所明显导致的那样。这种非对称性响应于沿平行于表面32A、32B的方向作用在切削元件10上的重力而产生了上面讨论的非对称偏置。可以想到如下的替代性实施例：其具有在几何形状上对称、而利用重力提供了非对称偏置的支撑部。这些支撑部之间的密度差别是利用几何形状对称的支撑部产生这种非对称重力偏置的一种方式。
限定在平面28A和28B之间的中心部分20的宽度54可以设置成足够大，以提供足够的强度防止在切削期间破裂，同时又足够小，以允许作用于该切削元件10上的重力非对称偏置使切削元件10相对于所述表面38能容易地再定向并且能有效地用作切削元件。
另外，在该实施例中，通过使基本尺寸55(其被定义为支撑部24A、24B与平面28A、28B的表面32A、32B的中心区域64相交之处的尺寸)小于尺寸46，则在切削刃16A、16B处限定出了直角相交部。支撑部24A、24B与表面32A、32B的交叉点57和表面42、58、62之间的距离56提供了一空间，正在被切掉的材料可以在该空间内流动并且可以对在切削刃16A、16B之一中形成的裂缝超出交叉点57的连续传播形成障碍。优选地，所述基本尺寸55设计成在尺寸46的40％到80％之间的尺寸，更优选为大约60％。
参照图3，还可以设置限定在切削刃16A和16B之间的另外的面58。实际上，在切削刃16A和16B之间可以设置任何数量的面42、58，从而形成多边形棱柱的中心部分20，其在在此所披露的切削元件110的替代性实施例中如图4所示仅包括四个面62。
在此所披露的切削元件10、110可以由能很好地适于切削多种材料(包括例如那些通常在井下井眼环境中常见的材料，比如石头、泥土、金属、陶瓷、聚合物、单基物及上述的组合)的硬质材料制成。这些硬质材料非排他地包括钢、碳化钨、碳化钨基质、多晶金刚石、陶瓷以及它们的组合。
尽管上面讨论的实施例涉及的是为多边形棱柱的中心部分20，但是替代性实施例可以包括比多边形棱柱需要的限制更少的中心部分20。同样，术语基尔默德被引入用来限定中心部分20的需求。参照图5和6，示出的基尔默德20没有支撑部24A、24B。基尔默德20是由两个多边形70A、70B限定的，其具有将多边形70A的边78A连接到另一多边形70B的边78B的表面74。这两个多边形70A、70B彼此可以具有不同数量的边78A、78B，并且彼此可以具有不同的面积。另外，两个多边形70A、70B所在的平面82A、82B可以彼此平行或者可以彼此不平行，如图所示。
参照图7和8，以附图标记110示出了切削元件的一个替代性实施例。切削元件110区别于切削元件10的一个方面在于：除了与基尔默德20等同的那些外，中心部分120允许有另外的变形。基尔默德20要求平面82A和82B为多边形，多边形限定有直边78A和78B，而中心部分120可以具有带有直边178A、178B和非直部分179A、179B(例如所示的弯曲部分)中任一或两者的平面182A和182B。同样，在此中心部分120将被称为"改型基尔默德"。如同基尔默德20一样，改型基尔默德120的平面182A、182B不必是彼此对称、甚至不必是彼此几何相似的，尽管在所示的实施例中它们是几何相似的。
包括在此所示的弯曲部分179A、179B的一个潜在性优点在于：可以限制切削作业过程中切削元件110破裂期间形成的碎屑或残屑的尺寸。该限制是由于破裂期间传播的裂缝与弯曲部分179A、179B相交，从而防止裂缝传播到切削元件110的更大尺寸。无论是否采用弯曲部分179A、179B，由平面182A、182B与面158的相交部限定的切削刃116A、116B都使平面182A的直边178A和非直边179A与平面182B的直边178B和非直边179B相连接。
切削元件110与切削元件10的不同之处还在于：从平面182A、182B延伸的支撑部124是彼此对称的。虽然这种对称性不是必须的，但是其可以在不对切削元件110的有效性产生有害影响的情况下简化其制造。另外，支撑部124的拐角184还可以充当切削刃。在该实施例中，支撑部124具有棱锥形状，支撑面129与侧翼面186之间限定大约10度的侧翼角126(不过，也可以想到圆锥形状)。虽然棱锥侧翼角126可以设定为其它值，例如20度和27度，但是其中的明显增大可能会减小切削角127，所述切削角127定义为支撑部124的侧翼面186与正被切削元件110切削的目标112或工件的表面131之间的角度。切削角127的减小则会导致支撑部124有效切削降低。另外，棱锥侧翼角126的减小可能使切削元件110的制造更困难，增加支撑部124破裂成小块的机会。在支撑面129平行于平面182A的实施例中，只要目标112的表面131是平的，支撑面129和目标112的表面131之间以及平面182A和表面131之间的角度130就相同。
如同切削元件10一样，切削元件110构造成，当切削元件10搁靠在基本上平的表面38(例如切削元件110所附着的切削工具125的表面)时，平面182B与该表面38形成锐角。另外，在所示的实施例中，切削刃116A或116Bb相对于目标112的表面131成大约45度的角度，或在大约35度到55度范围内。在其中切削刃116A、116B为90度(例如平面182A、182B和面158之间为90度)的实施例中，前沿角度194和后沿角度190相对于表面38合计90度。因而，如果例如前沿刃是50度，则相应后沿刃将为40度。另外，在平面182A、182B相对于表面38成45度的实施例中，例如，侧翼角126为10度，切削角127将为35度，而角度130(支撑部的后沿角度)将为45度。
参照图9和10，切削元件210相对于其附着的切削工具125的朝向将决定角度227、230、290和294中哪个是前沿角度，哪个是后沿角度。切削元件110在图9和10中以相反的朝向附着于切削工具125。切削元件210所附着的切削工具125的一部分相对于目标112的表面131在箭头213的方向上移动。响应于元件210与切削工具125之间的相对运动，对切削元件210施加一沿箭头215方向上的作用力。切削元件210沿着所示的改型基尔默德120的虚线218A、218B在尺寸216A、216B上分配该作用力。因为尺寸216A大于尺寸216B，所以，该作用力被分配在改型基尔默德120的更大部分上，从而减小改型基尔默德120中的应力，并降低改型基尔默德120出现破裂和碎裂的可能性。通过在图9所示的朝向将切削元件210安装到切削工具125上，可以通过减小改型基尔默德120中趋向于加速其破裂的应力而改善切削工具125和与之附着的切削元件210的耐用性。
参照图11，示出了切削工具125的局部透视图，多个切削元件210定位成类似于图9所示的方式。箭头213显示了切削工具125的旋转方向，从而确保切削元件210相对于目标112(未在该图显示)在图9所示的方向上移动。
虽然已经参照示例性实施方式对发明进行了描述，但是本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明的范围的前提下可以做出各种修改并且其元件可以替换为各种等同元件。另外，在不脱离其实质范围的前提下可以做出许多修改以使特殊的情况或材料适应本发明的教导。因此，本发明并不旨在将所披露的具体实施方式限制为可以预见的用于实施该发明的最佳方式，而是，本发明将包括落入权利要求范围内的所有实施方式。而且，在附图和描述中，已经披露了本发明的示例性实施方式，尽管可能已经使用了特殊的术语，但是，除非另有说明，这些术语仅仅是作用一般描述性意义使用的，并不是出于限制的目的，因而本发明的范围不局限于此。此外，术语"第一"、"第二"等等的使用并不表示任何顺序或重要性，而是术语"第一"、"第二"等等被用来将一个元件与另一个元件区分开来。此外，术语"一"、"一个"的使用并不表示对数量的限制，而是表示存在至少一个所提及的对象。
Claims (48)
1.一种切削元件，其包括：
改型基尔默德，该改型基尔默德具有多个表面，所述多个表面中的两个表面为平面，这两个平面限定了通过该两个平面与改型基尔默德的所述多个表面相交形成的多个边缘；和
从所述两个平面中的第一平面的中心区域延伸的第一支撑部、和从所述两个平面中的第二平面的中心区域延伸的第二支撑部，所述第一支撑部的尺寸和位置设置成：当切削元件搁置在一平表面上，仅由于重力的作用而使得多个边缘中的一个与第一支撑部两者与该平表面相接触时，第一平面与该平表面形成锐角。
2.如权利要求1所述的切削元件，其中，该锐角在35度到55度之间。
3.如权利要求1所述的切削元件，其中，该锐角为大约45度。
4.如权利要求1所述的切削元件，其中，所述平表面位于一切削工具上。
5.如权利要求1所述的切削元件，其中，第二支撑部构造成切削第二支撑部在其运动期间所接触的材料。
6.如权利要求1所述的切削元件，其中，第二支撑部具有棱锥形状或圆锥形状，其具有附着于所述两个平面中的第二平面的基部。
7.如权利要求6所述的切削元件，其中，第二支撑部的侧翼具有在10度到27度之间的侧翼角。
8.如权利要求7所述的切削元件，其中，第二支撑部的侧翼具有10度的侧翼角，从而在第二支撑部的面与所述平表面之间形成大约35度和大约45度的角度。
9.如权利要求1所述的切削元件，其中，改型基尔默德为正多边形棱柱。
10.如权利要求1所述的切削元件，其中，所述中心区域小于所述两个平面中的每个平面的70％。
11.如权利要求1所述的切削元件，其中，所述边缘为切削刃。
12.一种切削工具，其包括：
具有至少一个平表面的本体；和
附着于所述至少一个平表面的复数个依据权利要求1所述的切削元件，复数个切削元件中的多个切削元件定向成使得第一支撑部和所述多个切削元件中的每一个切削元件的至少一个边缘两者与所述至少一个平表面相接触。
13.如权利要求12所述的切削工具，其中，所述至少一个平表面能够绕垂直于该平表面的轴线旋转。
14.如权利要求12所述的切削工具，其中，所述切削工具为铣刀。
15.如权利要求12所述的切削工具，其中，所述复数个切削元件中的多个切削元件定向成使得：所述多个切削元件中的每个切削元件的两个平面中的第二平面与待由切削工具切削的目标形成后沿角度，该后沿角度为所述复数个切削元件中的多个切削元件与所述目标之间由于切削工具的运动产生的相对运动所限定的。
16.如权利要求15所述的切削工具，其中，所述复数个切削元件中的多个切削元件的朝向构造成：在整个改型基尔默德上分配切削载荷，以减少改型基尔默德的破裂。
17.一种在钻孔内进行切削的方法，其包括：
使权利要求12所述的切削工具在钻孔内旋转；
使钻孔中的目标与复数个切削元件中的一个或更多个相接触；和
切削所述目标。
18.如权利要求17所述的在钻孔内进行切削的方法，其中，所述目标选自下列构成的组：泥土、石头、金属、陶瓷、聚合物、单基物中的一种或两种或多于两种的组合。
19.如权利要求17所述的在钻孔内进行切削的方法，其中，所述钻孔为井眼。
20.一种用于对地下地层进行钻进的设备，其包括：
支撑表面；
布置在所述支撑表面上的多个切削元件，其中，所述多个切削元件中的每个切削元件包括限定为改型基尔默德的基部，该改型基尔默德具有由改型基尔默德的表面与限定为第一平面的至少一个表面相交所限定的外围上端边缘以及由改型基尔默德的表面与限定为第二平面的至少一个表面相交所限定的外围下端边缘，所述第一平面具有从其延伸的至少一个第一侧向支撑部，所述第二平面具有从其延伸的至少一个第二侧向支撑部，其中，所述外围下端边缘与所述支撑表面相结合，而所述外围上端边缘与所述支撑表面相距一定距离布置，所述基部具有从其延伸的所述至少一个第二侧向支撑部，从而使得所述多个切削元件在所述支撑表面上随机分布，由此导致所述多个切削元件中的至少一些切削元件布置成使得所述外围下端边缘与所述至少一个第二侧向支撑部在所述支撑表面上的相间隔的位置处与所述支撑表面同时接触。
21.根据权利要求20所述的设备，其中，所述第一平面与所述第二平面相对。
22.根据权利要求21所述的设备，其中，所述第一平面与所述第二平面相平行，所述至少一个第一侧向支撑部与所述至少一个第二侧向支撑部二者中的至少之一相对于所述至少一个第一侧向支撑部与所述至少一个第二侧向支撑部二者中的所述至少之一所安装的平面而言是不对称的。
23.根据权利要求22所述的设备，其中，所述多个切削元件中的每个切削元件的重量相对于相对的所述第一平面、第二平面来说是不对称分配的。
24.根据权利要求21所述的设备，其中，所述至少一个第一侧向支撑部与所述至少一个第二侧向支撑部是基本对称的。
25.根据权利要求21所述的设备，其中，所述外围上端边缘与所述外围下端边缘为切削刃。
26.根据权利要求21所述的设备，其中，所述至少一个第一侧向支撑部与所述至少一个第二侧向支撑部二者与所述基部的接触位置的径向尺寸占所述基部的径向尺寸的40％-80％。
27.根据权利要求26所述的设备，其中，所述至少一个第一侧向支撑部与所述至少一个第二侧向支撑部二者与所述基部的接触位置的径向尺寸占所述基部的径向尺寸的大约60％。
28.根据权利要求21所述的设备，其中，所述至少一个第一侧向支撑部与所述至少一个第二侧向支撑部的延伸方向使得所述至少一个第一侧向支撑部的轴线与所述至少一个第二侧向支撑部的轴线成至少120度的角度。
29.根据权利要求20所述的设备，其中，所述基部由钢、碳化钨、碳化钨基质、多晶金刚石、陶瓷以及它们的组合中的至少一种制成。
30.根据权利要求20所述的设备，其中，所述外围上端边缘与所述外围下端边缘包括基本为直角的拐角。
31.根据权利要求20所述的设备，其中，所述基部包括多边形棱柱。
32.根据权利要求20所述的设备，其中，所述至少一个第二侧向支撑部具有侧翼面，所述侧翼面相对于所述至少一个第二侧向支撑部的轴线成15.6度至29度之间的角度。
33.根据权利要求32所述的设备，其中，所述侧翼面相对于所述至少一个第二侧向支撑部的轴线成19.4度至26度之间的角度。
34.根据权利要求32所述的设备，其中，所述多个切削元件是对称的，从而使得所述多个切削元件中的各个切削元件的与所述支撑表面相距最远定位的边缘相对于所述支撑表面形成相同的角度。
35.根据权利要求34所述的设备，其中，距所述支撑表面最远定位的所述边缘所切削的材料包括石头、泥土和金属中的至少一种。
36.根据权利要求21所述的设备，其中，所述至少一个第一侧向支撑部和所述至少一个第二侧向支撑部二者均具有锥体形状，其中，锥体形状在所述基部处的下端的尺寸占基部的侧向尺寸的40-80％。
37.根据权利要求20所述的设备，其中，所述基部具有相平行且相对的多边形表面，当所述基部、所述至少一个第二侧向支撑部二者与所述支撑表面相接触时，所述相平行且相对的多边形表面与所述支撑表面成35度至55度之间的角度。
38.根据权利要求20所述的设备，其中，所述基部和所述至少一个第二侧向支撑部由钢、碳化钨、碳化钨基质、陶瓷中的一种或至少两种的组合但不包括多晶金刚石制成。
39.根据权利要求20所述的设备，其中，所述支撑表面为平面。
40.根据权利要求20所述的设备，其中，所述多个切削元件以随机的取向布置在所述支撑表面上，从而使得每个切削元件的基部的外围上端边缘上的至少一个位置与所述支撑表面的距离基本恒定。
41.根据权利要求20所述的设备，其中，所述外围上端边缘与所述外围下端边缘布置在立方体形状上，该立方体形状具有相对的所述第一平面和第二平面，所述第一平面与第二平面均限定四边形形状或多边形形状。
42.根据权利要求41所述的设备，其中，所述第一平面与第二平面是相平行的。
43.根据权利要求40所述的设备，其中，位于所述基部的所述外围上端边缘上的所述至少一个位置与和所述至少一个第二侧向支撑部相接触的所述支撑表面具有基本恒定的距离。
44.根据权利要求43所述的设备，其中，位于各个切削元件的外围上端边缘上的各个位置与和所述至少一个第二侧向支撑部相接触的所述支撑表面具有均基本恒定的距离。
45.构造为布置在支撑表面上的多个切削元件，所述切削元件中的每个切削元件包括：
基部，所述基部具有由改型基尔默德的表面与限定为第一平面的至少一个表面相交所限定的外围上端边缘以及由改型基尔默德的表面与限定为第二平面的至少一个表面相交所限定的外围下端边缘，所述第一平面具有从其延伸的至少一个第一侧向支撑部，所述第二平面具有从其延伸的至少一个第二侧向支撑部，其中，所述外围下端边缘与所述支撑表面相结合，而所述外围上端边缘与所述支撑表面相距一定距离布置，所述基部具有从其延伸的所述至少一个第二侧向支撑部，从而使得所述多个切削元件在所述支撑表面上随机分布，由此导致所述外围下端边缘中的至少一些外围下端边缘以及所述至少一个第二侧向支撑部在所述支撑表面上的相间隔的位置处与所述支撑表面同时接触。
46.根据权利要求45所述的切削元件，其中：所述多个切削元件以随机的取向布置在所述支撑表面上，从而使得每个切削元件的基部的外围上端边缘上的至少一个位置与所述支撑表面的距离基本恒定。
47.根据权利要求46所述的切削元件，其中：对于全部的切削元件来说，在所述至少一个第二侧向支撑部与所述支撑表面相接触的情况下，处于所述基部的所述外围上端边缘上的所述至少一个位置与所述支撑表面保持基本恒定的距离。
48.根据权利要求47所述的切削元件，其中：
在所述至少一个第一侧向支撑部和所述至少一个第二侧向支撑部与所述支撑表面脱离接触的情况下，所述多个切削元件的所述外围上端边缘上的所有位置均与所述支撑表面处于恒定的距离。
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