CN109306851A - 一种旋转切削模块以及具有这种模块的金刚石钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种旋转切削模块以及使用这种旋转切削模块的金刚石钻头，旋转切削模块包括模块基体和模块切削齿，钻头包括钻头体和切削元件。其中，旋转切削模块上设置有固定轴套，模块基体上固定有至少三个模块切削齿，模块基体通过其上的转轴与固定轴套之间形成转动连接；钻头上的切削元件至少有一个为旋转切削模块，模块基体相对钻头体转动的过程中，其上的切削齿交替切削井底岩石，模块切削齿与钻头体上的固定切削齿的协同工作使钻头在井底形成局部网状刮切轨迹。本发明在常规金刚石钻头、复合钻头的基础上，引入了旋转切削模块，能减缓钻头切削元件的磨损速度，提升钻头在硬地层、高研磨性地层及高温条件下的破岩效率和使用寿命。
Description
技术领域
本发明属于石油天然气钻探工程、矿山工程、建筑基础工程施工、地质钻探、隧道工程、水文、盾构及非开挖等技术设备领域，涉及一种用于岩石或岩土钻进的切削元件以及使用这种切削元件的钻头，更具体的讲，本发明涉及一种旋转切削模块以及具有这种旋转切削模块的金刚石钻头 。
背景技术
钻头是钻井过程中直接与岩石接触并通过切削、冲击等作用破碎岩石的工具。PDC（Polycrystalline Diamond Compact聚晶金刚石复合片）钻头作为现有钻头技术中的重要一个种类，在钻井、地质乃至建筑工程中的应用越来越广泛。PDC钻头以切削形式破岩，在钻头中心线和井眼中心线重合的理想工作条件下，其上切削齿在井底产生的切削轨迹为同心圆环带。对于常规PDC钻头而言，由于破岩过程中切削齿持续刮切岩石，使得岩石和钻头之间产生连续的摩擦，在热磨损的作用下，切削齿将逐渐变钝。在钻头钻进初期，切削齿磨损少，齿刃与岩石的接触区域小，切削比压大，机械钻速高；随着磨损量逐渐增加，齿刃与岩石接触区域增加，比压减小，机械钻速逐步降低，直至钻头失效。此外，地层岩石越硬，切削齿侵入岩石难度越高，而使切削齿维持对井底岩石的有效侵入是PDC钻头高效破碎岩石的必要条件。为了提高PDC钻头对岩石的侵入能力，通常钻头需要采用较小直径的切削齿，但钻头在硬地层钻进时切削齿的磨损速度快，而小直径切削齿的可磨损高度较小，这就形成了硬地层钻头设计中的一个不易克服的技术矛盾，使硬地层钻头的工作能力受到严重制约。因此，避免切削齿持续刮切岩石、降低热磨损是提高钻头（尤其是在高硬度、高研磨性地层中工作的钻头）钻进效率和延长钻头寿命的重要途径。
中国专利“钻进比压可控的模块切削齿钻头”（专利号：CN103510859.A）公布了一种模块切削齿，即在模块上设置若干模块单元，实现钻进过程比压可控和切削单元有效磨损体积增加，提高机械钻速和钻头性能。但该发明中模块切削齿以及其中的模块单元仍然是与常规PDC切削齿一样固定不动，以持续刮切的形式破岩，并不能有效避免切削元件的热磨损，此外，位于模块切削齿下部的模块单元需要等到上部模块单元完全磨损后才能参与破岩，此时模块切削齿已经发生较严重的磨损，由于磨损面承压而导致有效钻压显著减小，钻头的钻速严重降低。中国专利“一种以切削方式破岩的复合式钻头”（专利号：201010229371.9）中，首次将PDC齿作为主切削元件设置在了具有大偏移角的转轮（该申请中偏移角α的范围20°≤|α|≤90°的转轮即本申请所述盘刀）上，并对转轮的偏移角和轴倾角给出了明确定义，同时也设置了装有固定切削齿的固定切削单元（包括刀翼结构）。盘刀切削单元上的PDC齿交替刮切岩石并在井底形成螺旋线的刮痕，一方面有效避免了切削齿的热磨损，另一方面螺旋线刮痕与固定切削单元上切削齿的同心圆刮痕形成交叉网状的井底模式，有利于提高钻进效率。但在该发明中，盘刀需要设置单独的支承结构和轴承系统，加工制造相对困难，制造精度也难以得到充分保障，且盘刀及其支承结构占据的钻头空间过大，对固定切削结构的设计造成了比较明显的不利影响，因而使其技术效果受到明显限制。
美国专利“ROTATING CUTTING ELEMENTS FOR PDC BITS”（专利号：US20140326515A1）公开了一种PDC钻头用的旋转切削齿。该专利中的旋转切削齿具有独立的轴承结构，使其安装在钻头刀翼上之后能够相对刀翼体旋转。通过在刀翼上设置旋转齿，使钻头在切削地层时旋转齿的切削端面的整个圆周均能参与对地层的切削，提高了其切削端面的利用率，从而大幅提高了钻头的使用寿命，显著提高了单只钻头的进尺能力，并保持较高的钻头进钻速度。但在PDC钻头的工作过程中，由于地层环境和破岩过程的复杂性，切削齿通常都会受到来自岩石的冲击作用。由于单颗旋转切削齿的直径限制，其轴承结构尺寸必然较小，从而强度不高，因此这样的切削齿的耐冲击性能较差，容易在冲击载荷下发生破坏。
发明内容
本发明的目的在于：提出一种旋转切削模块以及具有这种旋转切削模块的金刚石钻头，使钻头上至少部分区域的切削齿交替切削岩石、降低切削齿磨损速度、提高钻头（特别是硬地层中钻进钻头）的破岩效率和工作寿命，同时减小交替切削结构所占据的钻头空间，降低交替切削结构的制造、修复难度，提高加工精度，保障运动切削结构的工作可靠性，从而显著提升钻头的工作性能。
本发明目的通过下述技术方案来实现：
本发明提出了一种旋转切削模块（简称旋转模块或模块），以用于钻头等各种破岩工具或装备上作为切削元件，包括模块基体和模块切削齿。其中，基体设置在固定轴套上，模块齿的出露高度通常大于零，也可以内镶（出露高度不大于零）的方式设置在基体上，基体包括转轴和切削部，切削部是基体上用于设置模块齿的部分，转轴是基体上与固定轴套匹配形成旋转连接的部分，切削部径向尺寸一般不小于转轴的外径，当切削部径向尺寸大于转轴的外径时，在切削部与转轴之间将自然形成台阶端面，该端面可与轴套的前端面相接触成为旋转模块的轴向切削力的承载面或摩擦副，因此该端面为基体的定位轴肩，称为轴肩面。模块基体（以下简称基体）和设置在基体上的若干个模块切削齿（简称模块齿，在不会与模块以外的切削齿产生混淆的情况下，也简称切削齿，如在仅讨论旋转切削模块而不涉及钻头其余部位的切削齿时，所指的切削齿）构成模块旋转件。固定轴套有内孔，基体通过其转轴与轴套内孔的间隙配合形成旋转件与轴套的转动连接。固定轴套的侧面和后端面为旋转模块安装于钻头上的固定面，侧面通常为圆柱面、圆锥面等回转面，也可为一般曲面（如由平面和/或曲面组合而成的曲面），后端面通常为平面，也可以为一般曲面。
通过将模块齿固结于基体形成模块的旋转件，而旋转件相对于固定轴套能相对转动，使模块在工作时其整个旋转件圆周边缘上的各个切削齿能够交替刮切岩石，从而实现各个切削齿均匀磨损、避免切削齿热磨损，有效延长旋转切削模块的寿命。
为便于理解本专利中旋转切削模块的结构特点，现对其各特征部位进行具体描述：旋转切削模块（含旋转轴线30，如图2（a）所示）的固定轴套31上有前端面313、侧面312、后端面311、轴承孔314（含轴线310），如图2（b）所示；模块基体32上有前端面321、侧面322、轴肩323（若基体侧面和轴肩在结合处直径相同，则不存在轴肩）、轴324（含轴线320）和轴端面325，如图2（c）所示；模块齿33（含轴线330）上有工作面331、侧面332、齿后面333，如图3（a）所示。
在此基础上，基体前端面321和基体侧面322的交线定义为基体轮廓线3212，如图2（d）所示（图中模块基体为未安装模块齿的状态），模块齿工作面331和齿侧面332的交线形成切削齿轮廓线3312，如图3（b）所示。设基体轴线320与基体前端321面交点为切削部中心点，则以该中心点为圆心，基体轮廓线3212的外接圆3201定义为切削部轮廓圆，若基体轮廓线为圆形且该轮廓线所在平面垂直于基体轴线320，则基体轮廓线3212与切削部轮廓圆3201重合，如图4（a）所示；若基体轮廓线3212不为圆形，则基体轮廓线3212与切削部轮廓圆3201为两条不重合的曲线，如图4（b）所示。另一方面，由于模块齿安装在基体上时，可能会具有前倾角和侧转角，这种情况下，模块齿轮廓线在垂直于基体轴线平面上的投影曲线与原曲线不是同一条曲线，称为模块齿投影轮廓线，用曲线3301表示。在本专利中若非特别指出，默认模块齿在基体上无前倾、侧转角，此时模块齿的轮廓线3312和其投影线3301互相重合，如图4（a）中所示，统一用曲线3301表示模块齿在垂直于基体轴线平面上的投影轮廓。
当切削部上设置模块齿后，任一模块齿投影轮廓线3301与基体轴线320存在一最大距离，以此最大距离为半径、以基体中心点为圆心所作圆定义为该模块齿的切削轮廓圆3202，该切削轮廓圆与切削部轮廓圆3201半径之差即为模块齿的出露高度h。特别地，当基体轮廓线3212为圆形时，若模块齿出露高度大于零，则模块齿外凸于基体，如图5（a）所示；若小于等于零，则模块齿以内镶形式布置于基体，如图5（b）、（c）所示。进一步，当基体轮廓线3212为圆形，且其上各模块齿出露高度相同时，则各模块齿切削轮廓圆重合，此时称该切削轮廓圆为旋转切削模块的切削轮廓线301，如图5（a）所示，进一步，由于本发明中的旋转切削模块安装在钻头支承体上时可能具有前倾角和侧转角，因此轮廓线301在井底覆盖图中的投影曲线可能不是同一条曲线，此时用曲线302表示旋转切削模块在井底覆盖图中的投影，如图26中所示的曲线302。
作为优选，所述基体上设置有至少三个所述模块齿，所述基体切削部轮廓圆直径在10mm~40mm之间，所述切削齿轮廓线外接圆直径在5mm~20mm之间。
上述方案中，通过将若干个直径较小的切削齿固结于基体切削部，使模块工作时其上单个切削齿与岩石的接触面积较小，从而得到比大直径PDC齿更大的钻进比压，PDC齿侵入效果得到改善，且交替工作能延缓PDC齿的磨损，故能在更长的时间内保持其较强的侵入能力，进一步提高切削元件的破岩效率。对于直径不大于13.44mm的PDC齿，侵入能力优于常用的19.05mm、15.875mm，直径小于等于10mm的齿，侵入效果更佳。
作为优选，模块齿的直径不大于钻头相同覆盖区域的固定切削齿。
对于6英寸以下直径的小井眼钻头，至少有两个模块布置在钻头的刀翼上，且均设置在冠顶及冠顶以外的区域，或钻头上1/3钻头半径以外的径向区域，相同覆盖区域还设置有固定切削齿，有利于提高深井、超深井特别是定向井小井眼井段钻头的破岩效率。
将模块布置在PDC钻头、各种复合钻头的心部区域或内锥区域，能有效减少甚至避免定向钻井、复合钻井工况下以及不均质地层钻进时易出现的钻头心部切削齿早期失效（即“掏心”失效）的现象。
作为优选，所述模块齿为圆形齿、椭圆齿、尖圆齿、斧形齿和锥形齿。
作为优选，所述模块切削齿分为径向两级设置于所述基体，至少有一个一级齿叠加在同一个二级齿之上，且一级、二级齿相对于基体的出露高度均大于零。
作为优选所述模块齿以周向叠合的密集布齿方式设置于基体之上，且模块齿相对于基体的出露高度大于零。
作为优选，所述切削齿在旋转切削模块上的前倾角范围是-10°≤θ≤30°。
作为优选，所述切削齿在旋转切削模块上的侧转角范围是-45°≤γ≤45°。
上述两种方案中所述的前倾角和侧转角的定义如下：如图6所示，在过某切削齿工作面中心点且垂直于模块基体轴线的平面上，设模块基体轴线与该平面交点为O1，切削齿工作面中心点为N1，以O1为圆心，O1N1为半径在平面内作圆，则此圆称为该模块的齿心圆，进一步，在N1点作齿心圆切线，记为N1F，如图6（a）所示。在经过切削齿轴线和O1N1的剖面内，切削齿轴线与过N1点且垂直于O1N1的平面之间的夹角定义为切削齿在该旋转切削模块上的前倾角θ，如图6（b）所示；又，在任一垂直于O1N1的平面内，切削齿轴线的投影与模块轴线的投影之间的夹角即为切削齿在该旋转切削模块的侧转角γ，如图6（c）所示。从另一个角度上看，可将切削齿自原始位置（无前倾、无侧转）绕N1F旋转的角度定义为切削齿的前倾角θ，在具备前倾角的基础上，进一步使该切削齿绕O1N1旋转，该旋转角度即为切削齿的侧转角γ。其中，将切削齿绕N1F顺时针旋转的所得的前倾角θ规定为正，如图6（b）所示；将切削齿绕O1N1顺时针旋转所得的侧转角γ规定为正（图6（c）所示即为正），反之为负。
作为优选，所述基体切削部轮廓为圆形且所述各模块齿出露高度相等，所述模块切削齿出露于所述基体（模块齿出露高度大于零）或内镶于所述基体（模块齿出露高度小于等于零）。
上述方案中，模块齿内镶于基体时，整个旋转切削模块的作用类似一颗可以旋转的大切削齿，但与普通切削齿不同，一方面，旋转切削模块可以通过旋转使其周向各部位循环、连续地刮切岩石，避免热磨损地同时充分利用切削模块的整个周向区域；另一方面，同一切削模块上的多个小尺寸切削齿在较软的基体磨损后陆续出刃，将起到提高比压、提升破岩效率的作用。当切削齿出露于基体时，则切削齿在一开始就直接接触岩石，直至初始刃高磨损殆尽后才逐渐露出镶嵌在基体内部的部分，此时旋转切削模块的作用与盘刀类似，但与盘刀不同的是旋转切削模块无需在刀翼体上专门设置轴承结构，而是让轴承结构直接作为模块的一部分，在制造、装配、使用上都具有更大的自由度和更强的可操作性。
作为优选，所述旋转切削模块上设置有由橡胶和/或金属弹性元件构成的轴向缓冲装置或结构，和/或液压缓冲装置或结构。
作为优选，所述固定轴套和基体材料包括钢和/或硬质合金材料，所述切削齿材料包括硬质合金、天然金刚石、聚晶金刚石复合片、热稳定聚晶金刚石、天然金刚石孕镶块、人造金刚石孕镶块、立方氮化硼、陶瓷以及包括硬质合金、金刚石、立方氮化硼或陶瓷的复合材料。
进一步，所述固定轴套和基体材料为硬质合金，所述切削齿为聚晶金刚石复合片。
在上述基础上，本发明还提出了一种具有旋转切削模块的金刚石钻头（含各种全面钻进、扩孔钻进、随钻扩孔钻进的钻头或工具），包括钻头体、切削元件支承体（简称支承体）和切削元件，切削元件设置在支承体上，支承体与钻头体上形成固定连接或可相对运动的连接，也可与钻头体形成一个整体，其中，至少一个切削元件为旋转切削模块，至少有一个支承体上设置有用于安装旋转切削模块的孔槽（称为模块孔槽），模块的固定轴套安装于孔槽中，并与支承体形成固定连接，所述旋转切削模块的旋转件可相对支承体转动。
支承体与钻头体形成一个整体的典型代表就是PDC钻头，此时支承体就是固定刀翼体（或刀翼体）；支承体与钻头体形成可相对运动的连接（相对转动或/和相对滑动）的典型代表就是伸缩式的扩孔钻头，此时支承体就是扩孔刀翼体（或刀翼体）。此外，支撑体的概念还可以引申为钻头上更多的结构，如刀翼-盘刀复合钻头中的盘刀结构等。
支承体上的孔槽结构，以刀翼体为支承体的情况为例，如图23、图24所示，对于常规刀翼结构而言，刀翼2上有刀翼前侧面21、刀翼布齿面22，自刀翼前侧面21开设孔槽23，则孔槽23包含侧面241（该侧面为回转面，通过设置此面，留出空间供模块齿绕切削部轴线旋转）、前端面242、固定面243、后端面244，若旋转切削模块固定轴套侧面（如图2中的312）为回转曲面，则固定面243也相应地为回转曲面，此时孔槽还有轴线240。若固定面243沿轴线240方向1/3以上的深度完全包含于布齿面22内，则称该结构为“孔”，如图24（b）所示；否则称为“槽”，如图24（c）所示。
上述方案中，从切削元件的角度上看，整个旋转切削模块的作用类似一颗可以旋转的切削齿，但与普通切削齿不同，一方面，旋转切削模块可以通过旋转使其周向各部位循环、连续地刮切岩石，避免热磨损的同时充分利用切削模块的整个周向区域；另一方面，同一切削模块上的多个小尺寸切削齿在较软的基体磨损后陆续出刃，将起到提高比压、提升破岩效率的作用。从切削结构的角度来看，整个旋转切削模块与盘刀类似，但与盘刀不同的是旋转切削模块无需在刀翼体上专门设置轴承结构，在制造、装配、使用上都具有更大的自由度。无论是从切削元件还是切削结构，钻头上的旋转切削单元都将与固定切削齿协同工作，亦即旋转切削单元所产生的螺旋刮切轨迹和固定切削齿的同心圆刮切轨迹相互交叠，形成局部网状刮切轨迹（利于岩石破碎），从而有效地降低破岩功耗，并显著提升钻头的破岩效率。
进一步，所述钻头为PDC钻头，所述支承体为钻头的刀翼体，所述旋转切削模块设置在刀翼前端，所述旋转切削模块的固定轴套固定在所述刀翼上或为刀翼体的一部分，所述旋转切削模块的基体及其上固结的切削齿可相对刀翼体转动。
上述方案中，旋转切削模块的固定轴套固定在刀翼上时，模块上设置独立的固定轴套，而刀翼体上仅设置模块孔槽结构供固定轴套装配；固定轴套为刀翼体的一部分时，模块上不一定设置独立的固定轴套，基体轴可直接与孔槽内腔配合形成转动连接。
进一步，旋转切削模块的固定轴套的一部分位于所在刀翼体轮廓线以外，如图25中所示。由于模块齿通常较固定切削齿更小，要使模块齿的切削轮廓与固定齿切削轮廓匹配实现共同切削的目的，则一方面需要让模块齿出露于模块基体，更佳的方式是同时让模块的固定轴套也出露于刀翼布齿面。通过在模块相对于钻头、模块齿相对于模块两个层面调节出露高度，可使模块对钻头性能的提升更优化，特别是能增大小尺寸模块齿相对于刀翼本体的工作高度，有利于提升小尺寸模块齿与尺寸较大的固定切削齿的共同切削效果。
作为优选，所述钻头上旋转切削模块的前倾角范围是-20°≤δ≤45°，侧转角范围是-45°≤λ≤45°。
上述方案中，旋转切削模块的前倾角和侧转角定义与常规PDC钻头上固定切削齿的角度定义类似。假设钻头上有一个通过钻头轴线和钻头上某一点的剖切平面（称之为过该点的轴线平面或轴面），当钻头钻进速度为零的条件下绕自身轴线旋转时，切削齿（包括固定切削齿和模块切削齿）的齿刃轮廓线与剖切平面或轴面相交形成交线，该交线为切削齿的轴面轮廓线。将所有切削齿的轴面轮廊线汇集在一起，就形成了如图27所示的钻头井底覆盖图。钻头的井底覆盖图实质上反映了在零钻进速度下，钻头上各切削齿对井底的覆盖情况或切削齿与井底岩石接触区域的分布情况。在井底覆盖图中，作一条与所有固定切削齿的轴面轮廓线相切的包络曲线（图27中标号为101），该包络曲线绕钻头轴线旋转一周所形成的回转曲面，被称为钻头的切削齿包络面（简称钻头的包络面）。包络面过旋转切削模块中心点O（旋转切削模块切削轮廓线301的中心点）的法线ON，是定义切削齿空间方向的基准线，称之为该旋转切削模块的方向基准线。在此基础上，在旋转切削模块切削平面（过中心点O且垂直于旋转轴线的平面）上，通过中心点O且垂直于方向基准线ON作直线OM。则旋转切削模块的前倾角δ即为模块切削平面绕OM转过的角度。前倾角δ的符号以绕OM（沿图中所示OM方向看）顺时针旋转为正（其符号定义与金属切削中恰好相反，金属切削中的负前角，在此为正前倾角）；类似地，旋转切削模块的侧转角λ即为模块切削平面绕ON转过的角度。前倾角δ的符号以绕ON（沿图中所示ON方向看）顺时针旋转为正（即侧转角的符号以将岩屑推向钻头外侧为正）。
通过设置旋转切削模块的前倾角和侧转角可以控制旋转切削模块的自转速度和刮切角度，进而影响其在井底形成的切削轨迹。在上述角度范围内，对前倾角、侧转角进行针对地层特性和钻头工况的设计可最大化发挥旋转切削模块对钻头性能的提升作用。
特别地，若模块安装在其支承体上时具有一定的侧转角λ，则该模块上的模块齿应相对模块本身应设置相反方向的侧转角γ，以使模块旋转体在转动过程中，模块齿可保持其工作面正对（或基本正对）被刮切岩石。
此外，自钻头心部至钻头肩部区域，随着模块在钻头上的径向安装位置逐渐向外，模块侧转角的设置应相应地逐渐减小。
作为优选，所述钻头包括常规刀翼式钻头和以刀翼式钻头为基础衍生的复合钻头。
进一步，所述钻头为常规PDC钻头、刀翼-牙轮复合钻头、刀翼-盘刀复合钻头、刀翼-冲头复合钻头。
作为优选，所述钻头具有刀翼，作为模块支承体，模块的基体局部外凸于刀翼体轮廓，且外凸的切削轮廓线的全部或部分与所述旋转模块的切削轮廓线相吻合或相平行。
上述方案中，轮廓线吻合是指在刀翼上的固定切削齿和模块齿共同切削范围内，两轮廓线法向距离|d|≤0.5mm）；平行是指在共同切削范围内，两轮廓线法向距离d处处相等，如图28所示。通过刀翼形状设计而实现固定切削齿与旋转切削模块切削轮廓线相匹配，可使固定切削齿与旋转切削模块以更好的状态协同工作，充分利用旋转切削模块旋转、交替刮切岩石的特性，减少固定切削齿负荷，同时在局部井底区域形成网状刮切轨迹，进而最大程度上延长钻头寿命并提高破岩效率。
进一步，上述相吻合或平行的区域不小于旋转模块切削轮廓线的90°扇区。
上述方案中，吻合或平行的“扇区”是指模块与固定齿平行或吻合的轮廓线区段两端点与模块切削轮廓线中心点O连线之间的夹角，如图28中所示的α角。通过控制该角度的大小，可在钻头的设计过程中调整模块与固定齿的共同工作区域，从而最大化模块对钻头性能的提升。
作为优选，旋转切削模块布置在刀翼-牙轮复合钻头、刀翼-盘刀复合钻头固定刀翼的径向外部区域，特别是2/3钻头半径以外的径向区域。
上述方案中，将模块布置在PDC-牙轮复合钻头、盘刀复合钻头固定刀翼的径向外部区域，特别是2/3钻头半径以外的径向区域，不仅有利于降低钻头切削齿的磨损速度，减少冲击失效趋势，提高破岩效率，而且有利于增强钻头的工作安全性，减小牙轮或盘刀因过度磨损而落井的可能性。
作为优选，所述旋转模块固定于钻头支承体的方式包括焊接、铆接、镶嵌、粘结、以及机械连接。
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案；且本发明，（各非冲突选择）选择之间以及和其他选择之间也可以自由组合。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不逐一列举。
本发明的有益效果：
1、通过在同一旋转切削模块上设置多个切削齿，在占用较小钻头空间的前提下，大幅增加了局部切削元件密度，利于延长钻头寿命。
2、对于直径较小的切削齿，单颗齿与岩石的接触面积小，破岩比压高，易于吃入岩石，但由于直径小，其可磨损长度很短，若作为固定切削齿，持续刮切岩石将使其很快磨损殆尽。通过在同一旋转切削模块上的多个小直径切削齿交替刮切岩石，不仅能发挥上述小直径切削齿的优势，也能避免单齿因持续磨损而迅速失效的情况，从而在提高破岩效率的同时延长钻头寿命。
3、旋转切削模块的基体在岩石的反作用力下绕模块中心轴旋转，其上各切削齿交替刮切岩石，实现同一切削模块上各个区域均匀磨损；此外，各切削齿在工作过程中短暂、不连续地与岩石互作用，发热量小且能及时散热，不易产生热磨损，从而利于延长钻头寿命。
4、旋转切削模块上切削齿产生的螺旋刮切轨迹与固定切削齿产生的同心圆轨迹交叠后将形成网状刮切轨迹，有利于提高钻头破岩效率。
5、旋转切削模块的转动副设置在基体和固定轴套之间，包含轴承结构的模块自成一体，无需在刀翼体上专门设置轴承支座或轴承结构，不仅使钻头结构更加简单、紧凑、可靠，也更易于制造和修复。
附图说明
图1本发明实施例1中旋转切削模块的结构示意图。
图2为本发明中旋转切削模块各曲面的定义示意图。
图3为本发明中模块齿轮廓曲线的定义示意图。
图4为本发明中旋转切削模块各轮廓曲线的定义示意图。
图5为本发明中模块齿的出露高度定义示意图。
图6为本发明中模块齿在基体上的安装角度定义示意图。
图7为本发明实施例4中旋转切削模块上模块齿的布置示意图。
图8为本发明实施例5中旋转切削模块上模块齿的布置示意图。
图9为本发明实施例6中旋转切削模块上模块齿的布置示意图。
图10为本发明实施例7中旋转切削模块上模块齿的布置示意图。
图11为本发明实施例8、9、10中各旋转切削模块上模块齿的布置示意图和旋转体的轴向剖视图。
图12为本发明实施例11中旋转切削模块上模块齿的布置示意图。
图13为本发明实施例13中旋转切削模块的轴向剖视图。
图14为本发明实施例14中旋转切削模块的轴向剖视图。
图15为本发明实施例15中旋转切削模块的轴向剖视图。
图16为本发明实施例16中旋转切削模块的轴向剖视图。
图17为本发明实施例17中旋转切削模块的轴向剖视图。
图18为本发明实施例18中旋转切削模块的轴向剖视图。
图19为本发明实施例19中旋转切削模块的轴向剖视图。
图20为本发明实施例20中旋转切削模块的轴向剖视图。
图21为本发明实施例21中旋转切削模块的轴向剖视图。
图22为本发明实施例22中旋转切削模块的前端面视图和轴向剖视图。
图23为本发明中空槽结构的结构示意图。
图24为本发明中空槽结构的局部剖视图。
图25为本发明实施例23中钻头的结构示意图。
图26为本发明实施例23中钻头的俯视图。
图27为本发明实施例23中钻头的井底覆盖图。
图28为本发明实施例24中钻头的井底覆盖图。
图29为本发明实施例25中钻头的结构示意图。
图30为本发明实施例25中钻头的井底覆盖图。
图31为本发明实施例25中钻头所形成的井底形貌示意图。
图32为本发明实施例25中钻头所形成的另一种井底形貌示意图。
图33为本发明实施例26中钻头刀翼的局部剖视图。
图34为本发明实施例27中钻头刀翼的局部剖视图。
图35为本发明实施例28中钻头刀翼的局部剖视图。
图36为本发明实施例29中钻头刀翼的局部剖视图。
图37为本发明实施例30中钻头刀翼的局部剖视图。
图38为本发明实施例31中钻头刀翼的局部剖视图。
图39为本发明实施例32中钻头刀翼的局部剖视图。
图40为本发明实施例33中钻头刀翼的局部剖视图。
图41为本发明实施例34中钻头的结构示意图。
图42为本发明实施例35中钻头的结构示意图。
具体实施方式
下列非限制性实施例用于说明本发明。
实施例1
如图1、图5（a）所示，一种旋转切削模块，包括基体32和模块切削齿33，旋转切削模块3上设置有固定轴套31，所述基体32上固定有至少三个所述模块切削齿33，所述基体32具有转轴324（如图2所示），所述基体32与所述固定轴套31之间形成转动连接。
在本实施例以及本发明中关于旋转切削模块的其余实施例中涉及到固定轴套31和基体32上各特征的定义，为便于理解本发明的意图，在此作出详细说明：如图2所示，旋转切削模块（含旋转轴线30，如图2（a）所示）的固定轴套31上有前端面313、侧面312、后端面311、轴承孔314（含轴线310），如图2（b）所示；模块基体32上有前端面321、侧面322、轴肩323（若基体侧面和轴肩在结合处直径相同，则不存在轴肩）、轴324（含轴线320）和轴端面325，如图2（c）所示；模块齿33（含轴线330）上有工作面331、侧面332、齿后面333，如图3（a）所示。需要说明的是，对于不同的实施方案，可能会在以上这些特征的基础上增加或减少，但其主要结构特点均已包含在上述范围内，若非明确说明，各方案中相关特征均以上述定义为准。
进一步，模块齿33出露于基体32（出露高度为正），所述基体32切削部轮廓圆直径在10mm~40mm之间，所述模块齿33切削轮廓圆直径在5mm~20mm之间。
实施例2
如图5（b）所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：模块齿33工作面为圆形，模块齿33内镶于基体32，且模块齿轮廓线与基体轮廓线相切（出露高度为零）。
实施例3
如图5（c）所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：模块齿33工作面为圆形，且模块齿33内镶于基体32（出露高度为负）。
实施例4
如图7所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：模块齿33工作面为椭圆形，且模块齿33出露于基体32（出露高度大于零）。
实施例5
如图8所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：旋转切削模块3上间隔布置有工作面为圆形和椭圆形的模块齿33，且模块齿33出露于基体32（出露高度大于零）。
实施例6
如图9所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：旋转切削模块3上布置有工作面为尖圆形的模块齿33（尖圆齿），且模块齿33的尖锐区域出露于基体32（出露高度大于零）。
实施例7
如图10所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：旋转切削模块3上布置的模块齿33为锥形齿，且模块齿33的锥形区域出露于基体32（出露高度大于零）。图10（a）中所示为本实施例模块齿前端面视图，图10（b）为其在各锥形齿顶点所在平面内的横截面示意图。
实施例8
如图11（a）、图11（b）所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：旋转切削模块3上布置的模块齿33为沿基体32（基体轮廓线为圆形）径向相互叠合的切削齿（叠齿），该模块齿分为一二两级，如图中所标示的33a和33b，其中，一级齿33a叠在二级齿33b之上，且一、二级齿工作面平齐，一、二级齿33a、 33b均出露于基体32（出露高度大于零）。图11（a）所示为模块前端面视图，图11（b）为该模块旋转体（含基体32和模块齿33的轴向剖面图）。
实施例9
如图11（c）、图11（d）所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：旋转切削模块3上布置的模块齿33为沿基体32（基体轮廓线为圆形）径向相互叠合的切削齿（叠齿），该模块齿分为一二两级，如图中所标示的33a和33b，其中，一级齿33a叠在二级齿33b之上，且一级齿工作面相对二级齿工作面后错（在同一个切削齿位上共形成两个工作面），一、二级齿33a、 33b均出露于基体32（出露高度大于零）。图11（c）所示为模块前端面视图，图11（d）为该模块旋转体（含基体32和模块齿33的轴向剖面图）。
实施例10
如图11（e）、图11（f）所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：旋转切削模块3上布置的模块齿33为沿基体32（基体轮廓线为圆形）径向相互叠合的切削齿（叠齿），该模块齿分为一二两级，如图中所标示的33a和33b，其中，每个二级齿33b上叠合两个一级齿33a。同样地，本实施例中的一级齿工作面也可以相对二级齿工作面后错，如图11（f）所示，二级齿33b上的两个一级齿33a的工作面均相对于二级齿33b的工作面后错，在同一个切削齿位上共形成两个工作面。
实施例11
如图12所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：旋转切削模块3上布置的模块齿33为沿基体32（基体轮廓线为圆形）周向相互叠合的切削齿，且模块齿33出露于基体32（出露高度大于零）。图中3201所标示的即为基体轮廓线，d所标示的即为模块齿出露高度。
实施例12
如图2所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔（通孔）和滚子槽，基体32上设置有转轴和滚子槽326，基体32与固定轴套31之间通过球形滚子34轴向限位并形成旋转连接。
实施例13
如图13所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔（盲孔）和滚子槽，基体32上设置有转轴和滚子槽，基体32与固定轴套31之间通过球形滚子34轴向限位并形成旋转连接。
实施例14
如图14所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔（盲孔）和滚子槽，基体32上设置有转轴和滚子槽，基体32与固定轴套31之间通过圆柱滚子34轴向限位并形成旋转连接。
实施例15
如图15所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴的配合形成旋转连接，并通过螺栓35b和螺母35a轴向限位。
实施例16
如图16所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴的配合形成旋转连接，并通过螺钉35轴向限位。
实施例17
如图17所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴的配合形成旋转连接，并通过卡簧或弹性挡圈36轴向限位，防止基体32轴向脱出。此时，卡簧或弹性挡圈36的轴向限位作用是单向的，卡簧或弹性挡圈不会随模块止推面的磨损而承受轴向工作载荷，而是与轴套限位面脱离接触，故能可靠工作而不发生过量磨损导致的失效。
实施例18
如图18所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32轴肩面与固定轴套前端面之间设置有垫圈38，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴的配合形成旋转连接，并通过卡簧或弹性挡圈36轴向限位，防止基体32轴向脱出。此时，卡簧或弹性挡圈36的轴向限位作用是单向的，卡簧或弹性挡圈不会随模块止推面的磨损而承受轴向工作载荷，而是与轴套限位面脱离接触，故能可靠工作而不发生过量磨损导致的失效。
实施例19
如图19所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32后端面处设置有垫片38，垫片38下部设置有碟簧327作为缓冲装置，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴的配合形成旋转连接，并通过卡簧或弹性挡圈36轴向限位，防止基体32轴向脱出。此时，卡簧或弹性挡圈36的轴向限位作用是单向的，卡簧或弹性挡圈不会随模块止推面的磨损而承受轴向工作载荷，而是与轴套限位面脱离接触，故能可靠工作而不发生过量磨损导致的失效。
实施例20
如图20所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，轴承孔与转轴之间设置有浮动套37，基体32与固定轴套31之间通过浮动套37形成旋转连接，并通过卡簧或弹性挡圈36轴向限位，防止基体32轴向脱出。此时，卡簧或弹性挡圈36的轴向限位作用是单向的，卡簧或弹性挡圈不会随模块止推面的磨损而承受轴向工作载荷，而是与轴套限位面脱离接触，故能可靠工作而不发生过量磨损导致的失效。
实施例21
如图21所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔，基体32侧面与轴颈面为直径相等且同轴的圆柱形面（此时基体轴肩面自动消失，基体侧面和轴颈合并为同一圆柱面），基体32后端面处设置有垫片38，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴的配合形成旋转连接，并通过卡簧或弹性挡圈36轴向限位，防止基体32轴向脱出。此外，固定轴套上设置卡簧或弹性挡圈36的环槽预留出轴向容让空间（图中所示卡簧或弹性挡圈36附近的轴向区域），在基体或其后端垫片磨损后，避免让卡簧或弹性挡圈36承受旋转体（基体及其上的模块齿）的轴向载荷。
实施例22
如图22所示，本实施例与实施例1基本相同，其区别在于：固定轴套31上开设有轴承孔（通孔）和滚子槽，基体32上设置有两排模块齿33a和33b，此外，基体上还设置有转轴和滚子槽326，基体32与固定轴套31之间通过球形滚子34轴向限位并形成旋转连接。图22（a）中所示为本实施例模块的前端面视图，图22（b）所示为其轴向剖视图。需要说明的是，图22（b）中所示的前排模块齿和后排模块齿可沿基体32周向相互交错，如图22（a），也可以沿基体32周向相互重叠。
实施例23
如图25、图26、图27所示，一种具有旋转切削模块的金刚石钻头，包括钻头体1、固定刀翼2、和旋转切削模块3，所述刀翼2上设置有固定切削齿21和至少一个旋转切削模块3，其中，刀翼2上设有模块槽，旋转切削模块3的固定轴套固定在所述刀翼体上，且旋转切削模块3的基体及其上固结的切削齿33可相对钻头体转动。图26所示为本实施例中钻头的俯视图，图27所示为该钻头的井底覆盖图，其中标号11的点划线为钻头中心线。
实施例24
如图28所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼上设置有多个旋转切削模块以及至少一个与旋转切削模块匹配的外凸区域，至少有一个旋转切削模块与刀翼的外凸区域切削齿匹配形成共同切削区域，且该共同切削区域不小于旋转模块切削轮廓线的90°扇区，如图中所示的α角包含的扇区。
实施例25
如图29、图30、图31所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼2上设置有与旋转切削模块匹配的外凸区域，如图29所示。刀翼2上切削齿21a、21b与旋转切削模块3在共同工作区域的切削轮廓302吻合，图中，标号21a的为刀翼上的常规固定切削齿，标号21b的刀翼上的外凸区域的固定切削齿。图30所示即为本实施例中刀翼2上固定切削齿与旋转切削模块3共同覆盖井底的情况，其中标号11的点划线为钻头中心线。图31所示为本实施例中钻头在井底形成的局部交叉刮切轨迹示意图，其中，标号12的是固定切削齿在井底形成的同心圆环状切削轨迹，标号13的是旋转切削模块在井底局部区域形成的螺旋状切削轨迹。此外，通过改变模块安装在刀翼上侧转角，可使模块在井底产生的螺旋切削轨迹调整角度、长度，甚至方向，如图32所示即为两套具有相反侧转角的模块和刀翼切削齿在井底共同产生的切削轨迹，图中可明显观察到两簇螺旋轨迹互相交叉的情况。
实施例26
如图33所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼上设置有模块孔，固定轴套31通过该孔固定在刀翼2上，固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与轴匹配形成旋转连接，并通过设置在刀翼上的螺钉35b和挡块35a进行轴向限位。
实施例27
如图34所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼2上设置有圆柱形模块孔以充当模块的固定轴套，基体32侧面与轴颈面为直径相等且同轴的圆柱形面（此时基体轴肩面自动消失，基体侧面和轴颈合并为同一圆柱面），基体32与模块孔槽23之间通过球形滚子34形成旋转连接，并通过设置在刀翼上的螺钉35b和挡块35a进行轴向限位。
实施例28
如图35所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼2上设置有圆柱形模块孔以充当模块的固定轴套，基体32侧面与轴颈面为直径相等且同轴的圆柱形面（此时基体轴肩面自动消失，基体侧面和轴颈合并为同一圆柱面），基体32后端面设置有垫片38，基体32与固定轴套31之间通过球形滚子34形成旋转连接，并通过设置在刀翼上的螺钉35b和挡块35a进行轴向定位。其中，模块基体上设有半圆形截面环槽，刀翼体上用螺钉固定挡块，挡块顶端部设置成球面，该球面与基体上所设的半圆环形槽相配合，对旋转模块轴向限位的同时允许基体旋转。
实施例29
如图36所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼上设置有模块孔，固定轴套31通过该孔固定在刀翼2上，固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴匹配形成旋转连接，并通过卡簧或弹性挡圈36轴向限位。此外，基体32后端面设置有垫片38，基体32与固定轴套31之间设置有密封圈39。
实施例30
如图37所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼上设置有模块孔，固定轴套31通过该孔固定在刀翼2上，固定轴套31侧面为阶梯形圆柱面，其小端圆柱完全固定在刀翼2内部，大端圆柱出露于刀翼体。固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32与固定轴套31之间通过球形滚子轴向限位并形成旋转连接。此外，基体32与固定轴套31之间设置有密封圈39。
实施例31
如图38所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼上设置有模块孔，固定轴套31通过该孔固定在刀翼2上，固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴匹配形成旋转连接。另一方面，刀翼2上设置有螺栓孔，基体32后端通过螺纹连接设置有螺栓35，旋转模块3通过螺栓35轴向限位。
实施例32
如图39所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼上设置有模块孔，固定轴套31通过该孔固定在刀翼2上，固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴匹配形成旋转连接。另一方面，刀翼2上设置有销钉孔，基体32后端设置有销钉35，旋转模块3通过销钉35上所设置的卡簧或弹性挡圈36轴向限位。此外，基体32后端面处设置有垫片38，垫片38下部设置有碟簧327作为缓冲装置。
实施例33
如图40所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：刀翼上设置有模块孔，固定轴套31通过该孔固定在刀翼2上，固定轴套31上开设有轴承孔，基体32上设置有转轴，基体32与固定轴套31之间通过轴承孔与转轴匹配形成旋转连接。另一方面，螺栓35b贯穿刀翼2和旋转切削模块基体32，并与螺母35通过螺纹连接对旋转切削模块进行轴向限位。此外，螺栓与基体内孔之间还设置有密封圈39，基体32后端面处设置有垫片38，垫片38下部设置有碟簧327作为缓冲装置。
实施例34
如图41所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：所述钻头为刀翼-牙轮复合钻头，以刀翼体2作为旋转切削模块的支承体。图中，标号21a的为固定PDC齿，标号21c的为固定锥形齿，标号4的部件为牙轮，标号41的部件为牙轮牙掌。
实施例35
如图42所示，本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：所述钻头为刀翼-盘刀复合钻头，以刀翼体2作为旋转切削模块的支承体。图中，标号21a的为固定PDC齿（主切削齿），标号21d的为固定PDC齿（后备切削齿），标号5的部件为盘刀，标号51的部件为盘刀支座。
实施例36
本实施例与实施例23基本相同，其区别在于：所述钻头的模块支承体上设置有储油装置以及连通储油腔室与模块转动副（基体和固定轴套之间的相对转动面）的通道，该装置中的储油腔室内预先灌装润滑介质，润滑介质通过上述通道可流至模块转动副，起到润滑转动副的作用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种旋转切削模块，包括模块基体和模块切削齿，以用于钻头等各种破岩工具或装备上作为切削元件，其特征在于：旋转切削模块上设置有固定轴套，所述模块基体上设置有至少三个所述模块切削齿，所述模块基体具有转轴，所述模块基体与所述固定轴套之间形成转动连接。
2.如权利要求1所述的旋转切削模块，其特征在于：所述模块切削齿在所述模块基体上的前倾角范围是-10°≤θ≤30°，侧转角范围是-45°≤θ≤45°。
3.如权利要求1所述的旋转切削模块，其特征在于：所述旋转切削模块上设置有轴向限位装置。
4.如权利要求1所述的旋转切削模块，其特征在于：所述旋转切削模块上设置有由橡胶和/或金属弹性元件构成的轴向缓冲装置或结构，和/或液压缓冲装置或结构。
5.如权利要求1所述的旋转切削模块，其特征在于：所述模块切削齿分为两级设置于所述基体，各一级齿均叠合在二级齿上。
6.如权利要求1所述的旋转切削模块，其特征在于：所述模块切削齿以周向叠合的密集布齿方式设置于所述基体，且各模块切削齿相对于基体的出露高度不小于零。
7.一种具有旋转切削模块的金刚石钻头，包括钻头体和切削元件，所述钻头上有切削元件支承体，其特征在于：至少一个切削元件为所述旋转切削模块，所述支承体上设置有用于安装旋转模块的孔槽，模块的固定轴套安装于孔槽中，并与支承体形成固定连接，所述旋转切削模块的旋转件可相对支承体转动。
8.如权利要求7所述的具有旋转切削模块的金刚石钻头，包括延伸自钻头体或固定在钻头体上的刀翼，其特征在于：至少一个刀翼的前端设置有用于安装旋转模块的孔槽，模块的固定轴套安装于孔槽中，并与刀翼体形成固定连接，所述旋转切削模块的旋转件可相对刀翼体转动。
9.如权利要求7所述的具有旋转切削模块的金刚石钻头，其特征在于：所述旋转切削模块的前倾角范围是-20°≤δ≤45°，侧转角范围是-45°≤λ≤45°。
10.如权利要求7所述的具有旋转切削模块的金刚石钻头，其特征在于：所述钻头的切削轮廓线在至少一个旋转切削模块所在之处局部外凸，且外凸的切削轮廓线的全部或部分与所述旋转模块的切削轮廓线相吻合或相平行 。
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