CN112324345A - 一种具有辅助切削刃的金刚石复合片及钻头 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有辅助切削刃的金刚石复合片及钻头。本发明的具有辅助切削刃的金刚石复合片包括：硬质合金基体以及金刚石层；金刚石层的端面成型有一个或两个以上在径向方向上延伸至金刚石层边缘或靠近边缘位置处的凸脊，而使金刚石层的上表面形成凸起的主切削刃；金刚石层的外圆周面上具有在周向上延伸的外周凸缘；外周凸缘的上表面具有波峰，所述波峰与主切削刃在周向上相对应而形成辅助切削刃。本发明的金刚石复合片在切削岩层时，主切削刃在前侧切削岩层，辅助切削刃在主切削刃的后侧能够对主切削刃犁削破开的岩层再次进行刮削，能够将犁削过的石碴刮削破碎，提高了对岩层的切削效果。
Description
技术领域
本发明涉及金刚石钻头领域，尤其涉及一种具有辅助切削刃的金刚石复合片及钻头。
背景技术
PDC钻头依靠安装在钻头体上的聚晶金刚石复合片切削地层，复合片主要由硬质合金基体及设于硬质合金基体上的聚晶金刚石层组成，使用时在钻压和扭矩作用下克服地层应力吃入地层，地下岩层在复合片的作用下被剪切破碎，从而实现钻头的钻进。
随着钻采条件愈发苛刻，传统的平面结构复合片耐磨性差、破岩能力差、使用寿命短、钻进效率低等缺点逐渐显现，针对此问题，非平面齿复合片的开发应用取得了较好的效果。如申请公布号为CN106761428A的中国发明专利公开的一种钻探用高效排屑预成型聚晶金刚石复合片，其在金刚石层的端面上进行了形状设计，使端面上形成在圆周方向上均匀间隔布置的多个径向延伸的凸脊，并由凸脊的靠近金刚石层的外缘一段形成切削刃，以此来提升复合片的耐磨性和破岩能力。
上述说明的这种复合片相比传统复合片虽然已经起到较好的效果，但是在实际使用中仍存在切削能力不足的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有辅助切削刃的金刚石复合片，用以解决现有的金刚石复合片切削能力不足的问题。同时本发明的目的还在于提供一种包含所述的具有辅助切削刃的金刚石复合片的钻头，以提升钻头的钻进效率。
本发明的具有辅助切削刃的金刚石复合片包括：
硬质合金基体以及固结在硬质合金基体端部的金刚石层；
金刚石层的端面成型有一个或两个以上在径向方向上延伸至金刚石层边缘或靠近边缘位置处的凸脊，而使金刚石层的上表面形成凸起的主切削刃；
金刚石层上端面的边缘处设有倒角；
金刚石层的外圆周面上具有在周向上延伸的外周凸缘；
外周凸缘的上表面具有波峰，所述波峰与主切削刃在周向上相对应而形成辅助切削刃。
本发明的具有辅助切削刃的金刚石复合片在金刚石层的外周面成型有外周凸缘，且外周凸缘具有与主切削刃在周向上对应的辅助切削刃，这样在复合片切削岩层时，主切削刃在前侧切削岩层，辅助切削刃在主切削刃的后侧能够对主切削刃犁削破开的岩层再次进行刮削，能够将犁削过的石碴刮削破碎，提高了对岩层的切削效果；而且辅助切削刃由外周凸缘上表面的波峰形成，能够便于主切削刃以及辅助切削刃切削产生的部分岩屑从两侧流过，有助于提升排屑能力。
进一步的，所述主切削刃有两个以上，所述外周凸缘为封闭环形而环绕在金刚石层的外周，外周凸缘的上表面具有数量与主切削刃的个数相等的波峰而形成高低起伏的波浪面。在主切削刃有两个以上，即辅助切削刃也有两个以上时，将外周凸缘设置为封闭环形，不仅能够降低模具成本，而且封闭环形整体结构强度高，延长了辅助切削刃的使用寿命。
进一步的，外周凸缘上表面上的处于辅助切削刃周向两侧的坡面形状与金刚石层上表面上的处于主切削刃周向两侧的坡面形状一致。这样设置能够在主切削刃和辅助切削刃进行切削过程中，岩屑的流动方向尽可能的保持一致，便于岩屑排出。
进一步的，所述外周凸缘在周向各处的截面形状均相同。这样在一定程度上降低了复合片的成型难度，降低制造成本。
更进一步的，所述外周凸缘的截面形状为三角形，三角形具有较好的稳定性，结构强度较高，使外周凸缘具有较好的耐磨性，而且三角形的顶点也使辅助切削刃较为锋利，提高了切削效果。
进一步优化的，所述外周凸缘的截面形状为等腰三角形，且等腰三角形的顶点径向朝外。采用顶点朝外的等腰三角形截面，使得外周凸缘的外沿结构强度较高，不易磨损崩裂，使用寿命较长。
作为另一种优化的方案，所述外周凸缘的下表面为环形平面。采用环形平面作为外周凸缘的下表面，在加工成型时，不受外周凸缘上表面形状的影响，制造成本低。
此外，所述外周凸缘在上下方向上处于金刚石层的靠近上端面的位置处。这样外周凸缘上的辅助切削刃更容易起到切削作用，而且无需将外周凸缘的径向尺寸设置的过大，保证了外周凸缘外沿的强度，减少了金刚石层的用料。
本发明的钻头包括钻头基体以及安装在钻头基体上的多个金刚石复合片，所述金刚石复合片为具有辅助切削刃的金刚石复合片；
具有辅助切削刃的金刚石复合片包括：
硬质合金基体以及固结在硬质合金基体端部的金刚石层；
金刚石层的端面成型有一个或两个以上在径向方向上延伸至金刚石层边缘或靠近边缘位置处的凸脊，而使金刚石层的上表面形成凸起的主切削刃；
金刚石层上端面的边缘处设有倒角；
金刚石层的外圆周面上具有在周向上延伸的外周凸缘；
外周凸缘的上表面具有波峰，所述波峰与主切削刃在周向上相对应而形成辅助切削刃。
本发明的具有辅助切削刃的金刚石复合片在金刚石层的外周面成型有外周凸缘，且外周凸缘具有与主切削刃在周向上对应的辅助切削刃，这样在复合片切削岩层时，主切削刃在前侧切削岩层，辅助切削刃在主切削刃的后侧能够对主切削刃犁削破开的岩层再次进行刮削，能够将犁削过的石碴刮削破碎，提高了对岩层的切削效果；而且辅助切削刃由外周凸缘上表面的波峰形成，能够便于主切削刃以及辅助切削刃切削产生的部分岩屑从两侧流过，有助于提升排屑能力。
进一步的，所述主切削刃有两个以上，所述外周凸缘为封闭环形而环绕在金刚石层的外周，外周凸缘的上表面具有数量与主切削刃的个数相等的波峰而形成高低起伏的波浪面。在主切削刃有两个以上，即辅助切削刃也有两个以上时，将外周凸缘设置为封闭环形，不仅能够降低模具成本，而且封闭环形整体结构强度高，延长了辅助切削刃的使用寿命。
进一步的，外周凸缘上表面上的处于辅助切削刃周向两侧的坡面形状与金刚石层上表面上的处于主切削刃周向两侧的坡面形状一致。这样设置能够在主切削刃和辅助切削刃进行切削过程中，岩屑的流动方向尽可能的保持一致，便于岩屑排出。
进一步的，所述外周凸缘在周向各处的截面形状均相同。这样在一定程度上降低了复合片的成型难度，降低制造成本。
更进一步的，所述外周凸缘的截面形状为三角形，三角形具有较好的稳定性，结构强度较高，使外周凸缘具有较好的耐磨性，而且三角形的顶点也使辅助切削刃较为锋利，提高了切削效果。
进一步优化的，所述外周凸缘的截面形状为等腰三角形，且等腰三角形的顶点径向朝外。采用顶点朝外的等腰三角形截面，使得外周凸缘的外沿结构强度较高，不易磨损崩裂，使用寿命较长。
作为另一种优化的方案，所述外周凸缘的下表面为环形平面。采用环形平面作为外周凸缘的下表面，在加工成型时，不受外周凸缘上表面形状的影响，制造成本低。
此外，所述外周凸缘在上下方向上处于金刚石层的靠近上端面的位置处。这样外周凸缘上的辅助切削刃更容易起到切削作用，而且无需将外周凸缘的径向尺寸设置的过大，保证了外周凸缘外沿的强度，减少了金刚石层的用料。
附图说明
图1为本发明的具有辅助切削刃的金刚石复合片的实施例一的结构示意图；
图2为图1所示的具有辅助切削刃的金刚石复合片的正视图；
图3为图1所示的具有辅助切削刃的金刚石复合片的截面图；
图4为本发明的具有辅助切削刃的金刚石复合片的实施例一使用时的状态图。
图1中：1-硬质合金基体；2-金刚石层；20-顶部平面；21-主切削刃；22-外周凸缘；220-辅助切削刃。
图2中：1-硬质合金基体；2-金刚石层；20-顶部平面；21-主切削刃；22-外周凸缘；220-辅助切削刃。
图3中：1-硬质合金基体；2-金刚石层；20-顶部平面；21-主切削刃；22-外周凸缘；220-辅助切削刃。
图4中：1-硬质合金基体；2-金刚石层； 21-主切削刃；22-外周凸缘；220-辅助切削刃。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
本发明的具有辅助切削刃的金刚石复合片的具体实施例一：
如图1-3所示，本实施例的金刚石复合片包括圆柱状的硬质合金基体1以及固结在硬质合金基体1端面的金刚石层2，具体为聚晶金刚石层。硬质合金基体1用于安装在钻头的复合片安装槽中，起到固定支撑的作用，金刚石层2作为超硬层，用于切削岩层，金刚石层2的上端面的边缘设有倒角，避免在切削时应力集中而崩刃。当然，倒角为45°角、30°角或者圆角均可。
金刚石层2的背向硬质合金基体1的端面上，于中部位置成型有大致呈三角形的顶部平面20，于顶部平面20的外围成型有三个凸脊。三个凸脊分别从顶部平面20的角处径向向外延伸，直至金刚石层2的边缘位置，且凸脊在径向向外延伸过程中高度逐渐降低。相邻两个凸脊之间形成了外边缘位置最低的倾斜下凹部分，由此三个凸脊分别构成了复合片的三个主切削刃21。在复合片使用时，由于其安装在钻头基体上的姿态决定其能够以其中一个主切削刃21朝向岩层，并以该主切削刃进行切削，被该主切削刃21切削的岩屑部分沿主切削刃21向金刚石层2的中部流动，部分从主切削刃21两侧的下倾坡面流走。
金刚石层2的外周面上还设有沿金刚石层2的外周面延伸，且在周向上环绕金刚石层2的外周凸缘22，外周凸缘22同样为金刚石层2的一部分。外周凸缘22在金刚石层外周面上的高度接近金刚石层2的上边缘，且在延伸路径上随金刚石层上边缘呈波浪状高低起伏，从而在与三个主切削刃21周向相对应的位置处分别形成波峰，波峰构成恰好与各主切削刃对应的辅助切削刃220。这种结构形式的复合片在切削岩层时，如图4所示，主切削刃21在前侧切削岩层，辅助切削刃220在主切削刃21的后侧能够对主切削刃21犁削破开的岩层再次进行刮削，能够将犁削过的石碴刮削破碎，进而提高对岩层的切削效果。
而且优选地，外周凸缘上表面上的处于辅助切削刃220周向两侧的坡面形状，即波峰两侧的坡面形状与金刚石层上表面上的处于主切削刃21周向两侧的坡面形状一致，这样设置能够在主切削刃和辅助切削刃进行切削过程中，岩屑的流动方向尽可能的保持一致，便于岩屑排出。
从图1、3、4中能够较为清楚的看出，外周凸缘在周向各处的截面形状均相同，而至于外周凸缘的具体截面形状可以从图3中较为清楚的看出，为等腰三角形，等腰三角形的底边处于金刚石层2的外周面上，顶点径向朝外。采用顶点朝外的等腰三角形截面，使得外周凸缘的外沿结构强度较高，不易磨损崩裂，使用寿命较长。当然，这种结构形式的外周凸缘仅是本实施例的复合片所体现的一种具体形式，在其他实施例中，外周凸缘的截面形状也可以为其他形状，例如半球形或矩形或梯形等，或者在其他实施例中，外周凸缘的截面形状仍然为三角形，但并非等腰三角形，如直角三角形或普通三角形，直角三角形的直角边为外周凸缘的下侧面。
本实施例的金刚石复合片上的外周凸缘可以通过模具在硬质合金基体上成型金刚石层时直接成型得到，也可以在成型金刚石层时首先成型出尺寸较大、形状规则的外周凸缘，然后在通过切割的方式加工出特定形状的外周凸缘。
上述实施例所介绍的具有辅助切削刃的金刚石复合片在使用时，通过前后布置的主切削刃和辅助切削刃能够进行双重切削，大大提高了破岩切削效果，进而使得整个钻头的钻进能力和使用寿命。
当然，本发明的具有辅助切削刃的金刚石复合片并不仅限上文介绍的实施例，以下还提供了几种其他基于本发明的设计构思的实施方式。
例如在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，金刚石复合片的金刚石层上端面仅有一个凸脊，即仅形成一个主切削刃，相应地，外周凸缘上仅有一个波峰，构成与主切削刃周向对应的辅助切削刃；或者，金刚石层上端面成型有更多凸脊，形成更多数量的主切削刃，相应地，外周凸缘在周向上成型有多个波峰，形成与各个主切削刃相对应的多个辅助切削刃。
例如在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，外周凸缘并非为封闭环形，而是在周向上断续布置而形成多段结构，各段均对应于一个主切削刃，各段上形成有波峰，构成辅助切削刃。
再例如，在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，外周凸缘的上表面为波浪形且在波峰位置形成辅助切削刃，外周凸缘的下表面为环形平面，采用环形平面作为外周凸缘的下表面，在加工成型时，不受外周凸缘上表面形状的影响，制造成本低。
或者在其他实施例中，与上文介绍的实施例不同的是，外周凸缘在高度方向上处于金刚石层的中部位置，此时相应的需要增大环形凸缘的外径和厚度。
本发明的钻头的具体实施例：包括钻头基体以及安装在钻头基体上的多个金刚石复合片，其中金刚石复合片的具体结构可以与上文介绍的多种具有辅助切削刃的金刚石复合片的结构相同，本文不再赘述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，本发明的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种具有辅助切削刃的金刚石复合片，包括：
硬质合金基体以及固结在硬质合金基体端部的金刚石层；
金刚石层的端面成型有一个或两个以上在径向方向上延伸至金刚石层边缘或靠近边缘位置处的凸脊，而使金刚石层的上表面形成凸起的主切削刃；
金刚石层上端面的边缘处设有倒角；
其特征是，金刚石层的外圆周面上具有在周向上延伸的外周凸缘；
外周凸缘的上表面具有波峰，所述波峰与主切削刃在周向上相对应而形成辅助切削刃。
2.根据权利要求1所述的具有辅助切削刃的金刚石复合片，其特征是，所述主切削刃有两个以上，所述外周凸缘为封闭环形而环绕在金刚石层的外周，外周凸缘的上表面具有数量与主切削刃的个数相等的波峰而形成高低起伏的波浪面。
3.根据权利要求1或2所述的具有辅助切削刃的金刚石复合片，其特征是，外周凸缘上表面上的处于辅助切削刃周向两侧的坡面形状与金刚石层上表面上的处于主切削刃周向两侧的坡面形状一致。
4.根据权利要求1或2所述的具有辅助切削刃的金刚石复合片，其特征是，所述外周凸缘在周向各处的截面形状均相同。
5.根据权利要求4所述的具有辅助切削刃的金刚石复合片，其特征是，所述外周凸缘的截面形状为三角形。
6.根据权利要求5所述的具有辅助切削刃的金刚石复合片，其特征是，所述外周凸缘的截面形状为等腰三角形，且等腰三角形的顶点径向朝外。
7.根据权利要求1或2所述的具有辅助切削刃的金刚石复合片，其特征是，所述外周凸缘的下表面为环形平面。
8.根据权利要求1或2所述的具有辅助切削刃的金刚石复合片，其特征是，所述外周凸缘在上下方向上处于金刚石层的靠近上端面的位置处。
9.一种钻头，包括钻头基体以及安装在钻头基体上的多个金刚石复合片，其特征是，所述金刚石复合片为权利要求1-8任意一项所述的具有辅助切削刃的金刚石复合片。
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|---|---|---|---|---|
| WO2023165609A1 (zh) * | 2022-03-03 | 2023-09-07 | 中石化江钻石油机械有限公司 | 抗冲击多切削刃金刚石复合片和钻地工具 |
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