DE2220455A1

DE2220455A1 - Bohrmeißel

Info

Publication number: DE2220455A1
Application number: DE19722220455
Authority: DE
Inventors: Christian Neuilly-sur-Seine Rederon (Frankreich)
Original assignee: Compagnie Francaise des Petroles SA
Current assignee: Total Compagnie Francaise des Petroles SA
Priority date: 1971-05-04
Filing date: 1972-04-26
Publication date: 1972-11-16
Also published as: US3768581A; JPS5318963B1; CH552126A; FR2135053B1; GB1394115A; RO64710A; FR2135053A1; CA967945A; DE2220455B2; IT954958B; DE2220455C3

Description

Dipl.-ing. WILFRID RAECK PATENTANWALT

7 STUTTGART 1, MOSERSTRASSE 8 · TELEFON (0711) 244003

24. April 1972 / k - C 78 -

COMPAbNIE PRANCAISE DES PETROLES, S.A. 5, rue Michel-Ange, PARIS l6e /Frankreich

Bohrmeißel

Die Erfindung betrifft einen Bohrmeißel mit hohem Wirkungsgrad und langer Lebensdauer, auf dem als Arbeitsflächen ausgebildete Vorsprünge über die gesamte Oberfläche des Werkzeuges verteilt sind»

In der deutschen Patentanmeldung P 19 54 576.7-24 ist bereits ein Bohrmeißel für sehr hohe Bohrleistungen beschrieben, mit dem aufgrund seiner Bauart und der Zusammensetzung der verwendeten Materialien sehr hohe Vorschubgeschwindigkeiten in allen zu durchdringenden Bodenschichten erreicht werden, unabhängig davon, ob es sich dabei um hartes Gestein oder um lehmige Schichten handelt, die normalerweise Bohrwerkzeuge verschmieren bzw. vollsetzen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer eines Bohrmeißels dieser Bauart weiter zu verbessern, der über die gesamte Oberfläche verteilt angeordnete vorspringende Arbeits- bzw. Angriffsflächen und einen vertieften oder hohlen Mittelabschnitt aufweist, in den die Zuführungsleitungen für Spülflüssigkeit einmünden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Vorsprünge von der Basis bis zur Spitze des Werkzeuges aus ansteigende Treppen bilden, wenn das Werkzeug senkrecht entgegengesetzt zu seiner Bohrstellung steht, wobei die aus radial verlaufenden Gruppen von Vorsprüngen bestehenden, verteilt angeordneten Treppen jeweils wenigstens außerhalb der Vorsprünge an der Spitze des Werkzeuges zwei Radialflächen, eine Umfangsflache und eine obere Fläche aufweisen, wobei die bezüglich der Drehrichtung vordere Radialfläche jedes Vorsprungs einer radialen Gruppe die obere Fläche des benachbarten unteren Vorsprungs schneidet.

Die Erfahrung aus dem Arbeitseinsatz hat gezeigt, daß mit einem solchen Bohrmeißel ein sehr guter Wirkungsgrad erreicht wird, und sich darüber hinaus die Abnutzung beträchtlich verringert. Aufgrund des Umlaufes der Bohrflüssigkeit wird dadurch sämtlicher von den einzelnen Vorsprüngen erzeugter Abrieb beseitigt, so daß sich die Abschnitte der oberen Flächen, die hinter den Umfangsflächen der benachbarten Vorsprünge vertieft oder zurückgesetzt sind, nicht vollsetzen bzw. verkleben können und außerdem eine bessere Kühlung sämtlicher aktiven Abschnitte der Angriffsflächen erzielt werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung besitzen die an der Spitze des Bohrmeißels befindlichen Vorsprünge, d.h. die obersten Vßrsprünge in der oben angegebenen Stellung des Bohrmeißels, vordere Radialflächen, die die oberen Flächen

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der zu Stufen angeordneten Vorsprünge schneiden, und sind in den mittleren vertieften Abschnitt des Bohrmeißels hinein so verlängert, daß jede öffnung einer Zuführungsleitung für Bohrflüssigkeit von der benachbarten Öffnung durch, wenigstens eine der Verlängerungen der benachbarten oberen Vorsprünge getrennt ist«

Auf diese Weise entsteht eine Gruppe günstig angelegter, voneinander getrennter Kanäle, die über die öffnungen gleichen Durchmessers mit Spülflüssigkeit beaufschlagt werden, die an die Leitungen mit gleicher Durchflußmenge angeschlossen sind, so daß die Spülflüssigkeit homogen und gleichmäßig über den gesamten Umfang ander Spitze des Werkzeuges verteilt wird.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Oberflächen des Bohrmeißels zwischen zwei an der Spitze befindlichen Vorsprüngen aus Hinterstützungen, die von einem Abschnitt der rückwärtigen Radialfläche und in der Nähe des oberen Kamms eines Vonprunges geneigt ausgehen und sich bis zur Basis der vorderen Radialfläche des benachbarten Vorsprunges erstrecken. Aufgrund dieses Vorschlages wird erreicht, daß die aus dem vertieften Mittelabschnitt des Werkzeuges kommende und zwischen den Vorsprüngen hindurchströmende Flüssigkeit über die vordere Radialfläche des benachbarten VorSprunges geführt wird und von dort einen Abschnitt der Horizontalfläche des nächst benachbarten tieferen Vorsprunges beaufschlagt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist bei einem Bohrmeißel vorgenannter Bauart die Anzahl von Gruppen stufenförmig angeordneter Vorsprünge dadurch vergrößert, daß zwischen jeweils zwei radialen Gruppen, die sich von einem Vorsprung an der Spitze des Werkzeuges bis zur Basis erstrecken, eine radiale Zwischengruppe angeordnet ist, die

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von der Höhe der Horizontalflächen der Vorsprünge, die den Vorsprüngen an der Spitze des Werkzeuges nach unten folgen, bis zur Basis des Werkzeuges reichen. Die Entfernung zwischen den vorderen Radialflächen der VorSprüngen der Zwischengruppe und den rückwärtigen Flächen der Vorsprünge der benachbarten Radialgruppe ist dabei größer als der Abstand zwischen den rückwärtigen Flächen der Zwischengruppe und den Vorderflächen der Vorsprünge der anderen radial benachbarten Gruppe·

Versuche haben ergeben, daß 'die Erhöhung der Anzahl von Vorsprüngen unter Beachtung und Beibehaltung der stufenförmigen Anordnung zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt und dabei die Spülwirkung der Bohrflüssigkeit über sämtliche Angriffsflächen des Werkzeuges aufrechterhalten bleibt, wobei die der Bohrflüssigkeit in den stufenförmig verlaufenden Hohlkehlen erhöhte Zirkulationsgeschwindigkeit gleichzeitig eine verbesserte bzw. totale Ausspülung des abgeschabten Bohrgutes sowie eine ausgezeichnete Kühlung gewährleistet.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht des Bohrmeißels nach der

Erfindung,
Fig. 2 eine schematische Draufsicht zur Darstellung der zu

radialen Gruppen angeordneten Vorsprünge, Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III in Fig. 2 und Fig. 4 eine schematische Ansicht mit Blickrichtung auf die Umfangsflache eines VorSprungs.

In der perspektivischen Ansicht nach Fig. 1 sitzt der Bohrmeißel auf der Grundfläche eines mit Gewinde versehenen Anschlußstückes 1, mit dem das Werkzeug mit einer Bohrstange verschraubt wird. Jeder Vorsprung 2 besitzt gemäß Fig. 1 und

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eine obere Fläche 2a, eine Umfangsflache 2b, eine vordere und eine hintere Radialfläche 2c bzw. 2d. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind diese Flächen eben, während die radialen Flächen durch HinterStützungen begrenzt bzw. umgeben sind.

Die VorSprünge sind zu radial gerichteten Gruppen 3 und 4 unterteilt, die jeweils die Vorsprü'nge 5 bis 9 bzw. 10 bis enthalten. Entsprechend der Darstellung sind diese Gruppen, in denen die"VorSprünge 9 und 14 an der Spitze des Bohrmeißels liegen, durch radial gerichtete Zwischengruppen 33» bestehend aus den Vorsprüngen 15 bis 18, voneinander getrennt.

Zusätzlich zu der in Radialrichtung verlaufenden Unterteilung besteht auch noch eine Gliederung der VorSprünge in höhenmäßig abgestufte Kreisringe. Beim gewählten Beispiel sind die Vorsprünge 5 bis 8, 10 bis 13 und 15 bis 18 auf vier Kreisringen angeordnet, wobei die Vorsprünge 5» 15 und 10 auf dem konzentrischen Kreisring mit dem größten Durchmesser und die Vorsprünge 8, 18 und 13 auf dem mit dem kleinsten Durchmesser liegen. Die Oberseiten dieser Vorsprünge sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel eben und waagerecht und somit in der gleichen Ebene angeordnet.

Die Vorsprünge 9» I^, 19,20 usw. an der Spitze des Bohrmeißels sind mit Verlängerungen versehen, die sich gemäß Flg. 3 in den vertieften bzw. ausgenommenen Mittelabschnitt des Bohrmeiße,§i hineinerstrecken. Diese Vorsprünge besitzen genau wie die ümfangsflächen der anderen Vorsprünge ebene Umfangsflächen 20b, sind jedoch an ihrer Oberseite mit einer Folge von Zähnen 20a versehen, die über den gesamten Verlängerungsbereich bis in den Mittelabschnitt des Bohrmeißels hinein verläuft.

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Am Boden der Ausnehmung 21 befinden sich entsprechend Fig. vier öffnungen 22 bis 25» über die die Zuführungsleitungen für Spülflüssigkeit münden. Die Vorsprünge lH_t 20, 26 und trennen jeweils zwei benachbarte öffnungen ab, wobei z.B. der Vorsprung lh die öffnungen 22 und 25 gegeneinander abteilt.

Die anderen Vorsprünge 9, 19» 3^ und 35 besitzen Verlängerungen, die auf der Wand des vertieften Abschnittes 21 in einem Abstand vom Boden enden, der der/unbehinderten Abfluß des abgeschabten und durch die Spülflüssigkeit mitgenommenen Bohrgutes ermöglicht. Das Bohrgut wird über die öffnungen weggespült und dann so kanalisiert bzw. geführt, daß zwischen den inneren Verlängerungen der Vorsprünge der verschiedenen radialen Gruppen jeweils eine bestimmte Durchgangsmenge gewährleistet ist.

Gemäß Fig. 4 sind die Vorsprünge geneigt, so daß sie jeweils den gleichen Schnittwinkel zwischen 6 und l4° aufweisen. Sämtliche am Umfang des Bohrmeißels liegenden Vorsprünge, z.B. der Vorsprung 5» überragen untere Flächen, die bezüglich der Umfangsflächen 5b leicht zurückgesetzt sind. Außerdem sind sämtliche. Umfangsflächen, z.B. 28b nach Fig. 3» leicht zur Horizontalfläche 29a des darunter liegenden Vorsprunges geneigt, so daß ein Span- oder Brustwinkel zwischen 1° und entsteht In Fig. 3 gibt die der Linie 30 das Profil des Bohrmeißels zwischen zwei radialen Gruppen von VorSprüngen wieder und die Linie 36 das Profil der Vorsprünge der von dem Vorsprung 20 ausgehenden radial verlaufenden Gruppe.

Gemäß einer ersten Ausführungsform ist jeder Vorsprung an seiner rückwärtigen Radialfläche durch eine HinterStützung versteift, die den oberen Rand der Radialfläche von einem benachbarten Abschnitt ausgeht und bis zur Basis der vorderen Radialfläche des nächst folgenden Vorsprunges geneigt verläuft .

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Bei einer zweiten Ausführungsform sind gemäß Fig. 1 die vorderen und hinteren Radialflächen der an der Spitze des Bohrmeißels angeordneten VorSprünge mit HinterStützungen versehen, die sich an die HinterStützungen des Jeweils benachbarten Vorsprunges derart anschließen, daß der Verbindungsbereich 31 zwischen den HinterStützungen der Vorsprünge 9 und 14 jewels die tiefste Stelle der Bohrmeißelspitze bildet. Diese Stelle dient als Durchlaß für die Bohrflüssigkeit, die durch die Zwischenräume zwischen den radial verlaufenden Gruppen von Vorsprüngen hindurchströmt. Diese Stelle kann leicht in Richtung auf die vordere Radialfläche desjenigen Vorsprunges versetzt sein, der in Drehrichtung des Werkzeuges unmittelbar nachfolgend angeordnet ist.

Da der Verbindungsbereich beispielsweise einer HinterStützung 32 der hinteren Radialfläche eines, Vorsprunges 18 mit der vorderen Radialfläche des nachfolgenden Vorsprunges 8 die Horizontalfläche des Vorsprungs 7 hinter der Schnittlinie des Vorsprungs 8 mit der Horizontalfläche des VorSprungs 7 schneidet, kann die zwischen den beiden an der Spitze des Werkzeuges befindlichen Vorsprüngen 9 und 14 hindurchströmende Flüssigkeit die HinterStützungen, die in Radialrichtung kaskadenförmig aneinander anschließen, und auch die vorderen Radialflächen und Horizontalflächen sämtlicher Vorsprünge freispülen, so daß unter allen Umständen das Vollsetzen oder Verstopfen des Bohrmeißels vermieden wird.

Die mittlere Gruppe 33 zwischen den Radialgruppen 3 und 4 liegt der Gruppe 3 näher als der Gruppe 4, so daß die Durchflußmenge von Spülflüssigkeit zwischen den Vorsprüngen 9 und 14 sich vorteilhafterweise in einen ersten Strom zwischen den Gruppen 3 und 33 und in einen zweiten Strom zwischen den Gruppen 33 und 4 aufteilt und sich nicht nur oder nahezu vollständig in die Abstandskehle zwischen den Gruppen 3 und 33 ergießt.

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C 78 - 8 -

Gemäß einer besonderen Ausführungsfprm besitzen die Vorsprünge jeweils der gleichen Gruppe an der Schnittstelle ihrer Horizontal- und Umfangsflächen Kanten, die in einer gleichen Ebene liegen. Diese Anordnung ermöglicht es besser, die auf die einzelnen Vorsprünge wirkenden Beanspruchungen zu verteilen. - Die Länge der Vorsprünge in ümfangsrichtung ist entsprechend Fig. 1 und 2 vorzugsweise bei den radial äußeren bzw. tieferen Vorsprüngen 5» 10, 15 größer als bei den weiter radial innen liegenden Vorsprüngen 6, 11, 16 usw.. Die vorderen Radialflächen ζο der Vorsprünge jeweils einer Gruppe können bei den äußeren Vorsprüngen in Drehrichtung des Bohrmeißels weiter vorspringen als bei den weiter innen bzw. weiter oben liegenden Vorsprüngen.

Abgesehen von den vorangehend beschriebenen AusführungsbeispjfiLen können selbstverständlich im Rahmen der Erfindung weitere Zwischengruppen von Vorsprüngen vorgesehen werden, die sich von der Basis des Bohrmeißels bis zu einer Höhe unterhalb des obersten Vorsprunges einer bereits beschriebenen Zwischengruppe erstrecken. Die an der Spitze des Bohrmeißels befindlichen Vorsprünge können außerhalb des mittleren Abschnittes des Bohrmeißels gleichförmig ausgeführt sein, und die in das Innere des Mittelabschnittes verlaufende Verlängerung braucht nicht unbedingt die gezeigten Verzahnungen aufzuweisen. Die Zähne der an der Bohrmeißelspitze befindlichen Vorsprünge können aus einer Vielzahl kleiner Kanten bestehen, die parallel zur Drehrichtung des Werkzeuges derart verlaufen, daß zwischen zwei Kanten Vertiefungen oder kleine Auskehlungen entstehen. Die Auslaßöffnungen für Bohrflüssigkeit können durch zusätzliche Öffnungen ergänzt werden. Schließlich können die verschiedenen Oberflächen der Vorsprünge nicht eben sein, und die hinteren Radialflächen können teilweise den Unterteil der Umfangsflache des nächst benachbarten höheren Vorsprunges schneiden.

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C 78 - 9 -

Gemäß einer Variante sind die Schneiden der Zwischengruppen entweder nach oben oder nach unten in einer Höhe etwa entsprechend der Abmessung der verwendeten Diamantkörper versetzt, wobei die Diamanten in die metallische Masse eingebettet sind, aus der die Angriffs- oder Arbeitsabschnitte der Vorsprünge bestehen« Der Versatz kann beispielsweise zwischen einem und mehreren Millimetern variieren. Mit dieser besonderen Anordnung werden größere Bohrtiefen erreicht, ohne das Werkzeug vorzeitig wieder heraufholen zu müssen, und auch eine erhöhte Bohrgeschwindigkeit, unabhängig"von den Eigenschaften der zu durchbohrenden Erdschichten. Versuche mit Bohrmeißeln dieser Art haben erwiesen, daß obere Erdschichten selbst großer Dicke ohne eine nennenswerte Abnutzung der Arbeitsflächen der Vorsprünge durchbohrt werden, so daß beim Auftreffen auf härtere tiefer liegende Schichten auch im Fall der Abnutzung eines Teils der Arbeitsflächen der in Richtung zur Bohrmeißel dennoch in einem einsatz- und arbeitsfähigem Zustand bleibt, da die Beanspruchungen Jetzt erst auf die Schneidender zurückgesetzten Gruppen von Vorsprüngen einzuwirken beginnen.

Dieser geringe Versatz trägt außerdem dazu bei, die gleichmäßige Führung und Verteilung der Spülflüssigkeit zu begünstigen und damit auch die Kühlung,.womit sich der Abnutzungswiderstand des Werkzeuges weiter erhöht.

20⁽JiU7/0 7

Claims

Dipl.-ing. WILFRID RAECK PATENTANWALT 222045 7 STUTTGART 1, MOSERSTRASSE 8 . TELEFON (0711) 244003 AO COMPAGNIE PRANCAISE des PETROLES, Paris 24. April 1972 / k - C 78 - Patentansprüche

1. Bohrmeißel bestehend aus einem kegelstumpfförmigen Werkzeugkörper mit darauf angeordneten ArbeitsvorSprüngen, die aus metallischen Schneidkörpern mit eingebetteten Diamanten bestehen und ,bezüglich der Bohrmeißelachse eine Umfangsflache, zwei Radialflächen und eine obere Fläche aufweisen, die die Radial- und Umfangsflachen schneidet, wobei die Schneidkörper zu konzentrischen Gruppen angeordnet sind und der Werkzeugkörper öffnungen zur Zuführung von Spülflüssigkeit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidkörper (5 - 8, 15 - 18) zu radial verlaufenden Reihen angeordnet sind, und daß die Umfangsflachen (2b) der Schneidkörper der gleichen Radialreihe die obere Fläche C2a) der jeweils benachbarten unteren Schneidkörper schneidet.

2. Bohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkzeugkörper (30) treppenförmig ausgebildet ist und daß die radialen Gruppen von Schneidkörpern derart angeordnet sind, daß die gestufte Oberfläche des Werkzeugkörpers zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schneidkörpern gleichzeitig in Richtung auf die Basis des Werkzeuges und auf die Werkzeugachse bezüglich der Stufung vertieft bzw. zurückgesetzt ist, die durch die oberen Flächen und die Umfangsflachen der Schneidkörper in der gleichen Radialreihe entsteht.

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3« Bohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorderseite (2c) jedes Schneidkörpers einer Radialreihe mit Bezug auf die Drehrichtung des Werkzeuges die obere Fläche (2a) des angrenzenden tiefer liegenden Schneidkörpers schneidet.

4. Bohrmeißel nach Anspruch I₉ dadurch gekennzeichnet„ daß die vorangehende Fläche (2c) der Schneidkörper der gleichen Radialreihe die obere Fläche des angrenzenden tiefer liegenden Schneidkörpers schneidet, wobei die Oberfläche zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schneidenreihen abgestuft und der vordere Bereich der oberen Fläche (2a) jedes Schneidkörpers in Richtung auf die Achse des Werkzeuges bis zur Umfangsfläche einer zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schneidenreihen befindlichen Stufung verlängert ist.

5. Bohrmeißel nach Anspruch 1„ dadurch gekennzeichnet₉ daß die vorderen Radialflächen (2c) bezüglich der Vertikalen geneigt sind und dadurch ein Schnittwinkel zwischen 6° und 14° entsteht.

6. Bohrmeißel nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet _s daß die Umfangsflächeη (2b) der S&meidkörper zur Vertikalen geneigt sind und dadurch ein Spanwinkel zwischen 1° und 6° entsteht.

7. Bohrmeißel nach Anspruch I₈ dadurch gekennzeichnet, daß die Hinterkanten der oberen Flächen (2a) der Schneidkörper der gleichen Radialreihe im itfesentlichen in einer Ebene liegen.

8. Bohrmeißel"nach Anspruch I₃ dadurch gekennzeichnet _s daß die radialen Angriffskanten der oberen Flächen (2a) der Schneidkörper der gleSien konzentrischen Gruppe in der gleiehsa Ebene liegen_o

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9. Bohrmeißel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Angriffskanten am Umfang der oberen Flächen (2a) der Vorsprünge der gleichen konzentrischen Gruppe in einer Ebene liegen.

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