DE2723932A1 - Rotary-bohrmeissel - Google Patents

Rotary-bohrmeissel

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DE2723932A1 DE19772723932 DE2723932A DE2723932A1 DE 2723932 A1 DE2723932 A1 DE 2723932A1 DE 19772723932 DE19772723932 DE 19772723932 DE 2723932 A DE2723932 A DE 2723932A DE 2723932 A1 DE2723932 A1 DE 2723932A1
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Description

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Rotary-Bohrmeissel
Die Erfindung betrifft einen Rotary-Bohrmeissel oder Drehbohrkopf, und insbesondere einen Gesteinsbohrkopf mit polykristallinem Schneidmaterial.
Bei herkömmlichen Rotary-Bohrmeissel η zum Niederbringen von Öl- und Gasbohrungen und zum Kernbohren werden als Schneidelemente (1) Stahlzähne, (2) mit Wolframkarbid plattierte Stahlzähne, (3) Schneideinsätze aus gesintertem Wolframkarbid und (4) Naturdiamanten verwendet, die alle an einer aus Wolframkarbid bestehenden Krone befestigt sind. Wegen der verhältnismässig kurzen Standzeit und/oder Kostspieligkeit dieser konventionellen Bohrmeissel wurde auch bereits vorgeschlagen, synthetische Diamantverbundkörper als Schneidelemente in derartigen Bohrwerkzeugen zu verwenden.
Die bisherigen Versuche mit Diamantverbundschneidkörpern sind jedoch grösstenteils fehlgeschlagen. Bei einem dieser Versuche wurden kreiszylindrische Diamantverbundkörper verwendet, die eine an einer Sinterhartmetallunterlage gebundene polykristalline Diamantschicht aufwiesen. Zur Bildung eines Schneidelementes wurde der Diamantverbundkörper durch Hartlöten am Bohrkopf befestigt oder die Hartmetallunterlage durch Weichlöten an einem Hartmetall stift befestigt, der in eines der zur Aufnahme der Stifte in der Bohrkrone vorgesehenen Löcher eingesetzt wurde. Die Diamantschicht wurde im allgemeinen radial zur Drehachse des Bohrkopfes ausgerichtet und dient als Schneidwerkzeug zum Abtragen des Gesteins in ähnlicher Weise wie der Drehmeissel einer Drehbank zum Abtragen von Metall von einem Werkstück (vgl. die Fig. 1 und 2 der Zeichnung).
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Bei einer derartigen Konstruktion treten nun mehrere Probleme auf, so dass noch weitere Versuche bis zur Serienreife erforderlich sind.
Obwohl die Schneidelemente vom Bohrkopf abstehen und dadurch eine aggressive Schneidwirkung ergeben und reichlich Raum für die Entfernung von Bohrklein freilassen, besteht ein Problem darin, dass in jedem Schneidelement starke Spannungen auftreten und am Bohrmeissel häufig Schaden auftreten, weil die Stifte abgeschert werden oder die Diamantverbundkörper zerbrechen. Die auftretenden Spannungen sind darauf zurückzuführen, dass das meiste Gestein heterogen aufgebaut ist und deshalb Schichten veränderlicher Härte aufweist. Diese Schichten haben zur Folge, dass die beim Bohren auf die Schneidelemente einwirkenden Stosskräfte stark schwanken. Die bekannten Konstruktionen weisen bisher weder die erforderliche Festigkeit auf noch ist die Stossfestigkeit der Diamantverbundkörper hoch genug, um der innerhalb weiter Grenzen schwankenden Stossbeanspruchung standhalten zu können.
Ein weiteres Problem tritt bei der Herstellung des Schneidelementes auf. Zum Hartlöten des Diamantverbundkörpers an den Hartmetallstift sind Temperaturen erforderlich, die bis in die Nähe der für die Diamantschicht schädlichen Temperaturen reichen. Bei vielen Diamantverbundkörpern tritt daher eine Beeinträchtigung der Schneideigenschaften auf, falls die Hartlötung nicht mit grosser Sorgfalt ausgeführt wird.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Diamantverbundkörper bereits bei einer Temperatur in der Grössenordnung von 600 C geschädigt werden können, während eine Temperatur von 1200-1400 C erforderlich wäre, um die Diamantverbundkörper in das verschleiss-
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feste Matrixmaterial der Bohrkrone in ähnlicher Weise einzusintern wie die Naturdiamanten in die Oberfläche einer verschleissfesten Matrix bei der Herstellung von Diamantbohrkronen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Bohrmeissel zu schaffen, bei dem die vorgenannten Probleme weitgehend beseitigt sind. Insbesondere soll das für die Bestückung des Bohrmeissels vorgesehene Schneidelement eine verbesserte Festigkeit und eine höhere Stossfestigkeit aufweisen. Weiterhin sollen die Schneidelemente gleichzeitig mit der Herstellung des Diamantverbundkörpers gebildet werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Bohrmeissel mit einer Vielzahl von Schneidelementen, die reibungsschlüssig in in der Krone des Bohrmeissels vorgesehenen Aussparungen sitzen. Jedes Schneidelement besteht aus einem länglichen Stift mit einer dünnen polykristallinen Schleifmaterialschicht, die mit dem freien Ende des Stiftes verbunden ist.
Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:
Fig. 1A eine Seitenansicht eines bekannten Bohrmeissels, Fig. 1B eine Vorderansicht des Bohrmeissels nach Fig. 1A,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines der beim Bohrmeissel nach den Fig. 1A und 1B vorgesehenen bekannten Schneidelemente,
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Fig. 3A teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 3B eine Vorderansicht der Ausführungsform nach Fig. 3A,
Fig. 4A einen Schnitt durch eines der bei der Ausführungsform nach Fig. 3 vorgesehenen Schneidelemente und
Fig. 4B - 4G Schnitte durch andere Ausführungsformen von Schneidelementen für den Bohrmeissel nach Fig. 3.
Vor Erläuterung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zunächst anhand von Fig. 1A, 1B und 2 ein bekannter Rotary-Bohrmeissel und die dabei verwendeten Schneidelemente erläutert.
Der in den Fig. 1A und 1B dargestellte Rotary-Bohrmeissel oder Drehbohrkopf besitzt einen länglichen Schaft 11 und eine Bohrkrone 13, die mit Schneidelementen 15 bestückt ist, die in nicht dargestellten Aussparungen befestigt sind. In der Bohrkrone 13 ist eine Reihe von Kanälen 1 7 vorgesehen, über die beim Bohren Kühlflüssigkeit in den Zwischenraum zwischen Bohrkrone und umgebendem Gestein gelangen kann. Über einen sich in Längsrichtung durch den Bohrmeissel erstreckenden Durchgang 18 kann Flüssigkeit zur Unterstützung der Entfernung von Schlamm und abgetragenen Gesteinsteilchen zugeführt werden.
Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines der in Fig. 1 dargestellten Schneidelemente 15. DasSchneidelement 15 weist einen länglichen Stift 19 auf, der vorzugsweise aus Sinterhartmetall (gesintertes Gemisch aus einem Bindemetall und Karbid) besteht und mit einem Schneidkörper oder Schneidplättchen 21 bestückt ist, das an einen am einen
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Ende des Stiftes 19 vorgesehenen Abstufung 23 befestigt ist. Der Schneidkörper 21 weist eine dünne polykristalline Diamantschicht 25 auf, die an einer Hartmetalluntertage 27 gebunden ist. Der Schneidkörper 21 wird gewöhnlich in der Abstufung 23 durch Weich- oder Hartlöten befestigt. Wie bereits eingangs dargelegt worden ist, hat ein derartiges Schneidelement sich als nicht brauchbar erwiesen, weil die polykristalline Diamantschicht 25 häufig bei den zur Herstellung einer hochfesten Lötverbindung zwischen dem Schneidkörper 21 und dem Stift 19 erforderlichen hohen Temperaturen Schaden erleidet.
Der Schneidkörper 21 kann gemäss US-PS 3 745 623 hergestellt werden.
In den Fig. 3A und 3E3 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines Rotary-Bohrmeissels 49 gemäss der Erfindung dargestellt. Der Bohrmeissel 49 besteht aus einem Schaft 51 und aus einer Bohrkrone 53, in der Schneidelemente 59 in Aussparungen 57 befestigt sind. Der Bohrmeissel ist mit den üblichen in Längsrichtung verlaufenden Kanälen 54 und einem in Längsrichtung verlaufenden Durchgangskanal 56 ausgestattet.
Fig. 4A zeigt eine vergrösserte Ansicht eines der im Bohrmeissel 49 nach Fig. 3 vorgesehenen Schneidelemente 59. Das Schneidelement 59 weist einen länglichen Hartmetallstift 61 und eine dünne polykristalline Diamantschicht 63 auf, die mit dem einen Ende 66 des Stiftes verbunden ist. Die polykristalline Diamantschicht besitzt beispielsweise eine Dicke von 0,1 bis 0,5 cm. Am Stift 61 ist ein halbkugelförmiger Fortsatz 65 mit verringertem Durchmesser (in bezug auf den Durchmesser des Endes 66) vorgesehen, über den die Diamantschicht 63 in Form einer halbkugelförmigen Kappe angeordnet und direkt mit dem Stiftmaterial verbunden ist. Der Körper des Stiftes 61 läuft in Längsrichtung unter einem Winkel \X konisch zusammen, wobei der Winkel <Λ zwischen einer parallel zur
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Längsachse verlaufenden Linie und der Umfangsfläche des Schneidelementes 59 gemessen wird. Der Winkel»X Hegt vorzugsweise zwischen 2 und 4 . Der Konus ist so gewählt, dass bei der Montage in der Aussparung 57 der Krone 53 eine selbsthaltende oder selbstsperrende Reibungsschlussverbindung entsteht. Zur Erzielung einer reibungsschlüssigen Verbindung zwischen Schneidelement 59 und Aussparung 57 ist die Konizität des Stiftes 61 an irgendeinem gegebenen Durchmesser längs der Länge des Stiftes 61 in bezug auf den entsprechenden Durchmesser der Aussparung 57 um ungefähr 0,5 bis 1 % grosser , so dass beim Einsetzen des Stiftes 61 in eine Aussparung 57 eine feste Reibungsschlussverbindung zwischen Stift und Aussparung entsteht. Der Stift 61 wird mittels einer hydraulischen Presse oder einer anderen geeigneten Vorrichtung in die Aussparung 57 unter Ausbildung eines Treibsitzes soweit eingetrieben, dass der auf den Stift lastende radiale
2 Pressdruck im Bereich von ungefähr 3500 bis 21 000 kg/cm liegt. Der auf diese Weise eingetriebene Stift weist einen bündigen Reibungsschluss mit der Bohrkrone auf, so dass das Schneidelement den Bohrkräften widerstehen kann und durch die einwirkenden Bohrkräfte nicht aus der Aussparung 57 gezogen werden kann.
Nach einer anderen Ausführungsform kann der Stift 61 auch zylindrisch geformt sein und unter Verwendung eines auf unterschiedliche Wärmeausdehnung der beiden zu paarenden Teile beruhenden Befestigungsverfahren mit Preßsitz in der Aussparung 57 befestigt werden.
Die halbkugelige kappenförmige polykristalline Diamantschicht 63 am Ende des Stiftes 61 bewirkt im Gegensatz zu der beim bekannten Schneidelement auftretenden Schneid- und Schleifwirkung eine Abblätterung verursachende Quetschwirkung, wobei das Gestein unter den von der halbkugeligen Diamantschicht ausgeübten Druckkräften zerstückelt oder
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pulverisiert wird. Aus Fig. 1A und 1B ist ersichtlich, dass die Richtung der Schneidkraft, die vom Schneidelement 15 auf das abzutragende Gestein ausgeübt wird, in bezug auf die Achse des Stiftes 61 einen stumpfen Winkel von ungefähr 135 (Fig. 4A) einschliesst. Die polykristalline Diamantschicht 63 erfährt daher eine massivere Abstützung und kann daher den beim Bohren einwirkenden Stössen und Schlägen besser widerstehen. Die halbkugelige Form gewährleistet auch eine höhere Festigkeit, da eine Kugel eine geometrische Form mit einer höheren Festigkeit darstellt als die beim bekannten Schneidelement vorliegende reguläre Polyederform.
Die beim Bohrmeissel nach der Erfindung verwendeten Schneidelemente können gemäss US-PS 3 745 623 hergestellt werden. Die in diesem Patent beschriebene Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen kann so modifiziert werden, dass ein Schneidelement der in Fig. 4A dargestellten Art geformt wird, so dass anschliessend keine Nachbearbeitung der Diamantschicht mehr erforderlich ist. Die Herstellung erfolgt gemäss dem Verfahren nach der US-PS 3 609 818.
Der Körperteil des Hartmetallstiftes 61 kann nach dem Anformen der Diamantschicht mit Hilfe einer Diamantschleifscheibe auf die für den konischen Teil erforderliche Genauigkeit nachgeschliffen werden. Vorzugsweise wird der Hartmetallstift 61 in das Reaktionsgefäss der Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen als vorgeformter Körper eingesetzt. Man kann natürlich auch den Hartmetallstift 61 erst im Reaktionsgefäss aus einem entsprechenden Pulvei— gemisch formen, das vorzugsweise gemäss Spalte 5, Zeile 58 bis Spalte 6, Zeile 8 der US-PS 3 745 623 aus Wolframkarbidpulver und Kobaltpulver besteht.
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In der US-PS 3 745 623 ist auch dargelegt, dass die die Schicht 63 bildende polykristalline Diamantmasse unter den bei der Herstellung einwirkenden hohen Drücken und Temperaturen zu einer Sinterdiamantmasse verfestigt wird und eine ausgezeichnete Bindung an der Grenzfläche zwischen der Diamantschicht 63 und dem Ende 65 erreicht und dadurch eine gut integrierte Masse an der Grenze zwischen der Diamantschicht 63 und dem Hartmetallstift 61 erzeugt wird. In gegebenenfalls zwischen den Diamantkristallen vorliegende Zwischenräume dringt Sinterhartmetall ein, das bei den bei der Herstellung verwendeten Temperaturen etwas plastisch wird. Durch das an der Grenzfläche in die Diamantschicht eingedrungene Sinterhartmetall wird also eine feste mechanische Verankerung der Diamantteilchen mit dem Hartmetall gewährleistet.
Da bereits bei der Herstellung eine direkte Bindung zwischen der polykristallinen Diamantschicht una dem Hartmetall des Stiftes erzielt wird, erübrigt sich natürlich die Zwischenschaltung einer beispielsweise durch Löten hergestellten Zwischenschicht. Da die polykristalline Diamantschicht direkt durch das in Form eines Stiftes vorliegende Hartmetall eine massive, steife und nicht nachgebende Abstützung erfährt, ist die Gefahr, dass die Diamantschicht zerbricht oder teilweise ausbricht, sehr gering.
Es können natürlich auch andere Ausführungsfornnen des Schneidelementes im Rahmen der Erfindung verwendet werden. In den Fig. 4B bis 4G sind weitere alternative Ausführungsformen des Schneidelementes dargestellt. Die dargestellten Schneidelemente werden entsprechend dem bei der Beschreibung des Schneidelementes 59 erläuterten Verfahren hergestellt. Bei Verwendung von vorgeformten Hartmetallstiften ermöglicht dieses Herstellungsverfahren die Ausbildung komplex geformter
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Grenzflächen zwischen Diamantschicht und Hartmetallstift.
Fig. 4B zeigt eine Ausführungsform eines Schneidelementes 74 mit einem konisch zulaufenden oder kegeligen Hartmetall stift 75, der einen halbkugelförmigen Fortsatz 77 mit verringertem Durchmesser aufweist, auf dem eine Diamantschicht 79 sitzt. Die Diamantschicht 79 weist eine zylindrische Form auf und die Aussenfläche 81 verleiht daher dem Schneidelement 74 eine gewisse Schneidfähigkeit zusätzlich zu der anhand des Schneidelementes 59 nach Fig. 4A erläuterten Quetschwirkung. Beim Schneidelement 74 bricht natürlich auch die Diamantschicht 79 viel leichter als beim Schneidelement 59 nach Fig. 4A.
Die in Fig. 4C und 4D dargestellten Schneidelemente 83 und 85 unterscheiden sich von den in Fig. 4A und 4B dargestellten Schneidelementen dadurch, dass das eine Ende der Hartmetall stifte 87 bzw. 89 von einem halbkugelförmigen Teil 91 bzw. 93 gebildet wird, der den gleichen Durchmesser wie der Stiftkörper hat. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4C weist die auf dem halbkugelförmigen Teil 91 sitzende Diamantschicht 95 ebenfalls eine halbkugelförmige Form auf. Bei der Ausführungsform nach Fig. 4D ist auf dem halbkugelförmigen Stiftende eine zylindrische Diamantschicht 97 vorgesehen.
Fig. 4E zeigt ein Schneidelement 99, dessen Hartmetallstift 101 eine gezackte Stirnfläche 100 aufweist, an die eine Diamantschicht 103 gebunden ist. Die Aussenfläche 105 der Diamantschicht 103 ist kreiszytindrisch und gewährleistet wie die Ausführungsform nach Fig. 4B eine bessere Schneidwirkung. Die gezackte Stirnfläche 100 wird vor dem Aufbringen der Diamantschicht hergestellt, indem in das eine Ende eines vorgeformten Hartmetallstiftes entsprechende Rillen 104 einge-
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arbeitet werden. Diese Rillen verbessern die Verankerung der Diamantschicht 105 auf der Stirnfläche 100. Die Rillen besitzen vorzugsweise eine Tiefe im Bereich von 10 bis 1000 Mikrometer.
Das in Fig. 4F dargestellte Schneidelement 111 besteht aus einem Stift 113 und einer Diamantschicht 115 mit einer halbkugelförmigen Aussen— fläche 117. Die die Diamantschicht 115 tragende Endfläche 119 des Stiftes 113 ist halbkugelförmig ausgebildet und gezackt. Wie im Falle der Ausführungsform nach Fig. 4E gewährleistet die gezackte Endfläche eine verbesserte Haftung der Diamantschicht 115 auf dem Stift.
Das in Fig. 4G dargestellte Schneidelement 131 besitzt einen kegeligen Stift 133 und eine Diamantschicht 135. Die Aussenfläche 137 der Diamantschicht ist im wesentlichen eine halbkugelige Fläche mit einer Reihe von abgeflachten Bereichen 139. Die zwischen den aneinander angrenzenden abgeflachten Bereichen 139 auf der Aussenfläche 137 entstehenden Kanten tragen zu einer Verbesserung der Schneidwirkung bei.
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Claims (12)

  1. Patentansprüche
    1 . Bohrmeissel mit einem länglichen Schaft, an dessen einem Ende eine Krone angeordnet ist, die Aussparungen zur Aufnahme von Schneidelementen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Schneidelement einen länglichen Stift aufweist, der mit einem Ende in einer Aussparung der Krone sitzt, während mit dem anderen Ende eine dünne polykristalline Schneidkristallschicht verbunden ist.
  2. 2. Bohrmeissel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift des Schneidelementes und die den Stift aufnehmende Aussparung konisch ausgebildet sind und der Konus des Stiftes und der Aussparung so aufeinander abgestimmt sind, dass der in der Aussparung sitzende Stift eine radiale Pressung erfährt und in der Aussparung durch eine zwischen Stift und Aussparung vorliegende selbstsperrende Reibungsschlussverbindung gehalten ist.
  3. 3. Bohrmeissel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Konuswinkel des Stiftes und der Aussparung zwischen 2 und 4 liegt.
  4. 4. Bohrmeissel nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift aus einem Stück besteht.
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    Deutsche Bank München. Kto.-Nr. 82/08050 (BLZ 70070010)
    — 2 —
    Postscheck München Nr. 163397-802
  5. 5. Bohrmeissel nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die dünne polykristalline Schneidschicht direkt an den Stift gebunden ist und die Grenzfläche zwischen Stift und Schicht aus dem Werkstoff des Stiftes und Schneidkristallen besteht.
  6. 6. Bohrmeissel nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneidkris^alle aus Diamant und der Stift aus Sinterhartmetall bestehen.
  7. 7. Bohrmeissel nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche der polykristallinen Schicht halbkugelig ist.
  8. 8. Bohrmeissel nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenfläche der polykristallinen Schicht zylindrisch ist.
  9. 9. Bohrmeissel nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das der polykristallinen Schicht gegenüberliegende Ende des Stiftes einen halbkugelförmigen Fortsatz mit verringertem Durchmesser aufweist.
  10. 10. Bohrmeissel nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass das der polykristallinen Schicht gegenüberliegende Ende des Stiftes gezackt ist.
  11. 11 . Bohrmeissel nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift einem radialen Pressdruck im Bereich von
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    ungefähr 3500 bis 21 ooo kg/cm ausgesetzt ist.
  12. 12. Bohrmeissel nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die polykristalline Schicht am Stift durch in die Schicht hineinragendes Stiftmaterial verankert ist.
    7Ü9HS1/Ü673
DE2723932A 1976-06-24 1977-05-26 Drehbohrkrone Expired DE2723932C2 (de)

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