DE3215698A1

DE3215698A1 - Verfahren zum herstellen eines bohrmeissels

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Publication number: DE3215698A1
Application number: DE19823215698
Authority: DE
Inventors: Lot William jun. 75238 Dallas Tex. Short
Original assignee: NL Industries Inc
Current assignee: NL Industries Inc
Priority date: 1981-04-30
Filing date: 1982-04-27
Publication date: 1982-12-02
Also published as: GB2099044A; NO820504L; JPS57187492A; FR2504836A1; US4453605A; NL8201761A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Bohrer und Verfahren zur Herstellung von Bohrern, insbesondere Blatt- oder Spaten-Bohrmeißel (drag type bits). Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf durch Metallkeramik hergestellte Bohrer, wobei die Schneiden in im wesentlichen geschlossenen, in ihren Abmessungen kontrollierten Taschen eingelötet oder geschweißt werden, die in dem Grundmaterial des Bohrers ausgebildet sind.

Die Verwendung von Bohrern der Schleppbauart beim Erbohren von Quellen, insbesondere Öl- und Gasquellen, ist an sich bekannt. Der typische Bohrer der Schleppbauart dient zur übertragung des Gewichtes des Bohrgestänges auf den Bohrlochgrund. Die von der Unterseite des Bohrers vorstehenden Schneiden dienen zum Einschneiden in das Gebirge, wenn der Bohrer sich dreht. Bei extrem hartem Gestein zerbrechen die Schneiden im wesentlichen das Gestein mittels der großen Druckkraft, die auf das Gestein ausgeübt wird. Bei einem derart harten Gestein können die Schneiden aus verhältnismäßig kleinen Diamanten, z.B. 1/10 Karat, bestehen. Bei weicher Formation durchpflügt der Bohrer der Dregg-Bauart im wesentlichen das Gestein. Der typische, bei verhältnismäßig weichem Gestein verwendete Bohrer kann große Schneiden, von z.B. 2 Karat_/aufweisen.

Zahlreiche Überlegungen müssen bei der Konstruktion eines Bohrers der Dregg-Bauart in Betracht gezogen

werden. Wie oben erwähnt, wird die Schneidengröße in der Regel durch die Härte des Gebirges bestimmt. Ferner kann für die Schneide ein bestimmtes Profil gewählt werden, das z.B. rund oder V-förmig sein kann. Die ^ασ Konzentration und die Anordnung der Diamanten entlang der Vorderseite des Bohrers können bei der Durchführung

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des Bohrvorgancfs kritisch sein.

Den hydraulischen Eigenschaften des Bohrers muß besonders sorgfältige Beachtung geschenkt werden, da der Bohrer verhältnismäßig kühl bleiben muß, und das Bohrklein muß sofort aus dem Zwischenraum entfernt werden, damit es nicht erneut vom Bohrer erfaßt wird. Zu diesem Zweck sind komplizierte Wasserwege oder Flüssigkeitsbahnen auf der Vorderseite des Bohrers vorgesehen, um den Bohrschlamm auf die Vorderseite des Bohrers zu richten und dessen Kühlung und Säuberung zu erreichen. Typische hydraulische Konstruktionen sehen entweder eine radiale Strömung oder eine Strömung in Umfangsrichtung oder gewisse Kombinationen derselben vor. Die Hydraulik des Bohrers wird auch durch das "Profil" des Bohrers beeinflußt, d.h. durch den Radius der Krümmung an der Vorderseite des Bohrers.

Kommerzielle Bohrer der Dregg-Bauart, die gegenwärtig benutzt werden, werden in der Regel mittels metallkeramischer Verfahren hergestellt, wobei eine Graphitform der Form des Bohrers entsprechend hergestellt wird.

in der Form sind Vertiefungen sorgfältig angeordnet und es werden natürliche Diamantschneiden in die Vertiefungen eingeklebt. Ein Wolframcarbidpulver wird in die Form hineingegeben, das in einem Ofenzyklus mit einer Kupferlegierung mit einem Stahlschaft an Ort und St He infiltriert wird. Die maximale Temperatur in dem Ofenzyklus kann im Bereich von etwa 1204⁰C liegen. Der Bohrer wird dann der Form entnommen und wird durch Anschweißen einer Verlängerung einschließlich des Zapfens an dem Stahlschaft sowie durch eine Endverarbeitung fertiggestellt.

Neuere Entwicklungen in der Herstellung von Bohrern der Dregg-Bauart deuten auf die Möglichkeit hin, Bohrrohlinge mit synthetischen polykristallinen Diamanten als Schneiden zu verwenden. Diese synthetischen Schneiden haben den einzigartigen Vorteil einer einheitlichen Form gegenüber den unterschiedlichen Formen natürlicher Diamanten. Die derzeit verfügbaren synthetischen Diamant-Bohrrohlinge können jedoch nicht in dem Grundmaterial vor dem Brennen im Ofen plaziert werden, wie es mit den natürlichen Diamanten möglich ist, weil der synthetische Diamant Temperaturen im Bereich von 1204⁰C nicht standhält.

Synthetische polykristalline Diamanten in einer Scheibenform wurden unmittelbar auf den Grundkörper eines Bohrers der Dregg-Bauart zur Verwendung bei weichem Gestein aufgelötet. Bis heute sind die synthetischen Diamantscheiben, die an Bohrern der Dregg-Bauart befestigt werden, verhältnismäßig groß, z.B. 12,7 mm, und zwar infolge der Grenzen einer zuverlässigen Befestigung der Schneide an dem Grundmaterial des Bohrers. Da die Schneiden nicht in einer einzigen Ebene angeordnet werden, bedarf es einer besonderen Art der Befestigung der Schneiden an dem vorhergehend geformten und gebrannten Bohrkopf.

Es wurde vorgeschlagen, Belastungsgewicht und verschiedene Steuernockenanordnungen zu verwenden, um die synthetischen Diamantschneiden während des Lötens zu befestigen. Diese Befestigungsverfahren haben sich jedoch als äußerst komplex und unzuverlässig erwiesen. Es wurde auch vorgeschlagen, die synthetischen Diamantschneiden unter Verwendung von Distanzstücken aus einem hochdehnbaren Metall zu befestigen, das sich während

des Erhitzens beim Lötvorgang ausdehnt und nach dem Kühlen entfernt werden kann. Dieser Versuch ist ebenfalls gescheitert. Es ist daher ersichtlich, daß ein akutes Bedürfnis für einen Bohrer mit fest angebrachten Schneiden, z.B. synthetischen polykristallinen Diamantschneiden, besteht, die nach dem Brennen im Ofen an dem Grundmaterial des Bohrkopfes befestigt werden. Verbesserte Befestigungsverfahren ermöglichen die Verwendung verhältnismäßig kleiner Schneiden für den Betrieb in mittlerem und hartem Gestein.

Es wurden verschiedenartige Verfahren für die tangentiale Befestigung von Schneiden an dem Bohrer unter Verwendung von Lötverfahren vorgeschlagen. Bei gegenwärtig angewandten Verfahren wurde festgestellt, daß das einfache metallurgische Löten normalerweise eine ungeeignete Befestigung der Schneide in der Schneidentasche ergibt.

Derzeit wird in der Technik Lötfolie um den Umfang eines Bohrerrohlings oder einer Schneide herumgewickelt und in die Schneidentasche in dem Bohrkopf eingesetzt. Die Lötfolie ist normalerweise 0,0762 mm dick. Um überhaupt eine Lötung zu erreichen, ist es üblich, den Umfang der Schneide mindestens dreimal zu umwickeln. Infolgedessen muß die Toleranz zwischen der Schneide und der Schneidentasche mindestens der dreifachen Dicke der Lötfolie oder 0,2286 mm pro Seite betragen. Um das Einsetzen in die Schneidentasche zu ermöglichen, ir .ß die Abmessungstoleranz größer als 0,2286 mm sein. Es ist bekannt, daß nach dem Brennen annähernd 40% des Lötmaterials verloren ist. Die Toleranzen sind groß, um das Umwickeln der Folie und das Einsetzen in die Tasche an dem Bohrkopf zu erreichen. Ein "Aufkochen" führt zur Ansammlung des Lötmaterials am Boden der Tasche und zur Befestigung der Schneide mit'der 'tasche nur an dieser einen Stelle.

Bei Verwendung von unter dem Warenzeichen STRATAPAX von der Firma General Electric hergestellten Schneiden p. betragen die üblichen empfohlenen Toleranzen 0,22 86 mm pro Seite der Lötfolie mit drei Umwicklungen plus 0,1524 mm für insgesamt 0,381 mm pro Seite zwischen der Schneide und der Tasche.

, ₀ Da außerdem die Lötverfahren hauptsächlich auf eine Aufkochwirkung gerichtet sind, mit der eine Befestigung am Boden der Schneidentasche verbunden ist, ist die Schneidentasche selbst bei kommerziell erhältlichen Bohrern auf weniger als 60 % ihrer Fläche eingeschlossen.

Es wurde festgestellt, daß die Produktionsschneide in der Lage sein muß, einer hohen mechanischen Belastung standzuhalten. Aufgrund dieser mechanischen Belastung und der Unzulänglichkeit der gegenwärtig verwendeten Lötverfahren brechen die Schneiden während ihrer Verwendung. Ein weiteres bei den gegenwärtigen Verfahren zum Befestigen der Schneiden festgestelltes Problem besteht in der Verwendung von Bohrflüssigkeit zum Beseitigen des Bohrkleins und zum Kühlen des Bohrkopfes.

Wenn mit hoher Geschwindigkeit bewegte Flüssigkeiten über den Bohrkopf geführt werden, wird das Lötmaterial teilweise aufgrund der Zwischenräume zwischen der Schneide und der Schneidtasche entfernt.

Die Erfindung überwindet die oben beschriebenen Schwierigkeiten durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bohrkopfes mit einer Arbeitsfläche, die Taschen aufweist, welche so gestaltet sind, daß ein Herauslösen der Schneiden aus den Taschen in einer Richtung quer zur Arbeitsfläche vermieden wird.

Das Verfahren umfaßt die Verfahrensschritte der g mechanischen Verbindung der Schneidtasche mit der Schneide und der metallurgischen Bindung der Schneidtasche mit der Schneide.

Das bevorzugte Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt

, _Q die Bildung eines Bohrkopfes, derart, daß der Bohrkopf eine Arbeitsfläche mit mehreren Taschen aufweist, die so gestaltet sind, daß ein Herauslösen der Schneiden aus den Taschen in einer Richtung quer zur Arbeits- j fläche vermieden wird. Das Verfahren umfaßt ferner die j

5 Befestigung der Schneiden in den Schneidtaschen. ·

Diese Befestigung umfaßt ein Lötverfahren, wobei die Schneide mit einer Lötfolie umwickelt wird, derart, daß die Seiten der Schneide quer zur Ebene der Arbeitsfläche von Lötfolie frei sind, d.h. daß die Unter- ^und Rückseite umwickelt wird, wobei die überschüssige Lötfolie über die Oberseite der Schneide hinaus vorsteht. Das Lötverfahren umfaßt das Erhitzen des Bohrers auf eine bestimmte Löttemperatur, die geringer als die Zersetzungstemperatur der Schneide ist.

Die Befestigung kann auch durch Heißschrumpfen der Schneidentasche auf die Schneide durchgeführt werden, um eine mechanische Verbindung zwischen den beiden zu erzielen.

Das Aufschrumpfen bei der bevorzugten Ausführungsform ist nur aufgrund der Herstellung der Taschen unter kontrollierten Abmessungsbedingungen möglich, damit Toleranzen zwischen der Schneide und der Schneidentasche von weniger als der Hälfte der Schrumpfung der Tasche erreicht werden. Die Schneidentasche wird auch so gestaltet, daß s ^: ο im wesentlichen in Umf ngs-

richtung in einem Bereich von 335 bis 345 eingeschlossen ist.

Die Schneide wird in die Tasche in einer zur Arbeitsfläche des Bohrkopfes parallelen Ebene eingesetzt. Die Taschen werden bei der bevorzugten Ausführungsform zylindrisch mit kreisförmigem Querschnitt geformt und _in damit den zylindrischen Schneiden angepaßt. Ferner besteht der Bohrkopf bei der bevorzugten Ausführungsform aus einem Grundmaterial aus Carbid.

Schneidmesser können ebenfalls auf der Arbeitsfläche J^ des Bohrkopfes ausgebildet werden, die aus mehreren Schneidtaschen bestehen, die sich von der Mitte des Bohrkopfes radial nach außen erstrecken. Um den Bohrkopf von Bohrklein freizuhalten sowie eine Kühlung zu ermöglichen, können außerdem Flüssigkeitsbahnen ^auf dem Bohrkopf vorgesehen sein. Die Kühlwirkung wird ferner durch Düsen verbessert,die innerhalb des Bohrkopfes in einer Ebene angeordnet sind, die parallel zu oder unterhalb der Arbeitsfläche liegt. Die Düsen können aus gesintertem Carbid bestehen.

Das Löten wird bei der bevorzugten Ausführungsform unter Verwendung einer Nickel- Silber-Lötfolie bei einer Löttemperatur von weniger als 815°C oder der Zersetzungstemperatur der Schniede durchgeführt. Die Schneide besteht bei der bevorzugten Ausführungsform aus einem polykristallinen synthetischen Diamantmaterial. Die Schneidfläche der Schneide ist eben und sitzt bei dem bevorzugten Verfahren in der Tasche in einem Spanwinkel im Bereich von 0° bis -30°.

Um einwandfreie Schrumpfeigenschaften beim Erhitzen und Kühlen bei der bevorzugten Ausführungsform zu erreichen, wird der Bohrkopf aus einem Grundmaterial aus Carbid, wie z.B. einem Carbidauflösungsmittel hergestellt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1 eine Unteransicht eines Bohrkopfes, der nach dem erfindungsgemaßen Verfahren hergestellt ist,

Fig. 2 eine Darstellung einer Graphitform zur Erzielung der in Fig. 3 gezeigten Taschen,

Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in Fig. 1, der die gemäß dem Verfahren nach der Erfindung gebildeten Schneidentaschen zeigt,

Fig. 4 eine dreidimensionale Darstellung des Schneideneinsatzes mit einer Lötfolie, die um die Schnei

den gemäß dem Verfahren nach der Erfindung herumgewickelt ist,

Fig. 5 eine in einer Tasche angeordnete Schneide nu .

einem aus einer Folie bestehenden Distanzstück, bevor das Löten durchgeführt wird, und

Fig. 6 einen Querschnitt der Tasche mit der darin angeordneten Schneide nach Beendigung des Lötens.

Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt die fieren stellung von Bohrern und die Befestigung von Schneiden an den Bohrern. Dieses Verfahren überwindet die dem Stand der Technik anhaftenden Schwierigkeiten des Verlustes von aus synthetischem Diamantmaterial hergestellten Schneiden aus dem Bohrkopf durch mechanische

jQ und metallurgische Befestigung der Schneiden an dem Bohrkopf. Ein Bohrer gemäß der Erfindung ist konstruktiv so ausgebildet, daß er die mechanische Verbindung der Schneide mit den auf dem Bohrkopf gebildeten Taschen verbessert, um das Herauslösen der Schneiden aus den Taschen in einer Richtung quer zur Arbeitsfläche des Bohrkopfes zu verhindern. Unter Bezugnahme auf die Figuren, insbesondere Fig. 1, ist ein Bohrkopf 10 vorgesehen. Der Bohrkopf 10 umfaßt eine Arbeitsfläche 12 mit mehreren Taschen 14 zur Aufnahme von Schneiden 16· Die Taschen sind so gestaltet, daß sie ein Herauslösen der Schneiden 16 aus der Tasche in einer Richtung quer zur Arbeitsfläche 12 verhindern.

Der Bohrkopf ist ferner mit Flüssigkeitsbahnen I8 und Düsen 20 versehen. Die Flüssigkeitsbahnen und Düsen sind im Sinne des Entfernens von Bohrklein von dem Bohrkopf während des Betriebs sowie zum Kühlen des Bohrkopfes mit Bohrflüssigkeit wirksam. Die Düsen 20 können aus gesintertem Carbid bestehen und in den Bohrkopf 10 so eingesetzt werden, daß sie in einer Ebene liegen, die parallel zu und unter der Arbeitsfläche 12 liegt.

Die Schneidentaschen 14 sind einander benachbart angeordnet und bilden Reihen 22 von Schneidmessern. Die Flüssigkeitsbahnen 18 und die Düsen 20 sind an dem Bohrkopf 10 den Reihen 22 der Schneidmesser benachbart angeordnet, um die größte Wirkung bei der Beseitigung des gebohrten

Materials und beim Kühlen der Schneiden 16 zu erzielen.

Fig. 2 zeigt eine Graphitform 24 mit einer Reihe von Vorsprüngen 26. Diese Graphitform stellt den Querschnitt einer Graphitform dar, die bei der Herstellung des Bohrkopfes 10 durch Metallkeramikverfahren verwendet wird. Bei Verwendung dieser Verfahren wird die Graphitform der Form des Bohrkopfes 10 entsprechend hergestellt. Mehrere Anflächungen oder Vertiefungszeichen (flats) sind in die Form an Stellen eingearbeitet, die den in dem Bohrkopf herzustellenden Taschen entsprechen. An jeder Vertiefung wird mit der Graphitform 24 zur Herstellung der Tasche ein vorstehender, in Fig. 2 gezeigter Formteil 26 befestigt. Der vorstehende Teil 26 ist so geformt, daß innerhalb der Tasche keine negative Aussparung entsteht. Gemäß bekannten Verfahren wird die Form 24 zunächst mit einem Wolframcarbidpuder gefüllt. Die Form 24 wird dann geschüttelt um den Puder zu kompaktieren und es wird auf den Puder ein aus einer Kupferlegierung bestehendes Bindemittel aufgebracht. Die gefüllte Form wird dann bei einer Temperatur im Bereich von 1149°C gebrannt, so daß das Kupfer schmilzt und den Puder infiltriert. Die Größe des vorstehenden, die Tasche bildenden Teils 26 der Form 24 ist so bemessen, daß die Außenabmessungen geringfügig das fertige Erzeugnis

überschreiten, um eine Schrumpfung während des Brennens des Bohrkopfes 10 zu ermöglichen.

Die gesinterten Carbiddüsen 2O, die in Fiq. 1 dargestellt sind, sind ebenfalls in das Formverfuhren während der Herstellung des Bohrkopfes 10 eingeschlossen. Die Düsen 20 werden so eingefügt, daß sie chließlich in einer Ebene angeordnet sind, die unterhalb der

endgültigen Arbeitsfläche 12 des Bohrkopfes 10 liegt.

_ Die Schneidentaschen 14 sind so geformt, daß sie ο

die Schneiden 16 aufnehmen können. Während des metallkeramisehen Verfahrens werden die in Fig. 3 gezeigten Schneidentaschen in ihren Abmessungen kontrolliert, damit sie einen bestimmten Durchmesser auf-

_in weisen. Der Durchmesser X bei der bevorzugten Ausführungsform liegt im Bereich von 13,563 bis 13,614 mm. Die Schneidentaschen 14, die in Fig. 3 dargestellt sind, sind im wesentlichen eingeschlossen und weisen einen Zwischenraum 15 an der Oberseite der Taschen auf, der

,p- 335 bis 345 überdeckt. Diese konstruktive Ausgestaltung der Schneidentaschen 14 verhindert das Herauslösen der Schneiden 16 aus der Tasche 14 in einer quer zur Arbeitsfläche 12 des Bohrkopfes 10 verlaufenden Richtung. Die dem Bohrkopf 10 zugeordneten Schneiden 14 umfassen bei der bevorzugten Ausführungsform einen Bohrerrohling, der aus einer Vorderseite aus synthetischem polykristallinen Diamant besteht, die auf einer Rückplatte aus Wolframcarbid befestigt ist. Ein von der General Electric Corporation hergestellter Bohrerrohling wurde in Verbindung mit der Erfindung erfolgreich eingesetzt, der eine Vorderseite aus einem synthetischen polykristallinen Diamant unter der Warenbezeichnung "STRATAPAX" aufweist (General Eletric Modell No. 2540-T). Die in Verbindung mit der Erfindung benutzten Schneiden 14 haben Durchmesser von 13,41 mm. Indessen wird auch ein vorverzinnter Rohling vorgeschlagen, dessen Durchmesser im Bereich von 13,462 bis 13,563 mm liegt.

Gemäß Fig. 1 und 3 werden die Schneiden 16 von den Schneidentaschen 14 parallel zur Arbeitsfläche 12 _ aufgenommen. Infolgedessen sind die Schneiden infolge der kontrollierten Abmessung der Taschen 14 und der Verwendung von Schneiden 16 mit einem bestimmten Durchmesserbereich in den Taschen 14 mit Schiebesitz angeordnet. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist für _in den Schiebesitz ei..e Toleranz zwischen der Schneidanordnung 16 und den Taschen 14 von 0,0508 bis 0,0762 mm vorgesehen.

Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt die Herstellung 2g eines Bohrers unter Bildung eines Bohrkopfes mit einer Arbeitsfläche mit Taschen, deren Form das Herauslösen der Schneiden aus den Taschen in eine Richtung quer zur Arbeitsfläche verhindert. Die Taschen werden bezüglich ihrer Abmessung kontrolliert, um entweder eine metallurgische Bindung zwischen der Tasche und der Schneide oder eine mechanische Verbindung der Taschenwände mit der Schneide oder beides zu ermöglichen.

Der Verfahrensschritt der metallurgischen Bindung umfaßt bei der Herstellung eines Bohrerkopfes, wie z.B. des in Fig. 1 gezeigten, ein Lötverfahren. Das Lötverfahren schließt das Umwickeln einer Lötfolie um die Schneiden 16 ein, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Fig. 4 zeigt die Lötfolie 28, die längs der Un erseite 16a und der Rückseite 16b der Schneide 16 anc^ jordnet ist. Die Lötfolie 28 besteht bei der bevorzugten Ausführungsform aus einer Nickel-Silberlegierung mit einer Dicke von annähernd 0,0762 mm. Die Schneiden werden mit der Lötfolie 28 derart umhüllt, ci~°. die überschüssige Folie 30 über, die Oberseite 16c der

Schneiden 16 vorsteht.In dem in die Schneidentaschen gemäß Fig. 5 angeordneten Zustand, steht daher die

überschüssige Folie 30 durch den Zwischenraum 15 in ο

den Schneidentaschen 14 nach außen vor.

Die Lötfolie 28 bildet ein Distanzstück 28a, wenn sie mit den Schneiden 16 in den Taschen 14 angeordnet wird. _n Dieses Distanzstück 28a versetzt die Schneiden 16 in Richtung der Oberseite der Taschen 14 in die Nähe des Zwischenraums 15.Die Umhüllung mit der Folie 2 8 macht es erforderlich, die Schneiden 16 unter Preßpassung in die Taschen 14 einzusetzen. Die Toleranz Y entlang den Seiten der Schneiden 16 quer zur Ebene der Arbeitsfläche, die von Lötfolie frei ist, liegt im Bereich von 0,0508 nun. Die überschüssige Folie 30 hat ein Volumen im Bereich des 4- bis 6-Fachen des Volumens, das durch die Toleranz zwischen den Schneiden 16 und den Taschen

2Q 14 gebildet wird.

Ein bemerkenswertes Merkmal dieses Verfahrens besteht in der Bestimmung der Toleranzen zwischen den Schneiden 16 und den Taschen 14 zur Verbesserung der metallurgisehen Bindung und zur Ermöglichung der mechanischen Verbindung der Schneide mit der Tasche. Bei dem Verfahrensschritt der metallurgischen Bindung oder Lötung nach dem Einsetzen der Schneiden 16 mit der Lötfolie in die Taschen 14 mit Preßpassung, wird der Bohrkopf auf eine vorherbestimmte Löttemperatur im Bereich von nicht weniger als 816 C, aber weniger als der Zersetzungsttmperatur der Schneiden 16,erhitzt. Während dienes Erhitzern« dehnen sich die Taschen im Bereich von etwa 0,1524 mm aus, so daß die überschuss ige Folie 30 in die Taschen eingefÜJIt wird und dabei im wesentlichen den gesamten Umfang der Sehne.! den IG benetzt.

Schließlich sieht; d.uj Verfahren eine Kühlstufe vor, wobei das Lötmaterial 2 8 erstarrt und die Schneiden mit der Innenseite der Taschen 14 fest verbindet.

Die mechanische Verbindung der Schneiden 16 mit den Taschen 14 ist ebenfalls gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines Bohrers gemäß der Erfindung mit oder

jQ ohne metallurgische Bindung vorgesehen. Die Taschen 14, deren Abmessung nach dem Erhitzen des in Fig. 1 dargestellten Bohrkopfes 10 geprüft wird, nehmen einen Schrumpfsitz um die Schneiden 16 herum ein. Die Abmessung ist insofern kritisch, als der Schrumpfsitz zur Erzielung einer mechanischen Halterung auf den Schneiden nur möglich ist, wenn die Toleranz pro Seite geringer als eine Hälfte der Schrumpfung der Taschen ist. Um ferner ein Brechen des den Bohrkopf 10 bildenden Grundmaterials zu vermeiden, müssen die Toleranzabmessungen im Bereich von mindestens 10 % der Schrumpfung pro Seite liegen.

Fig. 6 zeigt das Ergebnis der Kombination der metallurgischen und mechanischen Bindung der Schneiden 16 mit den Taschen 14. In diesem Fall ist das Lötmaterial zwischen den Schneiden 16 und den Taschen 14 so angeordnet, daß es im wesentlichen die Schneiden umgibt. Die Wärmeschrumpfung der Schneidentaschen 14 verringert den Durchmesser der Taschen von X auf X" und stell .

dadurch eine mechanische Halterung der Schneiden 1ö durch die Taschen 14 her.

Bei dem bevorzugten Verfahren wird die Kühlstufe in einer Inertgasatmosphäre oder einer reduzierenden Umgebung, wie z.Z. Wasserstoff, durchgeführt, ler Bohrkopf wird normalerweise für eine Zeitdauer von e wa

drei Stunden gekühlt.

Das Verfahren, durch das die Taschen 14 hinsichtlich

ihrer Abmessungen überprüft wird, ermöglicht es, daß das Lötmaterial im wesentlichen die Schneiden 16 umgibt. Mit auf die Größenordnung von 0,0508 mm einge_n stellten Toleranzen bei der Einnahme des Schrumpfsitzes der Tasche befindet sich das Lötmaterial 28 noch in einem form- oder bildsamen Zustand und wird bis zu einem Punkt zusammengepreßt, bei dem es aus dem Zwischenraum 15 in den Taschen 14 heraustritt, jj. Dies verringert die Gefahr einer Lunker- oder Porenbildung im Lötmaterial, wobei auch ein Aufkochen des Lötmaterials am Boden der Taschen wirksam verhindert wird.

Übliche Lötverfahren umfassen das Umwickeln des gesamten Umfangs des Bohrerrohlirigs mit einer Lötfolie. General Electric empfiehlt, drei Hüllen um die Schneiden plus einer Toleranz von 0,1524 mm zwischen den umhüllten Schneiden und den Schneidentaschen anzuordnen. Dies führt zu einer Toleranz von annähernd 0,3810 mm pro Seite im VergLeich zu 0,0508 mm pro Seite bei der Erfindung. Dieses Toleranzausmaß ist für die Schrumpfpassung und für die metallurgische Verbindung gemäß dem Verfahren nach der Erfindung nicht geeignet.

Darüber hinaus wird durch eine; erhöhte Anzahl von Umwicklungen der Folie um den Umfang der Schneiden herum die mechanische und metallurgische Halterung, wie sie durch die Verfahren nach der Erfindung offenbart ist, nicht erreicht. Eine Zunahme der Umhüllung erfordert eine Tasche größeren Durchmessers zum Einsetzen der Schneiden und der Umhüllung in die Taschen.

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Es ist bekannt, daß nach der Erhitzungsstufe ein

Verlust von etwa 40 Vol.-% des Lötmaterial eintritt. 5

Nach dem Erhitzungsverfahren bleiben daher große Toleranzen zurück, die ein Aufkochen am Boden der Schneidentaschen hervorrufen und in keinem Fall eine mechanische Halterung ermöglichen.

Während die Erfindung in bezug auf bevorzugte Verfahrerund Vorrichtungen beschrieben und dargestellt wurde, ist es für den Fachmann verständlich, daß viele Änderungen und Modifikationen ohne Abweichung von dem

,,- Wesen der Erfindung möglich sind, wie sie In den beigefügten Ansprüchen herausgestellt ist.

Claims

DIPL.-ING. HANS AV. GROENIIVCi PATEXT Λ NWAlT Κ/Ν 18-96 NL INDUSTRIES, INC. 1230 Avenue of the Americas New York, New York 10020 U.S.A. Verfahren zum Herstellen eines Bohrmeißels Patentansprüche

1. Verfahren zum Herstellen eines Bohrmeißels, gekennzeichnet durch die Bildung eines Bohrmeißelkopfes (10) mit einer Arbeitsfläche (12), durch das Ausbilden von Schneidentaschen (14) in der Arbeitsfläche (12) zur Verhinderung eines Herauslösens der Bohrerschneiden

(16) aus den Schneidentaschen (14) in einer quer zu? Arbeitsfläche verlaufenden Richtung.

2. Verfahren zum Herstellen eines Bohrkopfes (10) gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte: Herstellen eines Bohrmeißels mit einer Arbeitsfläche (12.) mit mehreren Taschen (14) zur Vermeidung eines Herauslösens der Bohrerschneide^ (16) aus den Taschen ( 4) heraus in einer Richtung quer zu der Arbeitsfläche (12) und durch das Befestigen der Bohrerschneiden (16) in den Schneidentaschen (14).

SIEBERTSTn. 4 · 8000 XVKCIES 80 · POB 860310 · KABEL: RUEINTATEXT · TEI.. (080) 471070 · TELEX 3-22630

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Befestigung der Bohrerschneiden (16) in den Schneidentaschen (14) durch Löten durchgeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Verlötens der Schneiden (16) mit den Taschen (14) das Umwickeln jeder Schneide (16) mit Lötfolie (28) umfaßt, derart, daß die Seiten der Schneiden (16) in der quer zur Arbeitsfläche (12) verlaufenden Ebene von Lötfolie (28) frei sind und die gesamte überschüssige Lötfolie (30) auf der Oberseite (16c) der Schneiden (16) angeordnet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die überschüssige Lötfolie (30) auf den Schneiden (16) im Bereich des Vier- bis Sechsfachen des Volumens liegt, das durch die Toleranz zwischen der Schneide (16) und der Schneidentasche (14) vor dem Erhitzen gebildet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dieses außerdem den Verfahrensschritt des abgestuften Einsetzens der Schneiden (16) mit Lötfolie (28) in die Schneidentaschen (14) unter Verlagerung der Schneiden (16) in einer Richtung außerhalb der Arbeitsfläche (12) zur Oberseite (16c) der Taschen (14) umfaßt.

7. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Erhitzens des Bohrkopfes (10) auf eine bestimmte Löttemperatur zur Erweiterung der Taschen (14) sowie zum Eindringen der Lötfolie (28) in die Taschen (14) im Sinne eines im wesentlichen vollständigen Umgebens der Schneiden (16).

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8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bestimmte Löttemperatur geringer als die Zersetzunastemperatur der Schneiden ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Aufschrumpfens der Schneidentaschen (14) zur Herstellung einer mechanischen Ve^oindung der Schneidentaschen mit den Schneiden (16) umfaßt.

10. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Befestigung der Schneiden (16) an den Schneidentaschen (14) die Herstellung der mechanischen Verbindung der Schneidentaschen mit ihren entsprechenden Schneiden durch Aufschrumpfen umfaßt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Einpassen durch Aufschrumpfen das Erhitzen des Bohrkopfes (10) auf einer Temperatur umfaßt, die geringer als die Zersetzungstemperatur der Schneiden ist, und daß der Bohrkopf anschließend in einer inerten Gasatmosphäre gekühlt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidentaschen auf ihre Abmessungen da' ingehend kontrolliert werden, daß eine Toleranz zwischen der Schneide und der Schneidentasche pro Seite vorhanden ist, die kleiner als die Hälfte der Schrumpfung der Schneidentaschen nach dem Erhitzen und Abkühlen ist.

13. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidentaschen in dem Bereich von 335 bis 345° im wesentlichen umschlossen sind.

14. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für den Bohrkopf (10) ein Material mit Schrumpfeigenschaften verwendet wird, die größer als die Toleranz zwischen der Schneide und der Schneidtasche sind.

15. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der Schneidentaschen dahingehend kontrolliert wird, daß eine Toleranz zwischen der Schneide und der Schneidentasche pro Seite vorliegt, die geringer als die Hälfte der Schrumpfung der Schneidentasche nach dem Erhitzen ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß für den Bohrkopf ein Material,mit Schrumpfeigenschaften verwendet wird, die größer als die Toleranz zwischen der Schneide und der Schneidentasche sind.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidentaschen eine im wesentlichen zylindrische Form mit einem kreisförmigen Querschnitt zur Anpassung an die zylindrischen Schneiden aufweisen.

18. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf (10) aus Karbid als Grundmaterial gebildet ist.

19. Verfahren zur Bildung eines Bohrkopfes, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

Bilden eines Bohrmeißels mit einer Arbeitsfläche,

die mehrere Taschen aufweist, die ein örtliches Herauslösen der Schneiden aus den Taschen heraus in einer Richtung auer zur Arbeitsfläche verhindern ^q sollen;

Einsetzen von Schneiden mit einer Schneidfläche in die Taschen in einer zur Arbeitsfläche parallelen Ebene, wobei die Schneidfläche in einer zur Arbeitsfläche quer verlaufenden Fläche liegt; und

Befestigen der Schneiden (16) in den Taschen (14) durch Einsetzen der Schneiden mittels Wärmeschrumpfung zum Verhindern eines axialen Herauslösens der Schneiden.

20. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt des Umwickeins der Schneiden mit Lötmaterial, derart, daß die Seiten der Schneiden quer zur Ebene der Arbeitsfläche von Lötmaterial frei sind und durch Einsetzen der mit Lötmaterial umwickelten Schneide in die Schneidentasche vor der Einpassung mittels Wärmeschrumpfung.

21. Verfahren nach Anspruch 19, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt der Bildung von Reihen Schneidmessern die eine Mehrzahl der genannten Schnaidentaschen (14) aufweisen, die sich von der Mitte des Bohrkopfes aus radial nach auswärts erstrecken.

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22. Verfahren zum Befestigen der Schneiden in einem Bohrkopf mit mehreren Taschen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden (16) in den Taschen (14) durch metallurgische Befestigung der Schneiden positioniert werden, wobei durch Wärmeschrumpfung die Taschen mit den Schneiden in den Taschen mechanisch verbunden werden.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,

daß der Verfahrensschritt der metallurgischen Befestigung der Schneiden in den Taschen das Löten der Schneiden mit einer Folie aus einer Nickel-Silber-Legierung umfaßt, wobei der Verfahrensschritt des Lötens einschließt: ■

das Umwickeln der Schneide mit der Folie derart, daß die Unter- und Rückseite jeder Schneide bedeckt wird und überschüssige Folie des Vier- bis Sechsfachen des durch den Zwischenraum zwischen der Schneide und der Tasche gebildeten Volumens oberhalb jeder Schneide hervorragt;

Einsetzen der Schneiden mit der Lötfolie in die Schneidentasche; und

Erhitzen des Schneidkopfes auf eine Temperatur, die geringer als die Zersetzungstemperatur der Schneiden ist, damit die Schneidentasche sich ausdehnt und das Eindringen des Lötmaterials in die Tasche ermöglicht.

24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt der Wärmeschrumpfung das Kühlen des Bohrkopfes in einer Inertgasatmosphäre zur mechanischen Verbindung der Schneidentaschen mit den entsprechenden Schneiden umfaßt.

25. Bohrer, gekennzeichnet durch ein Organ, das eine Arbeitsfläche (12) mit mehreren Taschen (14) sowie Schneiden (16) aufweist, die in den Taschen angeordnet und mittels metallurgischer Verbindung zwischen den Wänden der Tasche und der Schneide sowie durch mechanische Verbindung zwischen der Schneidentasche und der Schneide mittels Wärmeschrumpfung der Wände der Tasche um ui,e Schneide herum befestigt sind.

26. Bohrer nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneidentaschen (14) so angeordnet sind, daß sie Reihen (22) von Schneidmessern bilden, die sich von der Mitte des Bohrerkopfes radial nach außen erstrecken.

27. Bohrer nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche (12) mit Flüssigkeitsbahnen (18) auf der Arbeitsfläche (12) versehen ist, um die Kühlung des Bohrkopfes während des Betriebs zu verbessern.

28. Bohrer nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch Düsen (20) zur Reinigung des Bohrkopfes von Bohrklein und zum Kühlen des Bohrkopfes.

29. Bohrer nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (20) gesinterte Karbiddüsen sind, die innerhalb des Bohrkopfes in einer zur Arbeitsfläche (12) parallelen Ebene und in unmittelbarer Nähe der Schneiden (16) angeordnet sind.

30. Bohrer, gekennzeichnet durch einen Bohrkopf (10) mit einer Arbeitsfläche (12), die mit mehreren Taschen

zum Verhindern eines Lösens der Schneiden (16) aus den Taschen (14) in einer Richtung quer zur Arbeitsfläche (.12) versehen ist, wobei die Taschen zur Aufnahme der Schneiden (16) im allgemeinen parallel zur Arbeitsfläche (12) dienen.

31. Bohrer, gekennzeichnet durch ein Organ mit einer Arbeitsfläche (12) mit mehreren Taschen (14), Schneiden (16) mit einer Schneidfläche in einer zur Arbeitsfläche (12) quer verlaufenden Ebene, wobei die Schneiden (16) in den Taschen (14) durch metallurgische Bindung zwischen den Wänden der Taschen (14) und den Schneiden (16) sowie durch mechanische Verbindung mittels Wärmeschrumpfung der Wände der Taschen (14) auf den Schneiden (16) befestigt sind.

32. Bohrer nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß Lötmaterial zwischen den Schneiden (16) und den Schneidentaschen (14) für die metallurgische Bindung angeordnet ist.

33. verfahren zum Befestigen von Schneiden an einem Bohrkopf mit einer Arbeitsfläche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

Herstellung von Schneidmessern auf der sich von der Mitte des Bohrkopfes radial nach außen erstreckenden Arbeitsfläche, wobei die Schneidmesser mit mehreren in ihrer Abmessung kontrollierten und im wesentlichen eingeschlossenen Taschen zur Aufnahme der Schneiden

versehen sind;
35

Umwickeln jeder Schneide mit einem Streifen Lötfolie auf der Rückseite und Unterseite der Schneide, wobei

überschüssige Folie von der Oberseite der Schneide vorsteht;

Einpassen der umwickelten Schneide in die Schneidentasche parallel zur Arbeitsfläche;

Erhitzen des Bohrers auf eine bestimmte Löttemperatür zur Erweiterung der Schneidentasche, so daß die Lötfolie in die Tasche eindringen kann und die Schneide im wesentlichen umgibt; und

Kühlen des Bohrers in einer reduzierenden Atmosphäre zur Erzielung eines Schrumpfsitzes der Schneidtasche auf der Schneide.

34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen zur Aufnahme zylindrischer Schneiden dienen.

35. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Erhitzen des Bohrers in einer geregelten Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.

36. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen des Bohrers in einer geregelten Wasserstoffatmosphäre durchgeführt.

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37. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der Taschen zur Schaffung einer Toleranz pro Seite zwischen den Taschen und den Messern von weniger als der Hälfte der Schrumpfung der Taschen aufgrund der Erhitzung

°° und Kühlung des Bohrkopfes kontrolliert wird, um dadurch eine mechanische Halterung der Schneiden durch die Taschen zu erreichen.

38. Verfahren zum Herstellen eines Bohrers, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

Bilden eines Bohrkopfes durch eine Metallkeramik unter Verwendung einer Graphitform mit einer Reihe von VorSprüngen zur Formung von Taschen, wobei die Vorsprünge Außenabmessungen aufweisen, die gering-

IQ fügig die Innenabmessung der fertigen Taschen zur Ermöglichung der Schrumpfung während des Erhitzens des Bohrkopfes im Ofen übersteigen, und durch Befestigen der mit Schneidflächen versehenen Schneiden in den Taschen durch Bildung mehrerer im wesentlichen geschlossener, im bezug auf ihre Abmessungen kontrollierter Taschen in dem Bohrer, durch Plazieren von Lötfolie auf den Rückseiten und Unterseiten der Schneide mit über die Oberseite der Schneide vorstehender überschüssiger Folie, durch Einpassen der Schneiden und des Lötmaterials in den Schneidtaschen, durch metallurgisches Befestigen der Schneiden in den Schneidtaschen durch Erhitzen des Bohrers auf eine bestimmte Temperatur zur Erweiterung der Schneidtaschen, damit dadurch die Lötfolie in die Taschen eindringen und die Schneiden im wesentlichen umgeben kann, und durch Aufschrumpfen der Schneidtaschen auf die Schneide durch Wasserstoffkühlung des Bohrers.

39. Verfahren zum Herstellen eines Bohrers nach Anspruch 38, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt der Anordnung von aus gesintertem Carbid bestehenden Düsen innerhalb des Bohrkopfes in der Nähe der

Schneiden.
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40. Verfahren zum Herstellen eines Bohrers nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden aus Bohrrohlingen bestehen, die eine Vorderseite aus einem synthetischen polykristallinen Diamant und eine Rückplatte aufweisen, die an der Vorderseite befestigt ist.

41. Verfahren zum Herstellen eines Bohrers nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneiden vorverzinnt werden und einen Durchmesser im Bereich von 13,462 bis 13,563 mm aufweisen.

42. Verfahren zum Herstellen eines Bohrers nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf aus einem Karbid enthaltendem Grundmaterial gebildet wird.

43. Verfahren zum Herstellen eines Bohrers nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Lötmaterial eine Folie aus einer Nickel-Silber-Legierung ist.

44. Verfahren zum Herstellen eines Bohrers nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß der Bohrkopf aus einem Grundmaterial besteht, das ein Kohlenstoffauflösungsmittel enthält.

45. Bohrer, hergestellt nach dem Verfahren nach Ans;, ruch _1%

46. Bohrer, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 2.

47. Bohrer, hergestellt nach dem Verfahren nach Anspruch 19.

48. Bohrer, hergestellt gemäß dem Verfahren nach Anspruch 38.

49. Verfahren zum Herstellen eines Bohrers nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der Taschen so gesteuert wird, daß sie größer als 10% der Schrumpfung pro Seite aufgrund der Kühlung des Bohrkopfes nach dem Brennen zur Erzielung der metallurgischen Bindung ist, um einen Schrumpfsitz auf der Schneide zu verhindern, der den Bohrkopf zerbricht.

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50. Erdbohrer, der in Verbindung mit einem drehbaren Bohrschaft verwendbar ist, gekennzeichnet durch einen Schaft mit einer Bohrung, durch einen durch Metallkeramik gebildeten Bohrkopf, der an dem Schaft befestigt ist, durch einen Bohrkopf mit einer Krone, die mehrere Schneidmesser unter Bildung von Flüssigkeitskanälen auf der Krone aufweist, wobei jedes Messer mit mehreren in ihrer Abmessung kontrollierten, im wesentlichen geschlossenen Taschen versehen ist, die durch Vorsprünge gebildet sind, welche einer Graphitform zugeordnet sind, die bei der metallkeramischen Herstellung des Bohrkopfes verwendbar ist, durch die Anordnung zylindrischer Schneiden mit einem Schaft und einer mit Diamanten besetzten Vorderseite, wobei jede Schneidenanordnung so dimensioniert ist, daß sie mit Gleitsitz in die Schneidentasche einsetzbar ist, durch Lötmaterial, das zwischen jedem Messer und seinen entsprechenden Messertaschen vorgesehen ist und im wesentlichen die Schneiden zur Befestigung in den Taschen umgibt, und dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen in ihrer Abmessung derart kontrolliert

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werden, daß die Toleranz zwischen den Schneiden und den Taschen pro Seite kleiner als die Schrumpfung der beiden Taschen nach dem Kühlen des Bohrkopfes anschließend an das Erhitzen zur Herstellung der metallurgischen Bindung ist, um einen Schrumpfsitz der Tasche auf der Schneide zu gewährleisten.