DE68906015T2

DE68906015T2 - METHOD TO MAKE A CUTTING ELEMENT WITH A V-SHAPED DIAMOND CUTTING SURFACE.

Info

Publication number: DE68906015T2
Application number: DE1989606015
Authority: DE
Inventors: D Dennis Mahlon
Original assignee: Diamant Boart Stratabit USA Inc
Current assignee: Diamant Boart Stratabit USA Inc
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1989-02-09
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2009-02-10
Also published as: DE68906015D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Bohrer zum Bohren in unterirdischen Formationen und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung eines diamantbeschichteten Schneidelements mit einer pflugörmigen Schneidfläche.The present invention relates to drill bits for drilling in subterranean formations and, more particularly, to a method of manufacturing a diamond coated cutting element having a plow-shaped cutting surface.

Schneidelemente mit pflugförmigen Schneidflächen sind wohlbekannt, wie zum Beispiel in den US-Patentschriften 1 544 757 und 4 333 540 sowie in der britischen Patentschrift 449 974 offenbart. Derartige Schneidflächen, die eine mit ihnen verbundene Diamantsubstanz aufweisen können, führen eine pflügende Wirkung aus, um das Abführen von Schneidabfällen vom Schneidelement weg zu fördern. Diese Schneidwirkung ist besonders vorteilhaft in relativ weichen Formationen.Cutting elements having plough-shaped cutting surfaces are well known, as disclosed, for example, in US Patents 1,544,757 and 4,333,540 and in British Patent 449,974. Such cutting surfaces, which may have a diamond substance bonded thereto, perform a ploughing action to promote the evacuation of cuttings away from the cutting element. This cutting action is particularly advantageous in relatively soft formations.

Techniken zum Verbinden einer Diamantsubstanz mit einer ebenen Substratoberfläche sind wohlbekannt. Das Anbringen von Diamant an zueinander gewinkelten Flächen beinhaltet jedoch beträchtliche Schwierigkeiten. In der oben erwähnten US-Patentschrift 4 333 540 wird das Anbringen des Diamants an der V-förmigen Oberfläche eines Substrats vorgeschlagen. Ein in jener Patentschrift offenbarter Alternativvorschlag beinhaltet das Verbinden zweier ebener Bohrerrohlinge aus Diamantschichtkörpern miteinander unter einem geeigneten Winkel. Die erstere Technik ist sehr schwierig, während die letztere Technik, soweit sich erkennen läßt, dadurch kostenaufwendig ist, daß sie die Verwendung von zwei kommerziell erhältlichen, ebenen Diamantrohlingen zur Herstellung eines einzelnen Schneidelements erfordert.Techniques for bonding a diamond substance to a flat substrate surface are well known. However, attaching diamond to surfaces at an angle to one another involves considerable difficulties. In the above-mentioned US patent 4,333,540, attaching the diamond to the V-shaped surface of a substrate is proposed. An alternative proposal disclosed in that patent involves bonding two flat diamond composite drill blanks together at a suitable angle. The former technique is very difficult, while the latter technique, as far as can be seen, is costly in that it requires the use of two commercially available flat diamond blanks to produce a single cutting element.

Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Herstellung eines Schneidelements. Das Verfahren schließt den Schritt des Bereitstellens eines ein Substrat und eine Diamantschicht enthaltenden Rohlings ein. Das Substrat weist eine Frontfläche, eine Rückfläche und eine die Front- und die Rückfläche miteinander verbindende Seitenfläche auf. Die Diamantschicht ist auf die Frontfläche aufgebracht und umfaßt eine freiliegende Schneidfläche. Zwei gleichartige Segmente werden aus dem Rohling entlang einer ersten und einer zweiten Schnittlinie herausgeschnitten. Jede Schnittlinie erstreckt sich vom Bereich einer Außenumfangskante der Rückfläche zu einer Stelle auf der freiliegenden Schneidfläche, die in der Nähe eines Längsmittelpunktes derselben liegt. Die Schnittlinien bilden mit der freiliegenden Schneidfläche gleiche, spitze Winkel. Jedes Segment ist dreiseitig und umfaßt eine gewölbte Seite, eine ebene Frontseite und eine ebene Grundseite. Die gewölbte Seite ist anteilig durch die Seitenfläche des Substrats und die Diamantschicht festgelegt. Die ebene Frontseite ist aus einem Segment der freiligenden Schneidfläche gebildet. Die ebene Grundseite ist durch abgeschnittene Flächen des Substrats und der Diamantschicht gebildet. Die Grundseiten werden zusammengefügt, wobei die Schneidflächen aneinanderstoßen und zwischen sich einen eingeschlossenen Winkel von weniger als 180º bilden. Die Segmente werden entlang einer dritten Schnittlinie abgestumpft, die sich durch die gewölbten Seiten und quer zu den Grundseiten erstreckt, um eine anteilig von jedem Segment festgelegte Montagefläche zu bilden.The present invention includes a method of manufacturing a cutting element. The method includes the step of providing a blank containing a substrate and a diamond layer. The substrate has a front surface, a back surface, and a side surface connecting the front and back surfaces. The diamond layer is applied to the front surface and includes an exposed cutting surface. Two similar segments are cut from the blank along first and second cutting lines. Each cutting line extends from the region of an outer peripheral edge of the back surface to a location on the exposed cutting surface that is near a longitudinal center thereof. The cutting lines form equal acute angles with the exposed cutting surface. Each segment is three-sided and includes a curved side, a flat front side and a flat base side. The curved side is defined proportionately by the side surface of the substrate and the diamond layer. The flat front side is formed from a segment of the exposed cutting surface. The flat base side is formed by truncated surfaces of the substrate and the diamond layer. The base sides are joined together with the cutting surfaces abutting and forming an included angle of less than 180º between them. The segments are truncated along a third cutting line extending through the curved sides and across the base sides to form a mounting surface defined proportionately by each segment.

Die Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch die nachfolgende detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform hiervon in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich werden, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und bei denen:The objects and advantages of the invention will become apparent from the following detailed description of a preferred embodiment thereof when taken in conjunction with the accompanying drawings, in which like reference numerals designate like elements and in which:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Diamentschneidrohlings ist, die Phantom- Schnittlinien zeigt, welche erfindungsgemäß anzubringen sind;Figure 1 is a front view of a diamond cutting blank showing phantom cutting lines to be applied in accordance with the invention;

Fig. 2 eine Seitenansicht des in Fig. 1 dargestellten Schneidrohlings ist;Fig. 2 is a side view of the cutting blank shown in Fig. 1;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Komponente ist, die durch Zusammenfügen identisch geformter Segmente des Schneidrohlings gebildet wird;Fig. 3 is a side view of a component formed by joining identically shaped segments of the cutting blank together;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines durch Abstumpfen der in Fig. 3 dargestellten Komponente gebildeten Schneidbauteils ist, wobei das Schneidbauteil an einem Ständer montiert ist;Fig. 4 is a side view of a cutting member formed by blunting the component shown in Fig. 3, the cutting member being mounted on a stand;

Fig. 5 eine Vorderansicht des aus dem Schneidbauteil und dem Ständer bestehenden Schneidelements ist;Fig. 5 is a front view of the cutting element consisting of the cutting member and the stand;

Fig. 6 eine Seitenansicht des Schneidelements ist; undFig. 6 is a side view of the cutting element; and

Fig. 7 eine Vorderansicht des Endes rotierenden Bohrkopfes ist, der erfindungsgemäße Schneidelemente enthält.Fig. 7 is a front view of the end of a rotating drill head containing cutting elements according to the invention.

In Fig. 7 ist ein schürfender, rotierender Bohrkopf mit einer Mehrzahl auf einer Frontfläche desselben angeordneter, radialer Arme (12) dargestellt. In jedem Arm (12) ist eine Mehrzahl gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauter Schneidelemente (14) angebracht. In der Frontseite sind Düsen (16) zum Ausströmen von Bohrfluid vorgesehen, das die Schneidelemente kühlt und reinigt sowie Schneidabfälle zum oberen Ende des Bohrlochs spült.In Fig. 7, a rotary drilling head with a plurality of radial arms (12) arranged on a front surface thereof is shown. In each arm (12) a plurality of cutting elements (14) constructed according to the present invention are mounted. In the front side, nozzles (16) for the discharge of Drilling fluid is provided to cool and clean the cutting elements and flush cutting waste to the top of the borehole.

Jedes erfindungsgemäße Schneidelement (14) umfaßt einen Ständer (18) und ein an eine Fläche (22) desselben montiertes, pflugförmiges Schneidbauteil (20). Der Ständer ist bevorzugt aus Karbid, wie z.B. gesintertem Wolframkarbid, gebildet und zum Einsetzen in eine im Arm (12) ausgebildete Bohrung gestaltet.Each cutting element (14) according to the invention comprises a post (18) and a plough-shaped cutting member (20) mounted on a surface (22) thereof. The post is preferably formed of carbide, such as cemented tungsten carbide, and is designed for insertion into a bore formed in the arm (12).

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist das Schneidbauteil (20) aus einer einzelnen herkömmlichen Diamantschneidscheibe oder -rohling, wie z.B. des im US-Patent RE. 32 036 offenbarten Typs, gebildet. Ein Beispiel eines solchen Rohlings (23) ist in den Figuren 1 und 2 dargestellt und umfaßt ein kreisförmiges, zylindrisches Substrat (24) und eine an einer Frontfläche (28) desselben haftende, kreisförmige Diamantschicht (26). Das Substrat (24) besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Ständer und weist eine Rückfläche (30) auf, die normalerweise an dem Ständer (18) angebracht ist. Eine Seitenfläche (32) des Substrats verbindet die Front- und die Rückseite.According to the present invention, the cutting member (20) is formed from a single conventional diamond cutting disk or blank, such as the type disclosed in U.S. Patent RE. 32,036. An example of such a blank (23) is shown in Figures 1 and 2 and includes a circular cylindrical substrate (24) and a circular diamond layer (26) adhered to a front surface (28) thereof. The substrate (24) is preferably made of the same material as the post and has a back surface (30) which is normally attached to the post (18). A side surface (32) of the substrate connects the front and back surfaces.

Bei der Bildung des Schneidbauteils (20) gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Rohling (23) entlang zweier gleichartiger Schnittlinien (34) geschnitten, die sich jeweils von einer Außenumfangskante (36) der Rückfläche (30) bis zu einer Stelle (38) erstrecken, die von der Außenumfangskante (40) der freiliegenden Schneidfläche (42) der Diamantschicht (26) radial nach innen versetzt ist, jedoch nicht weiter radial nach innen als bis zum Mittelpunkt der freiligenden Diamantoberfläche. Die Stelle (38) liegt bevorzugt geringfügig vom Mittelpunkt beabstandet. Die zwei Schnitte (34) bilden den gleichen Winkel (A) bezüglich der freiliegenden Schneidfläche. Dieser Winkel ist vorzugsweise größer als 45º, z.B. 54º.In forming the cutting component (20) according to the present invention, the blank (23) is cut along two similar cutting lines (34) each extending from an outer peripheral edge (36) of the back surface (30) to a point (38) that is offset radially inward from the outer peripheral edge (40) of the exposed cutting surface (42) of the diamond layer (26), but not further radially inward than the center of the exposed diamond surface. The point (38) is preferably slightly spaced from the center. The two cuts (34) form the same angle (A) with respect to the exposed cutting surface. This angle is preferably greater than 45º, e.g. 54º.

Als Folge dieser zwei Schnitte (34) ist der Rohling in drei Stücke geteilt, nämlich in ein Paar gleichartig geformte Segmente (46A, 46B) und eine dritten Teil (48).As a result of these two cuts (34), the blank is divided into three pieces, namely a pair of similarly shaped segments (46A, 46B) and a third part (48).

Jedes Segment (46A, 46B) umfaßt erstens eine gewölbte, im allgemeinen kegelförmig gestaltete Seite (50), die anteilig durch einen Bruchteil der Seitenfläche des Substrats und einen Bruchteil der Diamantschicht (28) festgelegt ist, zweitens eine ebene Diamantseite (52) in der Gestalt eines kreisförmigen Segments und drittens eine ebene, ungefähr dreieckige Grundseite (54), die anteilig durch das Substrat (24) und die Diamantschicht (26) gebildet ist.Each segment (46A, 46B) comprises, first, a curved, generally conical shaped side (50) defined in proportion by a fraction of the side surface of the substrate and a fraction of the diamond layer (28), second, a flat diamond side (52) in the shape of a circular segment, and third, a flat, approximately triangular base side (54) defined in proportion by the substrate (24) and the diamond layer (26).

Die zwei Segmente (46A, 46B) werden dann durch Zusammenfügen der Grundseiten (54) geeignet miteinander verbunden, z.B. durch Löten oder Sintern, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Grundseiten werden derart zusammengefügt, daß die Diamantseiten (52) aneinanderstoßen und zwischen sich einen eingeschlossenen Winkel (B) vorzugsweise größer als 90º und am meisten bevorzugt größer als 100º, z.B. 108º, bilden. Das heißt, der Winkel (B) ist doppelt so groß wie der Winkel (A).The two segments (46A, 46B) are then joined by joining the base sides (54) are suitably joined together, eg by soldering or sintering, as shown in Fig. 3. The base sides are joined together such that the diamond sides (52) abut one another and form an included angle (B) between them preferably greater than 90º and most preferably greater than 100º, eg 108º. That is, the angle (B) is twice as large as the angle (A).

Die aus den zwei zusammengefügten Segmenten (46A, 46B) bestehende Komponente (60) (Fig. 3) wird dann entlang einer Schnittlinie (62) abgestumpft, die sich durch die gewölbten Seiten (50) erstreckt und die Grundseiten (54) rechtwinklig an einer Stelle schneidet, die zwischen den Enden (64) der Grundseiten liegt.The component (60) (Fig. 3) consisting of the two assembled segments (46A, 46B) is then truncated along a cutting line (62) extending through the curved sides (50) and intersecting the base sides (54) at right angles at a location located between the ends (64) of the base sides.

Als Ergebnis wird die Komponente (60) in ein Schneidbauteil (65) (Fig. 4) mit einer Montagefläche (66) umgeformt, die anteilig durch jedes Segment (46A, 46B) festgelegt ist und sich senkrecht zu den Grundseiten (54) erstreckt. Diese Montagefläche (66) wird dann mit der Oberfläche (22) des Ständers verbunden, um das Schneidelement (14) zu bilden.As a result, the component (60) is formed into a cutting member (65) (Fig. 4) having a mounting surface (66) defined proportionately by each segment (46A, 46B) and extending perpendicular to the base sides (54). This mounting surface (66) is then bonded to the surface (22) of the post to form the cutting element (14).

Die Schnittlinie (62) befindet sich hinter den am weisten hinten liegenden Abschnitten (68) der Diamantschicht, so daß die Komponente in Bezug auf eine Blickrichtung parallel zu einer Schnittlinie der Montagefläche (66) mit der Grundseite (54), d.h. wie in Fig. 3 betrachtet, fünfseitig ist. Somit definiert der Körper (70) des Schneidbauteils (65) eine Verlängerung, die die Diamantschneidfläche (72) vom Trägerständer (18) beabstandet.The line of intersection (62) is located behind the rearmost portions (68) of the diamond layer so that the component is five-sided with respect to a viewing direction parallel to an intersection line of the mounting surface (66) with the base (54), i.e. as viewed in Fig. 3. Thus, the body (70) of the cutting component (65) defines an extension which spaced the diamond cutting surface (72) from the support post (18).

Die Segmente (46A, 46B) werden vorzugsweise vor dem Abstumpfen bei (62) zusammengefügt. Alternativ dazu könnten die Segmente getrennt abgestumpft und dann zusammengefügt werden.The segments (46A, 46B) are preferably joined together prior to blunting at (62). Alternatively, the segments could be blunted separately and then joined together.

Als Ergebnis der Erfindung kann ein Schneidelement mit einer V-förmigen Schneidfläche bequem in einer relativ praktischen und wirtschaftlichen Weise gefertigt werden.As a result of the invention, a cutting element having a V-shaped cutting surface can be conveniently manufactured in a relatively practical and economical manner.

Des weiteren kann der verbleibende Abschnitt (48) des Rohlings an einem Trägerbauteil angebracht und als ein meißelartiges Diamantschneidelement verwendet werden.Furthermore, the remaining portion (48) of the blank can be attached to a support member and used as a chisel-like diamond cutting element.

Claims

1. Method for producing a cutting element, characterized by the following steps:

A) Providing a blank (23) with:

A1) a substrate (24) having a front surface (28), a rear surface (30) and a side surface (32) which connects the front and rear surfaces to one another, and

A2) a diamond layer (26) applied to the front surface, which comprises a free-standing cutting surface (42),

B) cutting two similar segments (46A, 46B) of substantially equal dimensions from the blank along first and second cutting lines (34), each cutting line extending from the region of an outer peripheral edge (36) of the back surface to a location (38) located in the region of a longitudinal center point on the exposed cutting surface, the cutting lines forming equal acute angles (A) with the exposed cutting surface, and each of the segments is three-sided, with:

B1) a curved side (50) defined partly by the side surface of the substrate and partly by the diamond layer,

B2) a flat front side (52) formed from a segment of the free-standing cutting surface, and

B3) a flat base formed from cut surfaces of the substrate and the diamond layer (54),

C) joining the base sides together, whereby the cutting surfaces abut one another and form an included angle (B) of less than 180º between them, and

D) truncating the segment along a third cutting line (62) extending through the curved sides and obliquely to the base sides to form a mounting surface (66) partially defined by the segment.

2. The method of claim 1, wherein the third cut line of each segment is spaced rearwardly from the rearmost portions (68) of the diamond layer, and the assembled segments form a part that is five-sided with respect to a line of sight parallel to the line of intersection of the side surface with the third cut line.

3. The method of claim 1, wherein the "providing" step consists of providing a circular blank.

4. The method according to claim 1, wherein the included angle (B) is greater than 90°.

5. The method according to claim 1, wherein the included angle (B) is greater than 100°.

6. The method of claim 1, wherein the first and second cutting lines do not overlap and extend to locations spaced outward from the center.

7. The method of claim 1, wherein the "assembling" step is performed before the "blunting" step.

8. The method of claim 1, wherein the third cutting line extends perpendicular to the base sides.

9. The method of claim 1, wherein the substrate is made of cemented carbide.

10. The method of claim 1, wherein the support member contains cemented carbide.