ITTO20000625A1 - Elementi taglienti superabrasivi e punta da trivellazione provvista di tali elementi. - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: " Elementi taglienti superabrasivi e . punta da trivellazione provvista di tali elementi"
DESCRIZIONE
CAMPO DELLA TECNICA
La presente invenzione riguarda genericamente elementi di taglio superabrasivi e più in particolare elementi di taglio formati con diamanti policristallini che comprendono una piastra con diamanti policristallini formata e fissata ad un substrato o un foglio di supporto durante là formazione dell'elemento di taglio, e riguarda punte da trivellazione per effettuare una trivellazione sotterranea le quali sono provviste di tali elementi di taglio.
ANTEFATTO DELL'INVENZIONE
Gli elementi superabrasivi sono usati ampiamente nella perforazione, nel taglio, nella foratura e in altre operazioni relative alla asportazione di parti di materiali duri. Un elemento superabrasivo utile nelle perforazioni sotterranee può comprendere in modo generale una piastra formata da particelle di diamanti policristallini oppure, meno regolarmente, da particelle di nitruri di boro cubici, sinterizzati in condizioni di alta pressione e alta temperatura formando una massa coerente di conglomerato chiamata "compatta". Al fine di sostenere la piastra dura ma relativamente grande essa viene normalmente fissata mediante sinterizzazione ad un substrato formato ad esempio da carburo cementato. Una pluralità di tali elementi di taglio viene normalmente montata su di una punta rotante per effettuare la perforazione di terreni sotterranei.
Normalmente, tali elementi di taglio sono formati disponendo una preforma formata da un substrato di carburo di tungsteno cementato all’interno di una pressa e disponendo ad esempio grani di diamante, in via alternativa con un legante di un catalizzatore sulla parte superiore della preforma del substrato. Applicando l’alta pressione e l'alta temperatura citate in precedenza, i grani del diamante vengono legati l'uno con l’altro e;con il substrato durante il processo di sinterizzazione, formando una piastra con diamanti.
Gli elementi di taglio compatti con diamanti policristallini chiamati normalmente PDC, sono stati disponibili in commercio per più di vent'anni e sono stati ampiamente utilizzati particolarmente per le punte impiegate nelle perforazioni sotterranee. In una variante del PDC, il metallo residuo e il catalizzatore vengono sciolti dalla piastra di diamante in modo da formare un prodotto termicamente stallile (TSP) oppure si può formare un TSP legato con silicio, poiché il silicio ha un coefficiente di dilatazione termica (CTE) analogo a quello del diamante.
L'impiego degli elementi di taglio in PDC e TSP impiegati nelle punte rotanti per la trivellazione del terreno, ha permesso di ottenere migliori valori di penetrazione con una riduzione generale dei costi di trivellazione entro un campo maggiore di tipi di formazione delle rocce.
Tuttavia si sono riscontrati numerosi problemi nell'utilizzo degli elementi di taglio di PDC e TSP. In questi elementi di taglio possono essere presenti elevate sollecitazioni residue che si possono attribuire alle condizioni di produzione sopra citate in presenza di pressione e temperatura elevata, in particolare in posizioni adiacenti alla interfaccia tra la piastra e il substrato e queste possono produrre rotture nella piastra superabrasiva, separazioni dal substrato e rottura dell'elemento. Tali sollecitazioni si possono soprattutto attribuire alle differenze in CTE tra il diamante e il carburo; il raffreddamento dell'elemento di taglio dopo la fabbricazione produce un maggiore ritiro del substrato rispetto a quello del materiale in diamante policristallino.
Inoltre si possono verificare distacchi, rotture e squamature del materiale della piastra dal substrato durante il fissaggio dell'elemento di taglio ad un utensile, oppure durante le normali operazioni di perforazione a causa delle elevate forze di flessione applicate durante il fissaggio, oppure a causa del contatto con la formazione sotterranea medesima quando il peso è applicato sulla punta (WOB) e la coppia viene applicata in modo da fare girare la punta che si impegna nella formazione rocciosa. Il diamante ha un valore estremamente basso della sollecitazione di rottura e non può tollerare le flessioni provocate dalle forze elevate applicate. Una rottura o una squamatura una volta cominciate danno alla fine luogo alla rottura dell'elemento di taglio. Qualsiasi mezzo impiegato per ridurre la frequenza di rottura della punta ha un importante effetto economico nelle operazioni di trivellazione.
Sono stati compiuti vari tentativi per ridurre l'incidenza delle rotture sugli elementi di taglio nella posizione adiacente a quella della interfaccia tra la piastra e il substrato.
Nel brevetto US-4.629.373 di Hall, il substrato è stato eliminato, e la piastra di taglio viene fissata direttamente ad esempio a una punta metallica per trivellazione. La superficie di fissaggio è provvista di irregolarità superficiali che comprendono solchi paralleli, solchi incrociati, solchi a forma di maglie e simili.
Il testo del brevetto US 5.469.928 di Griffin comprende l'aggiunta di uno strato di transizione tra la piastra di taglio e il substrato, nel quale lo strato di transizione presenta almeno una proprietà intermedia tra quelle della piastra di taglio e del substrato. Nel brevetto US 5.011.515 di Frushour uno strato di transizione è provvisto di proprietà che variano in modo virtuale dalla piastra di taglio fino al substrato.
La zona di interfaccia tra il substrato e la piastra può essere provvista di una serie di superfici decrescenti intorno ad un asse centrale, come sono descritte nel brevetti US 5.484.330 e 5.486.137 di Flood ed al.
Nel brevetto US 5.709.279 di Dennis, l'interfaccia tra la piastra e il substrato ha un forma ondulata sinusoidale e l'ampiezza dell'onda sinusoidale varia in una direzione parallela all'asse centrale.
Come viene indicato nel brevetto US 5.605.199 di Newton, la piastra di taglio può essere formata con uno spessore che aumenta verso la parte periferica. Inoltre viene illustrata una serie di gole e di nervature ricavate nella interfaccia che sono adiacenti, parallele e rettilinee.
Nel brevetto US 5.564.511 di Frushour e 5.622.233 di Griffin, si propone che la zona di interfaccia tra la piastra e il substrato sia provvista di una pluralità di sporgenze rivolte in senso perpendicolare rispetto al piano interfacciale generale. Le sporgenze possono avere un profilo sferico oppure conico e l'interfaccia viene ad assumere l'aspetto di un cartone per contenere le uova o di un materiale espanso per impiego anti-rumore .
Nel brevetti US 5.007.207 di Phaal e 5.355.969 di Hardy ed al., sono illustrate nervature e gole circolari o semicircolari concentriche disposte intorno ad un asse centrale della interfaccia.
Nel brevetto US 5.351.772 di Smith è illustrata una grande varietà di forme della interfaccia provviste di gole e nervature alternate rivolte in senso radiale.
Nel brevetto US 5.590.728 di Matthias ed al., sono illustrate zone di interfaccia tra la piastra e il substrato provviste di gole e di nervature rivolte genericamente in senso radiale e che hanno forme rettilinee, angolari, sferiche oppure con una certa torsione.
Nel brevetto US 5.611.649 di Matthias, è illustrata una forma a stella di gole e di nervature' della interfaccia. Sia il brevetto US 5.611.649 di Matthias sia il brevetto US 5.617.928 di Matthias ed al., indicano l'impiego di gole e nervature semicircolari concentriche provviste di un asse centrale situato all'esterno o quasi all'esterno della zona periferica circonferenziale della piastra e del substrato.
Malgrado tutti i miglioramenti indicati in precedenza nella forma della zona di interfaccia, gli elementi di taglio continuano a spezzarsi a causa dei carichi elevati e delle relative sollecitazioni elevate che si verificano durante l'operazione di trivellazione. Le riparazioni delle punte di trivellazione e le sostituzioni con i relativi tempi di perdita di produzione comportano costi maggiori nella industria delle trivellazioni. Sono quindi necessari,ulteriori miglioramenti della tecnica allo scopo di migliorare la resistenza di unione tra la piastra di taglio e il substrato, al fine di migliorare le prestazioni delle punte da trivellazione riducendo i tempi morti e la necessità di sostituire gli elementi di taglio oppure di sostituire e riparare le punte da trivellazione.
DESCRIZIONE DELLA INVENZIONE
L'elemento di taglio della presente invenzione comprende una piastra praticamente piana avente una sezione circolare, poligonale o un'altra adatta sezione normale e formata da un materiale superabrasivo il quale presenta un lato inferiore unito ad un substrato di sostegno per mezzo di una interfaccia a tre dimensioni. Sulla interfaccia è formata una profilatura costituita da una o più gole e nervature corrispondenti, in modo che il materiale della piastra sporga all'interno del substrato e/o viceversa. La particolare forma della interfaccia con gole e nervature secondo la presente invenzione comprende almeno una gola stretta e lunga che costituisce un profilo con una pluralità di globi sviluppati verso l'esterno. Tale profilo che può essere anche chiamato come un profilo ondulato è disposto completamente all'interno della periferia circonferenziale dell'elemento di taglio, in modo da formare una serie di archi rivolti genericamente l'uno di fronte all'altro in senso radiale verso l'interno e verso l'esterno i quali riducono le sollecitazioni indotte dalla temperatura nella zona di interfaccia durante il raffreddamento dell'elemento di taglio nel corso della sua fabbricazione, oltre a permettere all'elemento di taglio di resistere meglio alle sollecitazioni di urto normali e tangenziali prodotte dai carichi e che si verificano durante la trivellazione. Di preferenza, il numero dei lobi o degli archi del profilo della interfaccia è un numero intero variabile da 2 a circa 30 e, in modo ulteriormente preferito, è un numero intero variabile tra circa 3 e circa 24, anche se il limite superiore preferito può variare con le dimensioni (diametro) dell felemento di taglio.
Una nervatura del profilo può essere formata da uno sviluppo o una sporgenza della piastra superabrasiva la quale riempie una gola complementare ricavata nel substrato, oppure in via alternativa può comprendere uno sviluppo del materiale del substrato che riempie una gola complementare ricavata nella piastra di taglio.
Il profilo ondulato nel suo insieme è formato da una funzione continua genericamente sinusoidale, situata entro un intervallo di raggi che partono dall'asse centrale dell'elemento di taglio. Si possono impiegare due o più profili ondulati, ciascuno disposto all'interno di un intervallo diverso di raggi, ossia con una forma genericamente concentrica. L'intervallo tra i raggi dei profili ondulati adiacenti può essere sovrapposto. Possono essere diversi sia i periodi che le ampiezze dei profili ondulati. Quindi un profilo ondulato interno può avere un numero minore, uguale o maggiore di lobi o archi rivolti verso l'esterno rispetto a quelli di un profilo ondulato relativo esterno .
Di regola, il periodo e l'ampiezza di un profilo ondulato può essere uniforme ossia non variabile. Tuttavia, il periodo e l'ampiezza all’interno di un dato profilato ondulato possono essere definiti come non uniformi. Si forma così un profilo che ha lobi di dimensioni e/o distanze diverse.
Il profilo ondulato continuo intorno ad un asse longitudinale, ad esempio un asse centrale dell'elemento di taglio, può essere formato da una funzione sinusoidale semplice o complessa. In alternativa, il profilo ondulato può essere formato da una serie di semicerchi, semiellissi, ecc., le cui estremità sono unite e disposte con una forma continua circonferenziale intorno all'asse centrale, per cui le superfici convesse dei lobi arcuati sono dirette verso l'esterno.
La superficie di fissaggio, ossia il lato inferiore della piastra, viene formata e legata al substrato con un qualsiasi metodo che garantisca le volute caratteristiche di resistenza della giunzione e di durezza. Normalmente la piastra viene formata in modo incorporato e legato al substrato durante la sinterizzazione, in condizioni di temperatura e pressione elevate, come è noto nella tecnica.
L'elemento di taglio ha normalmente una forma tale da venire montato su di una punta da trivellazione per forare le formazioni sotterranee.
La presente invenzione si può applicare in particolare agli elementi di taglio in PVC, TSP e agli elementi di taglio compatti in nitruro di boro cubico anche se non è limitata solo a questi.
Nella presente invenzione si utilizza in modo conveniente la possibilità che presenta una struttura .di forma arcuata nell'assorbire e distribuire elevati carichi applicati. Le zone arcuate multiple del profilo ondulato, rivolte verso la direzione dalla quale hanno origine le normali sollecitazioni durante la trivellazione, distribuiscono i carichi di trivellazione in modo da impedire rotture, distacchi e squamature della piastra in materiale superabrasivo. La forma arcuata del profilo delle nervature e delle gole aumenta inoltre la resistenza al distacco nella superficie di interfaccia tra il substrato e la piastra durante la fabbricazione dell'elemento di taglio e durante il fissaggio di esso ad una punta da trivellazione.
Mentre attualmente si prevede che la gola e la nervatura corrispondente abbiano forme fisicamente continue nel senso di essere ininterrotte o prive di segmentazioni, il termine qui impiegato di "profilo ondulato continuo" indica che il profilo complessivo stesso è praticamente continuo, ma ciò non impedisce di realizzare profili analoghi usando nervature intermittenti o fatte a segmenti con corrispondenti gole per cui un determinato profilo può essere simile o essere definito mediante una linea punteggiata o tratteggiata formata da segmenti di gole o di nervature corrispondenti, invece di avere una struttura fisica sviluppata in modo continuo- Inoltre, i segmenti formati dalle nervature e dalle gole non devono necessariamente avere la stessa lunghezza per tutto un determinato profilo .
BREVE DESCRIZIONE DEI DISEGNI
I disegni che seguono illustrano varie esecuzioni a titolo di esempio della invenzione, non necessariamente in scala, e nei quali:
la figura 1 è una vista in prospettiva di una punta da trivellazione presa a titolo di esempio, la quale comprende gli elementi di taglio della presente invenzione;
la figura 2 è una vista ingrandita in prospettiva dell'elemento di taglio a titolo di esempio secondo l'invenzione;
la figura 3 è una vista in esploso in prospettiva di un elemento di taglio a titolo di esempio secondo l'invenzione;
la figura 4 è una vista in sezione normale e in scala ridotta di un elemento di taglio preso a titolo di esempio secondo l'invenzione, lungo la linea 4-4 della figura 2;
la figura 4A è una vista in sezione normale e in scala ridotta di un altro elemento di taglio preso a titolo di esempio della invenzione, lungo la linea 4-4 della figura 2;
la figura 5 è una vista in esploso e in prospettiva di un'altra esecuzione a titolo di esempio di un elemento di taglio secondo 1 'invenzione;
la figura 6 è una vista in scala ridotta in sezione normale di un'altra esecuzione presa a titolo di esempio di un elemento di taglio secondo l'invenzione, lungo la linea 6-6 della figura 5; la figura 7 è una vista ingrandita in pianta di una zona di interfaccia tra un substrato e una piastra, provvista a titolo di esempio di un profilo di interfaccia a due lobi di un elemento di taglio della invenzione;
la figura 8 è una vista ingrandita in pianta di una zona di interfaccia tra un substrato e una piastra provvista di un profilo della interfaccia a titolo di esempio con tre lobi di un elemento di taglio della invenzione;
la figura 9 è una vista ingrandita in pianta di una zona di interfaccia tra un substrato e una piastra provvista a titolo di esempio di un profilo della interfaccia a quattro lobi di un elemento di taglio secondo l'invenzione;
la figura 10 è una vista in pianta ingrandita di una zona di interfaccia tra un substrato e una piastra provvista a titolo di esempio di un profilo di interfaccia a quattro lobi di un elemento di taglio dell'invenzione;
la figura 10A è una vista in scala ridotta e in sezione normale di una superficie di interfaccia tra il substrato e la piastra a titolo di esempio a quattro lobi di un elemento di taglio della invenzione, presa lungo la linea 10A-10A della figura 10;
ia figura 10B è una vista in scala ridotta e in sezione normale di un'altra zona di interfaccia presa a titolo di esempio tra un substrato e una piastra a quattro lobi di un elemento di taglio dell'invenzione, presa lungo la linea 10A-10A della figura 10;
la figura 11 è una vista ingrandita in pianta di una interfaccia tra un substrato e una piastra con un profilo della interfaccia a titolo di esempio di tipo triplo a cinque lobi di un elemento di taglio della invenzione;
la figura 12 è una vista ingrandita in pianta di una interfaccia tra un substrato e una piastra provvista di un profilo a titolo di esempio di tipo doppio e a sei lobi di un elemento di taglio della invenzione;
la figura 13 è una vista ingrandita in pianta di una interfaccia tra un substrato e una piastra con un profilo della interfaccia a titolo di esempio con otto lobi sulla parte esterna combinati con un profilo a quattro lobi della parte interna di un elemento di taglio della invenzione; e
la figura 14 è una vista ingrandita in pianta di una interfaccia tra un substrato e una piastra con un profilo della interfaccia a titolo di esempio provvisto di sedici lobi di un elemento di taglio della invenzione.
METODI MIGLIORI PER L'ESECUZIONE DELL'INVENZIONE In questa invenzione, gli elementi di taglio superabrasivi da impiegare per le punte da trivellazione per la perforazione del terreno sono formati in un modo che riduce l'effetto delle rotture e la separazione della piastra di taglio dal substrato sottostante lungo l'interfaccia tra la piastra e il substrato.
Nella figura 1 è illustrata, a titolo di esempio anche se non limitativo, una punta da trivellazione 10 che comprende gli elementi di taglio 20 secondo l'invenzione. La punta da trivellazione 10 è nota nella tecnica come un elemento di taglio fisso e rotante o come una punta da "perforazione” utile per eseguire le perforazioni nelle formazioni sotterranee come anche le formazioni che si trovano al di sopra dei depositi di olio e di gas, come pure in quest'ultimo caso. Gli elementi di taglio 20 della presente invenzione possono venire usati convenientemente in una qualsiasi delle grandi varietà di forme di punte da trivellazione che fanno impiego di elementi di taglio superabrasivi. La punta da trivellazione 10 è formata da un gambo 12 provvisto di un perno di estremità 14 per venire collegato mediante filettatura a una striscia da trivellazione non illustrata, e comprende anche un corpo 16 con una superficie 18 sulla quale possono venire fissati gli elementi di taglio 20. La punta 10 comprende normalmente una serie di ugelli 22 impiegati per guidare il fango che si forma durante la .trivellazione fino alla superficie 18 del corpo della punta in modo da asportare i residui di taglio delle formazioni rocciose rispetto allo spazio della punta 24 e del passaggio di essa tra le feritoie 26 che si trovano dopo il gambo 12 della punta e la striscia di trivellazione arrivando fino alla superficie del terreno. Gli elementi di taglio 20 perfezionati secondo l'invenzione presentano uno o più profili multipli genericamente concentrici a forma di archi o di lobi ricavati nella superficie di interfaccia 36 tra la piastra e il substrato (vedere figura 2), i quali riducono la formazione di distacchi, rotture e squamature della piastra dal substrato, tutti fenomeni che possono provocare una rottura catastrofica dell'elemento di taglio.
L'elemento di taglio 20 della presente invenzione è formato da una piastra 30 superabrasiva avente una forma circolare, rettangolare o poligonale diversa, ovale, circolare parziale o un’altra adatta sezione normale anche se è preferita la forma circolare. L'elemento di taglio 20 è provvisto di una superficie di taglio 34 formata da un lato della piastra 30 in materiale superabrasivo del tipo di un diamante policristallino, e la piastra 30 è provvista di una superficie 32 inferiore (di fissaggio) unita ad un substrato di supporto 40 formato in un materiale duro del tipo di tungsteno cementato o altro tipo di carburo. Il substrato può essere preventivamente prodotto con la forma voluta in modo tale per cui un materiale in diamante cristallino può venire colato nella piastra 30 in diamante policristallino al di sopra di questa e può venire contemporaneamente legato fortemente al substrato in condizioni di sinterizzazione. La piastra 30 che si forma è complementare al substrato 40 per cui si ottiene un elemento di taglio 20 solido e uniforme che praticamente non ha zone vuote nella superficie di interfaccia tra la piastra e il substrato.
La proiezione del profilo 44 delle gole nel substrato 40 o nella piastra 30 è praticamente identica a quella del profilo 54 dei risalti nell'elemento opposto, e quindi il risalto 50 riempie la gola 60. Il profilo combinato tra ciascun risalto e ciascuna gola verrà qui identificato con il numero 38 (anche indicato con il nome di "profilo ondulato 38”). Un tale profilo 38 è formato da un risalto 50 e da una gola 60 che insieme individuano un profilo ondulato nella interfaccia 36 compresa tra la piastra 30 e il substrato 40.
Come è illustrato nelle figure 2, 3 e 4, un elemento di taglio 20 secondo l'invenzione comprende una piastra 30 con una superficie di taglio 34 e una superficie di fissaggio 32, e comprende un substrato 40 con una superficie di fissaggio 42 corrispondente. L'interfaccia che comprende le due superfici di fissaggio 32, 42, il profilo con risalto 54 e il profilo con una gola 44, viene qui identificata con il numero 36.
L'elemento di taglio 20 illustrato è provvisto di un asse centrale 28 e ha una sezione genericamente circolare rispetto all'asse. In via alternativa l'elemento di taglio 20 può avere lati multipli o superflui multiple disposte intorno all'asse 28. L'elemento di taglio 20 quindi può avere ad esempio una forma con sezione esagonale, rettangolare oppure ovale.
Nella figura 3 è illustrata un risalto 50 con un profilo 54, formato da uno sviluppo continuo stretto e lungo o una sporgenza del materiale della piastra 30 dalla superficie 32 di fissaggio della piastra. Una gola 60 con un profilo abbinato 44 è illustrata nella superficie di fissaggio 42 del substrato 40. Quando la piastra 30 viene unita (praticamente mediante formatura) al substrato 40, il risalto 50 riempie la gola 60.
Nell'esempio delle figure 3 e 4 , il profilo 38 a forma di gola e di risalto, è illustrato come una forma continua sinusoidale e genericamente angolare, del risalto 50 e della gola 60 rispetto al raggio 70. L'ampiezza è il massimo scostamento dal raggio 70 e può essere positiva oppure negativa. Nella convenzione qui utilizzata, si indica una ampiezza positiva 72 quando il raggio 76 rispetto all'asse centrale 28 supera il raggio 70. Viene indicata una ampiezza 74 negativa quando il raggio 78 rispetto all'asse centrale 28 è inferiore al raggio 70.
Nelle figure 3 e 4, il profilo 38 formato dalle gole e dai risalti ha un periodo P pari a un quarto di un giro completo intorno all'asse centrale 28. Quindi, il numero dei lobi o dei tratti arcuati 56 che si sviluppano verso l'esterno sulle superfici di fissaggio 32, 42, è pari a quattro.
Il risalto 50 (e la gola 60 abbinata) viene illustrato come provvisto di una forma di una sezione normale genericamente arrotondata in figura 4. Questa è la forma preferita dal punto di vista della resistenza alla rottura, ma si possono impiegare altre forme compresa una forma quadrangolare illustrata in figura 4. La dimensione 62 della profondità della gola può essere normalmente compresa tra circa 0,2 e 1,5 volte la larghezza 66 della gola. In generale si ritiene normalmente che la larghezza 66 della gola può variare di preferenza tra circa 0,2 e circa 1,5 rum, e che la profondità 62 della gola può variare tra circa 0,04 e circa 2,2 mm. La larghezza e la profondità del risalto accoppiato 50 saranno naturalmente comprese nello stesso intervallo.
In questa descrizione, un profilo ondulato 38 esterno può essere indicato a fini di convenienza come un profilo ondulato "primario" mentre profili ondulati aggiuntivi 38A possono essere formati in modo concentrico all'interno del profilo ondulato primario 38.
Ritornando alle figure 5 e 6, è illustrata la piastra 30 e il substrato 30 di un elemento di taglio 20. A confronto con l’esecuzione della figura 3, il profilo 44 della gola e il profilo 54 del risalto sono stati invertiti, per cui il risalto 50 sporge dal substrato 40 penetrando in una 60 ricavata nella piastra 30 in materiale superabrasivo. In ciascuno dei diversi profili 38 che si possono utilizzare, il risalto 50 può sporgere o dalla piastra 30 o dal substrato 40. Come si può vedere, quando vengono usati profili multipli 38 genericamente concentrici, il risalto 50 di ciascun profilo può sporgere o dalla piastra 30 o dal substrato 40.
Il particolare profilo 38 con gole e risalti sulla interfaccia in base a questa invenzione comprende una .gola stretta a lunga 60 (con un risalto accoppiato 50), la quale forma un profilo ondulato 38 con una pluralità di lobi o di tratti arcuati 56 sviluppati verso l'esterno. Il profilo 38 si trova completamente all'interno della circonferenza periferica 46 della interfaccia 36, in modo da formare una serie di lobi o tratti arcuati 56 i quali riducono e/o distribuiscono la sollecitazione provocata dalla temperatura durante il raffreddamento dell'elemento di taglio dopo la sua fabbricazione e le sollecitazioni d'urto normali e tangenziali che si verificano durante la trivellazione. Di preferenza, il numero dei lobi o dei tratti arcuati 56 è un numero intero compreso tra 2 e circa 30 e più preferibilmente tra 3 e circa 24, anche se il limite superiore preferito è in un certo senso dipendente dal diametro dell'elemento di taglio in oggetto.
Il profilo ondulato 38 può essere una funzione continua genericamente sinusoidale intorno ad un raggio di base 70 dell'asse centrale 28. Si possono usare due o più profili ondulati 38 ciascuno dei quali è funzione di un raggio di base 70 diverso ossia secondo una configurazione genericamente concentrica. Il numero dei profili ondulati 38 può essere pari a un massimo di 6 o più. I periodi P come anche le ampiezze 72, 74 dei profili ondulati 38 possono essere diversi anche nel caso di un profilo puramente sinusoidale, e le ampiezze hanno lo stesso valore assoluto. Normalmente il periodo P e le ampiezze 72, 74 dei profili ondulati 38 possono essere uniformi ossia non variabili. Tuttavia il periodo P e le ampiezze 72, 74 nell'ambito di un profilo ondulato 38 assegnato possono avere una configurazione non uniforme. Si può così formare un profilo 38 che ha dimensioni diverse e/o diverse distanze tra i lobi o i tratti arcuati 56.
Il profilo ondulato 38 può essere formato da una funzione sinusoidale:
dove
Y = distanza radiale dal raggio di base 70 della funzione;
F = funzione di qualsiasi genere che modifica la forma della curva sinusoidale. Per un profilo semplice, F=l;
n = numero dei lobi o dei tratti arcuati 56 sviluppati verso l'esterno in un profilo continuo 38 formato da gole e da risalti;
a = distanza attraverso la quale passa la funzione sinusoidale, a guisa di un angolo intorno ad un punto centrale (ad esempio un asse centrale 28) del raggio di base 70;
b è l'ampiezza della funzione sinusoidale; e z è una funzione la quale sposta l'interno profilo sinusoidale intorno ad un centro che normalmente è l'asse centrale 28. Normalmente, z viene posto uguale a zero.
La variabile α è una funzione angolare che può venire confrontata con la variabile lineare X di una funzione lineare sinusoidale Y = sin X. La funzione Y può essere positiva o negativa rispetto al raggio di base 70. In questo brevetto, Y viene considerato positivo quando la distanza radiale 76 dall'asse centrale 28 è superiore al raggio di base 70, e viene considerato negativo quando la distanza radiale 78 dall'asse centrale 28 è inferiore al raggio di base 70.
Le figure da 7 a 12 sono viste in pianta ingrandite della interfaccia 36 di varie esecuzioni a titolo di esempio della invenzione e non sono intese come limitazioni della stessa. Le funzioni sinusoidali illustrate sono prese lungo il bordo esterno 48 del risalto 50 o della gola 60. Nella figura 7 è illustrato un profilo ondulato 38 formato da un risalto 50 e da una gola 60, con due lobi o tratti arcuati 56 che si sviluppano verso l'esterno. La posizione radiale Y è funzione delle ampiezze positive e negative 72, 74, dell'angolo a e del valore del raggio 70. Il periodo P della funzione è pari a 180° e la frequenza F è 360/P, ossia 2,0.
Nella figura 8 è illustrato un profilo ondulato 38 con tre lobi 56. Sono illustrate le ampiezze massime positive e negative 72, 14 della posizione radiale Y. Il periodo P della funzione ondulata è pari a 120° e la frequenza F è 360/P, ossia 3,0.
Nella figura 9 è illustrato un profilo ondulato 38 con quattro lobi 56 con un periodo P di 90° e una frequenza di 4,0. Sono illustrate le ampiezze massime positive e negative 72, 74.
La figura 10 illustra un'altra interfaccia 36 di un elemento di taglio a titolo di esempio provvista di un profilo ondulato 38 a quattro lobi. In questa esecuzione sono molto ridotte le ampiezze 72, 74 del profilo ondulato 38, ossia sono pari a circa metà delle ampiezze della figura 9. Inoltre, un secondo profilo ondulato 38A inferiore al profilo ondulato 38 è disposto in una.posizione genericamente concentrica con quella del profilo ondulato 38. Il secondo profilato ondulato 38A.ha un raggio di base 70A che è inferiore al raggio 70 e ha ampiezze 72A e 74A che in questo caso sono leggermente inferiori alle ampiezze 72 e 74. Nella figura 10A entrambi i risalti 50 e 50A si sviluppano a partire dalla piastra 30 entro le gole 60 nel substrato 40. Come è illustrato nella figura 10B, uno o entrambi i risalti 50, 50A si possono sviluppare alternativamente dal substrato 40 nella piastra 30. Ciò avviene indipendentemente dal numero dei profili ondulati 38 formati nella interfaccia 36.
La figura 11 illustra a titolo di esempio, un substrato 40 provvisto di tre profili di interfaccia 38, 38A e 38B formati da risalti e gole e disposti in modo concentrico. Ciascun profilo 38, 38A e 38B è provvisto di cinque lobi 56, 56A e 56B rispettivamente con ampiezze diverse i quali si sviluppano verso l'esterno.
In teoria, si può formare un gran numero di profili su una interfaccia 36, in funzione della larghezza dei risalti. Tuttavia da un punto di vista pratico, il numero utile di profili su una data interfaccia può essere compreso tra uno e circa dodici in relazione alle dimensioni dell'eleménto di taglio 20. In generale, le ampiezze 72, 74 possono venire ridotte al fine di permettere un numero maggiore di profili ondulati concentrici 38. Come è stato indicato in precedenza, e come è illustrato nella parte superiore della figura 11, i profili della interfaccia formati dai risalti e dalle gole possono avere una struttura fisica divisa in settori o intermittente, anche se debbono essere praticamente continui nel senso dei relativi profili. Si ritiene che un determinato profilo debba essere strutturalmente continuo o strutturalmente segmento nel suo insieme (ossia per la sua intera lunghezza) anche se una tale condizione non è tassativamente richiesta.
Nella figura 12 è illustrato a titolo di esempio un substrato 40 con due profili ondulati 38 e 38A disposti in modo genericamente concentrico. Ciascun profilo ondulato 38, 38A presenta sei lobi o tratti arcuati 56, 56A, rispettivamente.
In un'altra esecuzione della invenzione illustrata in figura 13, ciascuno dei due profili ondulati 38 e 38A comprende una serie di semicerchi 80, 80A aventi i loro luoghi 82, 82A disposti in modo regolare in un cerchio di 90, 90A intorno all'asse 28. Ciascun semicerchio 80, 80A è un lobo o un tratto arcuato 56, 56A sviluppato verso l'esterno. I semicerchi 80, 80A hanno le estremità 84, 84A unite in modo regolare mediante parti di collegamento 86, 86A, qui illustrate sotto forma di elementi arcuati che a loro volta fonnano piccoli lobi o tratti arcuati 58, 58A rivolti verso l'interno. La superficie convessa 88, 88A di ciascun semicerchio 80, 80A è rivolta verso l'esterno in modo da essere rivolta e da distribuire i carichi elevati che sono applicati alla piastra 30 e lungo l'interfaccia 36 durante la trivellazione.
In un'altra esecuzione illustrata in figura 14, un profilo ondulato 38 è formato da una serie di lobi o tratti arcuati 56 semiellittici rivolti verso l'esterno. Il numero dei lobi può essere variabile da 2 a circa 30. Di preferenza il numero dei lobi varia da 3 a circa 24, e in una esecuzione più preferita il numero può variare da 4 fino a circa 20. I lobi 56 sono collegati da parti 86 che possono essere rettilinee o arcuate. In questo esempio, le parti di collegamento 86 sono radiali intorno ad un asse centrale 28.
Come è illustrato in ciascuna delle figure, l'intero profilo o gli interi profili ondulati (38) si trovano all'interno della periferia 46 della interfaccia 36, per cui una pluralità di tratti arcuati o di lobi 56 sviluppati verso l'esterno e di tratti arcuati o di lobi 58 sviluppati verso l'interno in posizione intermedia formano insieme una curva continua sulla interfaccia 36. Di preferenza la curva è sinusoidale, ossia è priva di spigoli vivi. La serie dei tratti arcuati 56 sviluppati verso l'esterno è soprattutto responsabile della maggior resistenza alla rottura, e i tratti arcuati 58 che si sviluppano verso l'interno forniscono una ulteriore resistenza e integrità alla interfaccia 36.
L'elemento di taglio 20 della presente invenzione, provvisto di un profilo ondulato 38 sulla interfaccia formato da lobi o da tratti arcuati 56 e sviluppati verso l'esterno, ha una ottima resistenza alla rottura e al distacco della piastra 30, oltre al distacco di questa dal substrato 40 e dalla rottura completa dell'elemento di taglio fisso 20. Inoltre, la presenza di un profilo ondulato 38 sulla zona di interfaccia situato completamente intorno alla parte periferica 43 della interfaccia 36 dell’elemento di taglio 20 permette di togliere l'elemento di taglio, di farlo ruotare intorno al suo asse centrale 28 e di montarlo nuovamente in posizione sulla punta da trivellazione in modo tale da esporre il materiale superabrasivo nuovo che attacca la formazione quando si usura un bordo di taglio iniziale dell'elemento di taglio.
La descrizione precedente elenca, soltanto a titolo di esempio, alcune delle variabili che rientrano negli scopi della invenzione, compreso il numero dei profili ondulati, il numero, le dimensioni, la distanza e le forme dei lobi e simili e non è limitativo per lo scopo della invenzione.
La presente invenzione può essere realizzata in molte forme senza allontanarsi dallo spirito delle caratteristiche principali della invenzione. Le esecuzioni qui descritte si devono quindi intendere solamente a scopo illustrativo e non limitativo, e lo scopo della invenzione viene definito dalle rivendicazioni abbinate piuttosto che dalla descrizione precedente, e tutte le variazioni che rientrano negli scopi e gli obiettivi dell’oggetto rivendicato o sono equivalenti ad esso si devono intendere compresi nelle rivendicazioni che seguono.
Claims (1)
- RIVENDICAZIONI l·. - Struttura di taglio da impiegare per trivellare le formazioni sotterranee, ·la quale struttura di taglio comprende: almeno un elemento di taglio che comprende: un substrato provvisto di una superficie di fissaggio che ha un profilo che comprende almeno un risalto sporgente di materiale e una gola; e una piastra in materiale superabrasivo che presenta una superficie di fissaggio complementare a detta superficie di fissaggio del substrato e almeno un altro di detto risalto .sporgente di materiale e detta gola vengono uniti a detta superficie di fissaggio del substrato in modo tale da formare una interfaccia tridimensionale tra detto substrato e detta piastra superabrasiva; nella quale detto profilo comprende almeno un elemento sviluppato in lunghezza formato da una pluralità di lobi arcuati sviluppati verso 1'esterno. 2 . - Struttura di taglio secondo la rivendicazione 1, nella quale detta superficie di fissaggio del substrato e detta superficie di fissaggio della piastra sono praticamente piane. 3 . - Struttura di tagliò secondo la rivendicazione 1 o 2, nella quale detta superficie di fissaggio del substrato e detta superficie di fissaggio della piastra sono provviste di limiti periferici arcuati aventi il medesimo. 4. - Struttura di taglio secondo le rivendicazioni 1, 2 o 3, nella quale detta superficie di fissaggio del substrato e detta superficie di fissaggio della piastra comprendono soprattutto superfici piane. 5. - Struttura di taglio secondo le rivendicazioni 1, 2, 3 o 4, nella quale detta superficie di fissaggio del substrato e detta superficie di fissaggio della piastra sono praticamente circolari. 6. - Struttura di taglio secondo la rivendicazione 1, nella quale almeno detto singolo risalto sporgente e almeno detta singola gola di detto profilo comprende superfici speculari contro un profilo praticamente continuo e ondulato con una pluralità di lobi che presentano ampiezze opposte rispetto ad un cerchio con un raggio di base. 7. - Struttura di taglio secondo la rivendicazione 6, nella quale detto profilo ondulato a lobi multipli è simile ad una funzione sinusoidale rispetto a detto cerchio con detto raggio di base intorno ad un punto centrale. 8. - Struttura di taglio secondo le rivendicazioni 6 o 7, nella quale detta struttura di taglio ha una forma genericamente cilindrica con un asse longitudinale genericamente centrale, e detto cerchiò del raggio di base ha un raggio praticamente costante a partire dal detto asse longitudinale genericamente centrale. 9. - Struttura di taglio secondo le rivendicazioni 1 o 8, nella quale detta funzione sinusoidale è la seguente: Y = F b sin(na è z) in cui: Y è la distanza radiale da detto cerchio del raggio di base; F è una funzione di qualsiasi genere la quale modifica la forma di detto profilo formato dai risalti e detto profilo formato dalle gole; b è l'ampiezza della funzione sinusoidale; n è il numero dei lobi che si sviluppano verso l'esterno; a è l'angolo preso intorno a detto punto centrale, ed è una costante che sposta una intera curva sinusoidale intorno al punto centrale. 10. - Struttura di taglio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, nella quale detta pluralità di lobi sviluppati verso 1'esterno comprende un numero di lobi variabile da 2 a 30. 11. - Struttura di taglio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 10, nella quale detta pluralità di lobi sviluppati verso l'esterno comprende un numero di lobi compreso tra tre e ventiquattro. 12. - Struttura di taglio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, che comprende inoltre almeno da uno a sei profili aggiuntivi concentrici e almeno parzialmente rivolti in senso radiale all'interno di detto profilo formato dai lobi arcuati sviluppati verso l'esterno. 13. - Struttura di taglio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 12, nella quale detto profilo comprende almeno un risalto che sporge da detta piastra all'interno di almeno una gola in detto substrato. 14. - Struttura di taglio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 13, nella quale detto profilo comprende almeno un risalto che sporge da detto substrato all'interno di almeno una gola in detta piastra. 15. - Struttura di taglio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 14, nella quale detta piastra superabrasiva è formata da diamante policristallino. 16. - Struttura di taglio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 15, nella quale detto substrato è formato da un materiale di carburo . 17. - Struttura di taglio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16, comprendente inoltre: un corpo di una punta provvisto di una superficie della punta sulla quale è fissato almeno un singolo elemento di taglio con una orientazione determinata e con una superficie di taglio della piastra superabrasiva che in generale è rivolta verso una direzione di rotazione voluta del corpo della punta; e una struttura di collegamento per fissare il corpo della punta ad una striscia di perforazione. 18. - Struttura di taglio secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 17, nella quale almeno il singolo elemento di taglio è formato da una pluralità di elementi di taglio.
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