NO171609B - Roterbar borekrone samt fremgangsmaate til fremstilling avskjaereelement for samme - Google Patents

Abstract

Skjærelement for anvendelse på en borkrone og omfattende en platedel (22) med en forside, en bakside og en perifer ytterkant, hvor i hvert fall forsiden av platedelen er påført et lag av superhardt materiale, eksempelvis polykrystallinsk diamant. I platedelens ytterkant er det anordnet ett eller flere innadrettete partier (23,24) for avgrensing av utadrettete skjæreggpartier (25,26,27) på sidene av det innadrettede parti. Elementet kan tilskjæres fra et emne som opp-rl""'ll"r sirkelformet. ^ m

Description

Den foreligggende oppfinnelse vedrører en roterbar borkrone omfattende skjærelementer som hver er montert på en bærer i en forsenkning i en kronesokkel, og som omfatter en stort sett sirkelformig platedel med en forside, en bakside og en perifer ytterkant, hvor i hvert fall forsiden av platedelen er påført lag av superhardt materiale.

Videre vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av et skjæreelement for en roterbar borkrone og omfattende tilvirking, i en formingspresse, av et prefabrikert sirkulært og plateformet emne som består av et ytre skjære lag av superhardt materiale forbundet med et støttelag.

Roterbare borkronerav den ovennevnte art anvendes ved boring eller driving av dype huller i undergrunnsformasjoner.

Roterbare borkroner av den type hvor den foreliggende oppfinnelse kan komme til anvendelse, omfatter en kronesokkel med et skaft for sammenkopling med en borstreng og en inner-kanal for fremføring av borevæske til kronens forside. Kronesokkelen er utstyrt med et antall såkalte "prefabrikerte" enkeltskjær. Hvert enkeltskjær kan være montert direkte på kronesokkelen eller på en bæredel, eksempelvis en tapp eller støtte som opptas i en forsenkning i kronesokkelen. Et prefabrikert enkeltskjær av en vanlig type består av et plate-stykke med et hardt forsidelag av polykrystallinsk diamant eller annet, superhardt materiale og et støttelag av sementert wolframkarbid. Ved skjærelementer av denne tolags-type oppnås en viss grad av selvsliping fordi det mindre harde støttelag vil bortslites lettere under bruk enn det hardere skjærelag. En annen form for skjæreelement består av en enkelt enhets-plate av varmestabilt, polykrystallinsk diamantmateriale.

Skjærelementene som er tilvirket under massivt trykk i en presse, er oftest i form av sirkulære skiver som monteres slik på kronesokkelen at hvert element vil nedslites langs et ytterkantparti under bruk. Det er imidlertid kjent skjærelementer av andre typer, eksempelvis sektorformede, kvad-ratiske og triangulære elementer, hvor skjæreprosessen gjenn-omføres av et utadragende hjørneparti av skjærelementet.

Konvensjonelle skjærelementer av ovennevnte art vil imidlertid ikke alltid gi den beste skjærevirkning ved boring i visse formasjonstyper, og den foreliggende oppfinnelse har som formål å frembringe en forbedret form for skjærelement i denne type borkrone og som er enkelt å tilvirke og som vil muliggjøre hurtigere boring i visse formasjonstyper. Det tas dessuten sikte på å frembringe en ny fremgangsmåte til fremstilling av slike skjæreelementer.

Den roterbare borkrone ifølge oppfinnelsen er kjenne-tegnet ved at skjærelementets perifere ytterkant innbefatter minst ett innadrettet parti for avgrensing av en utadrettet skjærelementparti på minst én side av det innadrettede parti.

Platen kan omfatte et fremre skjærelag av superhardt materiale, såsom polykrystallinsk diamant, og som er forbundet med mindre hardt støttelag, hvor det superharde materiale danner platens forside og støttelaget danner platens bakside. Alternativt kan platedelen innbefatte et enkelt enhetlig lag av superhardt materiale, såsom polykrystallinsk diamant, som danner både forsiden og baksiden av platedelen.

Det kan være anordnet et utadragende skjæreggparti på hver side av det innadgående parti, for opprettelse av minst to utadragende skjæreggpartier. Det kan alternativt være anordnet to innadgående partier som avgrenser et enkelt, mellomliggende skjæreeggparti.

Platen kan langs et parti av platedelens perifere ytterkant være utstyrt med et antall vekselvis innadrettede og utadrettede partier, for opprettelse av tre eller flere utadrettede partier. Ytterenden av samtlige utadrettede skjæreggpartier kan være beliggende på en stort sett rett linje slik at de, når skjærelementet er i bruk, virker samtidig mot formasjonen som bores. Alternativt kan bare noen av de utadrettede skjæredelers ytterender ligge på en stort sett rett linje, mens ytterendene av i hvert fall ett annet, utadrettet parti er forskjøvet i forhold til nevnte rettlinje. Derved vil bare noen av de utadrettede partier virke mot formasjonen inn-ledningsvis, og de øvrige, utadrettede partier vil bare bringes i funksjon når de første partier er nedslitt til de øvrige partiers nivå. Dette kan gi en økning av skjærelementets totale levetid.

Bortsett fra nevnte, innadgående parti eller partier kan skjærelementets periferi være av delsirkulær form.

Platedelen kan ha form av en sirkeldelseksjon med et konkavt buet kantparti, og et motsatt beliggende, konsentrisk og konvekst buet kantparti. De innbyrdes motsatt beliggende, konkavt og konvekst buete kantpartier kan være forbundet med hverandre gjennom to motsatt beliggende og stort sett rett-linjete kantpartier som forløper tilnærmelsesvis radialt i forhold til ringdelen.

Ifølge oppfinnelsen er det også angitt en fremgangsmåte for fremstilling av et skjærelement og som kjennetegnes ved at at det deretter, i det prefabrikerte emne, innslipes minst ett innadrettet parti for avgrensing av et utadrettet skjæreggparti på hver side av det innadrettede parti.

Tilskjæringen av det prefabrikerte emne kan gjennom-føres ved elektrisk bearbeiding, f.eks. ved hjelp av en laser eller på annen, hensiktsmessig måte.

Ifølge fremgangsmåten kan det i det prefabrikerte emne innsnittes et antall vekselvis innadrettede og utadrettede partier.

Hvis emnet er stort sett symmetrisk, kan de vekselvis innadrettede og utadrettede partier tilsnittes langs midten over emnet, slik at det av emnet frembringes to praktisk talt like skjærelementer.

Alternativt kan emnet, hvis det er stort sett symmetrisk, oppdeles i fire praktisk talt like segmenter langs snittlinjer som også forløper slik at det i hvert segment anordnes minst ett innadrettet parti, for avgrensning av et utadrettet skjæreggparti på hver side av det innadrettede parti.

I hvert av de ovennevnte tilfeller kan det prefabrikerte emne være stort sett sirkelformet innen det tilskjæres. Fremgangsmåten kan innbefatte det prosesstrinn hvorunder det fra det sirkulære, prefabrikerte emne utsnittes et midtre, konsentrisk parti av mindre diameter slik at det gjenstår et ringformet emne, hvoretter det ringformete emne oppdeles ved tilskjæring i seksjoner, idet hvert snitt forløper fra emnets perifere innerkant til dets perifere ytterkant. Det ringformede emne kan oppdeles i seksjoner ved hjelp av et antall stort sett radialt forløpende snitt.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et sideriss av en typisk borkrone som kan utstyres med skjærelementer ifølge oppfinnelsen. Fig. 2 viser et enderiss av borkronen ifølge fig. 1. Fig. 3, 4 og 5 viser fremre enderiss av ulike skjærelementtyper ifølge oppfinnelsen. Fig. 6 viser en fremgangsmåte for opprettelse av to skjærelementer av et enkelt, prefabrikert emne. Fig. 7 viser en anordning for opprettelse av fire skjærelementer av et enkelt emne. Fig. 8-13 viser riss av andre skjærelementtyper ifølge opp f inne ls en .

Det er i fig. 1 og 2 vist en typisk skrape-borkrone av en type hvor skjærelementer i borkronen ifølge foreliggende oppfinnelse kan komme til anvendelse.

Kronesokkelen 10 består typisk av en wolf ramkarbid-matrise som er infiltrert med en bindelegering og hvis ene ende går over i et gjenget skaft 11 for sammenkopling med borstrengen.

Kronesokkelens aktive endeflate 12 er utstyrt med et antall blader 13 som utgår fra sokkelens midtparti og er forbundet med skjærelementer 14 som er atskilt fra hverandre i bladenes lengderetning.

Borkronen omfatter en styreseksjon med støtteflater 16 som ligger an mot borehullveggene, for stabilisering av borkronen i borehullet. Gjennom en midtkanal (ikke vist) i kronesokkelen og skaftet fremføres borevæske gjennom dyser 17 i endeflaten 12, på kjent måte.

Hvert enkeltskjær består av et prefabrikert skjærelement 14 som er montert på en bæredel i form av en tapp som er anbrakt i en forsenkning i kronesokkelen. Hvert prefabrikert enkeltskjær er vanligvis i form av en sirkulær plate med et tynt forsidelag av polykrystallinsk diamant som er forbundet med et støttelag av wolframkarbid, hvor begge lag er av ens-artet tykkelse. Baksiden av hvert enkeltskjærs støttelag er forbundet, eksempelvis ved LS-forbindelse, til en hensiktsmessig orientert flate på tappen som også kan være tilvirket av wolframkarbid.

Det bør bemerkes at dette bare er et eksempel på de mange mulige, ulike borkronetyper hvor oppfinnelsen kan komme til anvendelse, med innbefatning av borkroner med kronesokler av stål, og borkroner hvor hvert prefabrikert enkeltskjær består av en enhetlig plate av varmestabilt, polykrystallinsk diamantmateriale. I visse tilfeller kan enkeltskjærene være montert direkte på kronesokkelen istedenfor på tapper.

Fig. 3 viser en modifisert versjon av et prefabrikert, sirkelformet enkeltskjær av standardtype. Ifølge oppfinnelsen er det i det sirkelformete, plateliknende emne 18, ved

elektrisk behandling eller ved hjelp av en laser, utformet et enkelt, innadrettet parti 19, hvorved det på motsatte sider av det innadrettede parti avgrenses utadrettede skjæregger 20 og 21. Enkeltskjæret er slik montert på kronesokkelen at de utadrettede partier 20 og 21 vil virke mot formasjonen som bores.

Fig. 4 viser en alternativ versjon hvor det i et sirkulært emne 22 er utformet to innadrettede partier 23 og 24, for avgrensing av tre utadragende skjæregger 25, 2 6 og 27. Det vil fremgå at de innadrettede partier 23 og 24 er slik utformet at ytterendene av de utadragende partier er beliggende stort sett langs en rett linje, slik at alle de utadrettede skjæregger

vil bearbeide formasjonen samtidig.

Ved den alternative utførelsesform som er vist i fig. 5, forløper derimot hvert skjæreggparti 28, 29 og 3 0 til peri-ferien av det sirkulære emne 31 slik at det midtre, utadragende parti 29 strekker seg ut over den rette forbindelses-linje mellom ytterendene av de utadragende partier 28 og 30. Når enkeltskjæret er nytt, vil følgelig bare skjæreggen 29 bearbeide formasjonen, men etter at denne egg er nedslitt vil de to øvrige skjæregger 28 og 30 bringes i funksjon. Enkelt-sk jærets totale levetid kan derved forlenges.

Hvert av enkeltskjærene ifølge fig. 3-5 er tilvirket av et enkelt, prefabrikert og sirkelformet emne. Det fremgår av fig. 6 hvordan to enkeltskjær kan fremstilles av et enkelt emne. I dette tilfelle er emnet snittet langs en siksaklinje og blir derved delt i to like halvdeler 32 og 33 som hver for seg innbefatter et antall vekselvis innadrettede partier og utadrettede skjæreggpartier.

Det sirkulære emne som er vist i fig. 3-6 og hvorav skjærelementene tilvirkes, kan ha samme diameter som det normale, sirkulære skjærelement. Det fremgår av fig. 7 hvordan et sirkulært element 34 av større diameter (eksempelvis 34 mm) kan oppdeles til fire generelt sektorformede skjærelementer 35, 36, 37 og 38. Den vinkelformede del av hver sektor er slik tilskåret at det oppstår et innadrettet parti, som vist ved 39, og hvert skjærelement får derved utadrettede skjærpartier 40 og 41.

Det er åpenbart at det ved utførelsesformer som vist i fig. 6 og 7 er gjort maksimal bruk av det prefabrikerte emne. De motsatte platepartier av skjærelementene kan være stort sett plane, på konvensjonell måte, men oppfinnelsens ramme innbefatter også anordninger hvor den ene eller begge ende-flater av hvert enkeltskjær er konveks eller konkav.

Selv om det prefabrikerte utgangsemne i alle de detaljert beskrevne eksempler er sirkulært, er det åpenbart at oppfinnelsen er like egnet for anvendelse ved bruk av prefabrikerte emner av andre fasonger, eksempelvis rektangulære eller triangulære, idet det vesentlige trekk ved oppfinnelsen består i at de prefabrikerte emner modifiseres ved tilskjæring av minst ett innadrettet parti for avgrensing av et eller flere utadrettede skjæreggpartier.

Andre utførelsesformer av oppfinnelsen er vist i fig. 8-12. I samtlige tilfeller er det pref abrikerte utgangsemne sirkulært, og det parti som fjernes fra emnet, for frembringelse av det ferdige enkeltskjær, er vist skravert.

Ved utførelsesformene ifølge fig. 9-11 er sidene av det utadrettede skjæreggparti stort sett parallelle, slik at skjærelementet ikke øker vesentlig i bredde når det nedslites under bruk. Dette er fordelaktig, da det innebærer at skjærelementets glidningsflate mot formasjonen ikke blir større med slitasjen, noe som ellers ville øke motstanden mot borkronens rotasjonsbevegelse og nedsette skjærelementenes effektivitet.

Videre er det, med brutte linjer i fig. 10, 11 og 12, vist de relative posisjoner av skjærelementene på ulike partier av kronesokkelens ytterflate, sett i retning av elementenes skjærebevegelse. Det fremgår at de baner som følges av skjærelementene er umiddelbart innbyrdes til-grensende eller overlappende, for å sikre at formasjonen fjernes langs en kontinuerlig flate. Som det fremgår av fig. 10 og 11, kan anordningen være slik at et enkeltskjær såvidt overlapper banen for det påfølgende skjær på den ene side, uten å overlappe banen for skjæret på den annen side.

Fig. 13 viser hvordan et enkelt, stort og sirkulært emne kan oppdeles til et antall enkeltskjær ifølge oppfinnelsen .

Konvensjonelle, sirkulære skjærelementer av polykrystallinsk diamant er i formingspressen tilvirket med nødvendig diameter, eksempelvis 13,3 mm eller mer, for anvendelse på borkroner. I senere tid er det imidlertid tatt i bruk formingspresser som kan fremstille prefabrikerte emner med diameter opptil 50 mm eller enda mer. Slike prefabrikat av stor diameter kan fremstilles til en lavere pris per flate-enhet enn prefabrikat av mindre diameter. Prisen for sirkulære skjærelementer av liten diameter kan derfor på kjent måte reduseres ved at elementene tilskjæres, eksempelvis ved elektrisk bearbeiding, fra et sirkulært emne av større diameter. Det fremgår av fig. 13 hvordan et slikt sirkulært emne av stor diameter kan anvendes for fremstilling av et-antall skjærelementer på borkronen ifølge oppfinnelsen med lite eller intet materialspill, for oppnåelse av den lavest mulige pris for de fremstilte elementer.

Det sirkulære grunnemne som fremstilles i den konvensjonelle høytrykk-formingsprosess, er vist ved 42 og kan f.eks. ha en diameter av 38 eller 50 mm. Et midtre, sirkulært parti 43 utsnittes fra emnets midtparti, konsentrisk med dette, ved elektrisk bearbeiding eller på annen, hensiktsmessig måte. Det sirkulære parti utsnittes med slik diameter at det kan anvendes på konvensjonell måte på en borkrone som er innrettet for bruk av slike sirkulære enkeltskjær. Skjær-diameteren kan f.eks. være 13,3, 19 eller 25 mm.

Etter at det sirkulære midtparti er fjernet, blir den gjenstående ringdel oppdelt i seksjoner ved et antall generelt radialt forløpende snitt, for frembringelse av en rekke like-dannete enkeltskjær. Et slikt enkeltskjær er således vist ved 44, og omfatter en konkavt buet innerkant 45, en konvekst buet ytterkant 46 og to radialtforløpende, rettlinjede sidekanter 47. Innerkantens 45 konkavitet danner det innadrettede parti ifølge oppfinnelsen, hvor hjørnene ved endene av det konkave parti 45 danner knaster. Under drift er skjærelementet slikt montert at disse knaster vil bearbeide formasjonen som bores.

Etter å være skilt fra ringdelen kan seksjonen om nød-vendig utformes ytterligere. Et segment kan således fjernes fra seksjonens konvekse ytterkant, som angitt med brutte linjer ved 48, slik at enkeltskjærets ytterkant blir rettlinjet. Istedenfor å være rettlinjet, kan hver seksjons sidekanter 47 ha annen form, slik det fremgår av de alternative versjoner av enkeltskjæret som er vist ved 49 og 50. Det fremgår derav at seksjonenes sidekanter, kan være utformet for opprettelse av ytterligere, innadrettede partier og fremspring ifølge oppfinnelsen. Selv om det i fig. 13 er vist enkeltskjær av tre forskjellige typer, vil sannsynligvis samtlige enkeltskjær som snittes fra en ringdel, i praksis ha samme form og være symmetrisk plassert rundt ringdelen.

Det vil innsees at foreliggende fremgangsmåte muliggjør praktisk talt total utnyttelse av materialet i det opp-rinnelige, brede og sirkulære og sirkulære emne slik at enkeltskjærene kan fremstilles til lavest mulig pris.

Claims (20)

1. Roterbar borkrone omfattende skjærelementer (14) som hver er montert på en bærer i en forsenkning i en kronesokkel (10), og som omfatter en stort sett sirkelformig platedel (18) med en forside, en bakside og en perifer ytterkant, hvor i hvert fall forsiden av platedelen er påført lag av superhardt materiale, karakterisert ved at skjærelementets perifere ytterkant innbefatter minst ett innadrettet parti (19) for avgrensing av en utadrettet skjærelementparti (20,21) på minst én side av det innadrettede parti.

2. Borkrone i samsvar med krav 1, karakterisert ved at platedelen (18) omfatter et fremre skjærelag av superhardt materiale som er forbundet med et mindre hardt støttelag, hvor det superharde materiale danner platedelens forside og støttelaget danner platedelens bakside.

3. Borkrone i samsvar med krav 1, karakterisert ved at platedelen (18) består av et enkelt, enhetlig lag av superhardt materiale som danner både forsiden og baksiden av platedelen.

4. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at det superharde materiale består av polykrystallinsk diamant.

5. Borkrone' i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at det er anordnet et utadrettet skjæreggparti (20,21) på hver side av det innadrettede parti (19), for opprettelse av minst to utadrettede skjæreggpartier.

6. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at det er anordnet to innadrettede partier (23,24) som avgrenser et enkelt, mellomliggende skjæreggparti (26) .

7. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at det, langs et parti av platedelens perifere ytterkant, er anordnet flere vekselvis innadrettede (23,24) og utadrettede (25,26,27) partier, for opprettelse av tre eller flere utadrettede partier.

8. Borkrone i samsvar med krav 7, karakterisert ved at ytterendene av samtlige utadrettede skjæreggpartier (25,26,27) er beliggende langs en stort sett rett linje og derved, under drift, vil virke samtidig mot formasjonen som bores.

9. Borkrone i samsvar med krav 7, karakterisert ved at bare ytterendene av noen (28,30) av de utadrettede partier er beliggende langs en stort sett rett linje, mens ytterendene av minst ett annet, utadrettet parti (29) er forskjøvet fra nevnte rettlinje.

10. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-9, karakterisert ved at elementets perifere ytterkant, bortsett fra ett eller flere innadrettede partier, er av delsirkulær form.

11. Borkrone i samsvar med et av kravene 1-5, karakterisert ved at platedelen (44) er i form av en ringdelseksjon (42) med et konkavt buet kantparti (45) og et motsatt beliggende, konsentrisk og konvekst buet kantparti (46).

12. Borkrone i samsvar med krav 11, karakterisert ved at de innbyrdes motsatt beliggende, konkavt og konvekst buete kantpartier er forbundet med hverandre gjennom to stort sett rettlinjede og motsatt beliggende kantpartier (47) som forløper stort sett radialt i forhold til ringdelen (42).

13. Fremgangsmåte for fremstilling av et skjærelement for en roterbar borkrone og omfattende tilvirking, i en formingspresse, av et prefabrikert sirkulært og plateformet emne som består av et ytre skjærelag av superhardt materiale forbundet med et støttelag, karakterisert ved at det deretter, i det prefabrikerte emne (18), innslipes minst ett innadrettet parti (19) for avgrensing av et utadrettet skjæreggparti (20,21) på hver side av det innadrettede parti.

14. Fremgangsmåte i samsvar med krav 13, karakterisert ved at det prefabrikerte emne tilskjæres ved elektrisk bearbeiding.

15. Fremgangsmåte i samsvar med krav 13 eller 14, karakterisert ved at det, i det pref abrikerte emne (22), innsnittes et antall vekselvis innadrettede (23,24) og utadrettede (25,26.27) partier.

16. Fremgangsmåte i samsvar med krav 15, karakterisert ved at emnet er stort sett symmetrisk (fig. 6) og at de vekselvis innadrettede og utadrettede partier er snittet over midten av emnet som derved oppdeles i to praktisk talt like skjærelementer (32,33).

17. Fremgangsmåte i samsvar med krav 13 eller 14, karakterisert ved at emnet er stort sett symmetrisk (fig. 7) og oppdeles i fire stort sett like segmenter (35,36,37,38) langs snittlinjer som forløper slik at det i hvert segment anordnes minst ett innadrettet parti (39) for avgrensing av et utadrettet skjæreggparti (40,41) på hver side av det innadrettede parti.

18. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 13-17, karakterisert ved at det prefabrikerte emne (18,22,31) er stort sett sirkelformet innen det tilskjæres.

19. Fremgangsmåte i samsvar med krav 18, karakterisert ved prosesstrinn som omfatter ut-snitt ing, fra det sirkulære, prefabrikerte emne (42), av et konsentrisk midtparti (43) av mindre diameter slik at det gjenstår et ringformet emne, og påfølgende oppdeling av det ringformede emne i seksjoner, hvorved hvert snitt (47) for-r løper fra emnets perifere innerkant til dets perifere ytterkant .

20. Fremgangsmåte i samsvar med krav 19, karakterisert ved at det ringformede emne oppdeles i seksjoner ved hjelp av en rekke stort sett radialforløpende snitt (47).