NO772422L - Borkrone. - Google Patents

Description

Diamantborkroner hvor der er benyttet naturlige eller kunstige diamanter som er plassert på borskaftets arbeidsflate og ved hjelp av en metallforbindeise festes til skaftet i en matriks av sekundært slipemiddel, f.eks. wolfram-karbid, er kjent teknikk.

Diamantkroner kan stort sett deles i to grupper: En gruppe hvor diamanter av vanligvis liten størrelse er tilfeldig fordelt i matriksen, og en annen gruppe hvor vanligvis større diamanter er plassert i borstammens overflate i et forutbestemt møns-ter, i det følgende betegnet "overflatemønster". (Se US patenter 3 709-308, 3 825 083, 3 871 840, 3 757 878 og 3 757 879.)

Borkroner som er utformet i henhold til ovennevnte teknikk utsettes for skader når de benyttes som borehull-borkroner. Slike skader skyldes lokal ødeleggelse av diamant-matriksmateri-alet. Slike skader kan bety slutten på borkronens levetid og nødvendiggjøre omfattende reparasjoner eller gjenforming av borkronen hvorunder diamantene wolfram-karbidmaterialet skilles fra stålskaftet.

I en samtidig norsk patentsøknad nr. 77. 1015 er beskrevet en diamant-borkrone hvor man istendenfor å. benytte enkelt-diamahtpartikler som enten er fordelt med tilfeldig orientering i den sekundære slipemiddelmatriks, såsom wolfram-karbid med et me-tall-bindemiddel, eller er anordnet i et overflatemønster, benyt-ter, en skjær-preform. Skjær-preformen kan være femstilt som beskrevet i US patent 3 74 5 623 eller ved å støpe blandinger av dia-mantpartikler, sekundære slipemiddelpartikler, samt partikler av et metallbindemiddel under anvendelse av de teknikker som er beskrevet i ovennevnte patenter i hensiktmessige former, f.eks. ved hjelp av de varmpressemetoder som er beskrevet i US patenter 3 841 852.og 3 871 840.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er borkronens arbeids- eller boreflate slik utformet at det blir lett å plassere

preformene i borkronekroppen, i avstand fra partiet nær midtaksen .

i anslutning til borkronens diameterflate (gage). Arrangementet av preformer i borkronen er slik at når borkronen dreies om sin akse kommer praktisk talt hele overflaten på den jord som gjennomskjæres av borkronen under omdreining i kontakt med preformene.

For å få anordnet skjærene i et mønster formes borkronens boreflate i trinn som strekker seg omkretsmessig rundt borkronens boreflate. I den foretrukne utføringsform strekker trinnene seg tilnærmet langs en spirallinje fra et punkt nær borkronens midtlinje og utover til anslutning med borkronens diameterflate. Ved å plassere fatningshull for preformene ved hjørnet mellom et opptrinn og inntrinn danner trinnene en jigg som sikrer preformenes plassering i den ønskede rad.

For å sikre at preformene kan skjære uten å belastes utilbørlig er preformene plassert med en negativ skråvinkel og preformene er understøttet av en tilstøtende del av borkronekroppen som kan oppta aksialbelastningen som preformskjærene utsettes for under boringen. Skjærene kan være plassert med en skråvinkel lik null, men har fortrinnsvis en negativ side-skråvinkel, slik at de tilveiebringer en plogvirkning for å føre borkaksen til borkronens diameterflate. Bøyespenninger i preformene blir således redusert til et minimum og praktisk talt eliminert.

Der er innretninger for å fjerne borkaks fra preformene. Borefluid føres gjennom en sentral boring for å frembringe en hvilevirkning. I denne hensikt er kanaler anordnet i fluid-kommunikasjon med boringen. Kanalene.strekker seg over borkronens arbeids- eller boreflate, foran skjærene, fra den sentrale boring til borkronens diameterflate. Kanalene kan ved visse anvendelser utelates, men i de foretrukne utføringsformer bidrar kanalene i borkronens hydraulikksystem til å rense borkronens arbeidsflate. Skråvinkelens orientering og fluidstrømmen gjennom.kanalene fører borkaksen til ringrommet mellom borkronen og borehullet, slik at det føres opp gjennom ringrommet til overflaten.

Preform-skjærene er opplagret i fatninger utformet<i borkronekroppen, fortrinnsvis i en borkrone som ved hjelp av et metallisk bindemateriale er dekket av et sekundær-slipemiddel med en hardhetsverdi som er lavere enn diamanter. Det er kjent teknikk å belegge borkronen med et slikt hardt materiale, men i slike tilfeller monteres diamantene som beskrevet i ovennevnte patentskrifter. Fatningene i boret er fortrinnsvis slik orientert rundt borkronen, og preformene fortrinnsvis slik orientert i fatningene, at man oppnår det ovenfor nevnte mønster.

Skjærene ifølge foreliggende oppfinnelse er montert i fatningene som er utformet i den matriksbelagte borkronen. Fatningene er utformet slik at de i fatningene innførte preformer, orienteres på en slik måte at de danner ovenfor beskrevne mønster og skråvinkler. Preformene kan være montert i holdere plassert på tapper som er innført i fatningene. Tappene og fatningene er slik utformet at ved innføring av preformene i holderne, og montering av tappene i fatningene, vil preformene være orientert i det.møn-ster og med de skråvinkler som er beskrevet ovenfor.

Begge arrangementer, både det som anvender preform-skjær montert på tapper plassert i fatninger og det som anvender preformer montert direkte i fatningene utformet i borkronens arbeidsflate, har den fordel at skjærene kan understøttes slik at de utsettes for trykkbelastning istedenfor strekkbelastning på grunn av bøyning.

Fortrinnsvis anordnes skjærene i en rekke på den måte , og i den hensikt som er beskrevet ovenfor og nærmere beskrevet i det følgende, og fluidkanalene anordnes fortrinnsvis slik at de er plassert foran skjær-rekkene. Dette arrangement styrer strøm-ningsmønsteret over skjær-overflaten umiddelbart inntil' skjærene og bidrar til å fjerne kaks og skyver dette bort fra skjærene.

En av fordelene ved de monterte preform-skjær ifølge oppfinnelsen, er at ved ødeleggelse eller andre skader pa en preform, kan den skadede preform fjernes og utskiftes uten at hele borkronen må vrakes eller gjenformes.

Den ovennevnte konstruksjon av diamantborkronen i henhold til oppfinnelsen er særlig hensiktsmessig ved bruk av syntetiske diamanter, av den type som anvendes ved utforming av skjær- ■ elementene beskrevet i US patent nr. 3 745 623. Slike diamanter svekkes i vesentlig større grad enn naturlige diamanter ved temperaturer som vanligvis anvendes ved produksjon av borkroner ved fremstillingsmåter som beskrevet i US patenter nr. 3 709 308,

3 824 083 og 3 757 879. Slike fremstillingsmåter innebærer at

diamanter utsettes for temperaturer som benyttes ved infiltrasjo-nen eller varmpresseprosessene i ovennevnte patenter. De temperaturer som anvendes under slike prosesser er i størrelsesorden over ca. 1093°C, f.eks. 1177°C. Selv om slike temperaturer er hensiktsmessiqe for naturlige diamanter, er de for høve for svn-

tetiske diamanter<p>g svekker disse i betydelig grad.

Ved konstruksjonen av borkronen i henhold til foreliggende oppfinnelse kan man bruke syntetiske såvel som naturlige diamanter, idet preformene i hvilke syntetiske eller naturlige.diamanter anvendes kan tildannes ved temperaturer som er hensiktsmessige for syntetiske diamanter, slik det er beskrevet i nevnte US patent 3 745 623.

Konstruksjonen ifølge oppfinnelsen muliggjør således tildanning av borkronekroppen ved høye temperaturer og tildanning .av preformene ved hjelp av de tidligere beskrevne høytemperaturme-toder når naturlige diamanter anvendes, eller tildanning ved lavere temperatur når syntetiske diamanter anvendes, f.eks. som beskrevet i US patent 3 74 5 62 3. Således kan f .eks. preformer som anvender naturlige diameter tildannes ved hjelp av den varmpresse-metode som er angitt i US patent 3 871 840, under anvendelse av hensiktsmessige former for tildanning av preformen til den ønskede geometriske skikkelse.

Andre trekk og formål ved oppfinnelsen vil fremgå av

følgende beskrivelse under henvisning til tegningen, hvor:

Figur 1 er et oppriss delvis i snitt, av en borkrone ifølge foreliggende oppfinnelse, Figur 2 er et. grunnriss av borkronens bunn sett fra linjen 2-2 på figur 1, Figur 3 er et delsnitt langs linjen 3-3 på figur 1, med

enkelte deler vist i oppriss,

Figur 4 er et snitt langs linjen 4-4 på figur 3.,

Figur 5 er et snitt langs linjen 5-5 på figur 4,

Figur 6 er et detaljutsnitt av figur 2 og viser side-skråvinkelen, Figur 7 er et delsnitt langs linjen 7-7 på figur 2, Figur 8 er et snitt lik figur 1 før tappene er montert. I den på figur 1-7 viste utføringsform har borkronens rørformede skaft 1 konvensjonell form og er koplet til vektrøret 2, og skaftets 1 innside og utside er belagt med et hardt materiale 3, f.eks. metallisk bundet wolfram-karbid som utgjør boreflaten 4 på kroneseksjonen og stabiliseringsseksjonen 5, slik som ved tidligere kjente diamant-borkroner som anvendes for borehull-boring. Borkronens hardbelegg 3 strekker seg omkretsmessig rundt borkronens lengdeakse og er anordnet mellom borkronens diameterflate 6 og over borkronens boreflate. Hardbelegget ved 5 danner diameterflaten 6.

Hullformede fatninger 7 er utformet i belegget 3 med innbyrdes avstand i boreflaten 4 som beskrevet i det følgende,

og ifølge et mønster hvis' formål er beskrevet i det følgende. Skjærene 8 er montert i holderne 9 som er festet til tapper 14 innført i fatningene 7. Særlig der skjærene er montert i tapper som beskrevet nedenfor, er borkronens boreflate fortrinnsvis utformet i trinn 26 som strekker seg omkretsmessig rundt borkronens boreflate. Trinnene strekker seg i spiralform fra et mellomparti 10 på borkronen 1 til boreflatens parti nær diameterflaten 6,

slik det vil bli nærmere forklart i det følgende. Fatningene i borkronen vist i nevnte samtidige søknad samt i figur 1 - 7, er utformet i vinkelen mellom inntrinnet 3.1 i ett trinn og opptrinnet 30 i det neste trinn.

Hvert av skjærene er plassert i en tappmontert holder. Tappene. 14 er utformet med en holder 9 hvis akse 16 danner en spiss vinkel med tappens 14 lengdeakse. Tappen er tildannet av stål eller et materiale med tilsvarende fysiske egenskaper og er belagt med et hardt overflatebelegg 18 som f.eks. utgjøres av samme materiale som benyttes for belegget 3. Tappen kan fasthol-des i hullfatningen ved presspåsning eller ved hjelp av slaglodding eller på annen måte.

Preform-skjær 8 er festet i holderene ved slaglodding eller på annen måte som beskrevet ovenfor. De kan ha hvilken som helst ønsket geometrisk skikkelse for innpassing i holderen. Fortrinnsvis benyttes sylindriske skiver (wafers) hvis aksielle ut-strekning er vesentlig mindre enn skivediameteren. Den spisse vinkel 20 mellom preformens midtakse og normalen til tappens 14 akse danner en negativ, vertikal skjær-skråvinkel.

Tappene 14 er forsynt med styreorganer, f.eks. plane partier 21 (figur 4) slik at tappene orienteres som ovenfor beskrevet. Organer er anordnet i fatningene 7 for samvirke med styreorganene på tappene, f.eks. flate partier 22 (figur 4). Styréorganene er innrettet slik at tappene blir beliggende i en langsgående rad som strekker seg fra nær diameterf laten 6 over' boreflaten 4 mot borkronens lengdeakse.

Ovennevnte rekker eller rader plasserer tappene i en tilnærmet spiralformasjon i langsgående rader som strekker seg fra borkronens midtparti til et punkt nær borkronens diameterflate. Ovennevnte langsgående rader strekker seg omkretsmessig rundt borkronen med innbyrdes avstand som illustrert i figur 1 og 2. Radene er innbyrdes adskilt ved fluidkanaler 23 som strek ker seg fra borkronens midtparti 10 til den diameterflate 6 ved stabiliseringsseksjonen 5 hvor de møter sporene 24. Tappene er anordnet med innbyrdes avstand i hver rad. Skjærene er anordnet i hver langsgående rad slik at de er i en forskjøvet stilling i forhold til skjærene i en naborad. Skjærene overlapper hverandre i den mening at det parti av jorden som ikke gjennomskjæres av et skjær i én rad'gjennomskjæres av et skjær i den følgende rad under omdreining.

Styreflåtene i fatningen og tappen er slik plassert at skjærflaten til preform-skjærene i hver rad vender i samme vinkelretning som borkronens tiltenkte omdreiningsretning. Borr-kronen er konstruert for omdreining på vanlig måte når borstren-gen som er koplet til vektrøret 2 dreier i retning med urviseren.

Dette arrangement sikrer at alle deler av jord-overflaten som skal forseres av borkronen gjennomskjæres av en rekke skjær under omdreining av borkronen.

Et foretrukket arrangement er å innrette fatningene og tappene i et spiralmønster som strekker seg fra borkronens senter og ut til dens omkrets- eller diameterflate, f .eks. et antall vinkelmessig jevnt fordelte spiral-startpunkter.

Formen.er vist på figur 1 og 2. Boreflaten er utformet med et midtparti 10 med en vesentlig sirkulær perimeter 25. Det parti av borkronens boreflate som strekker seg fra perimete-ren 25 til diameterflaten 6 er utformet med trinn 26 i et spiral-mønster. Som vist i figur 2 starter spiralen 27. ved tangenten 29 ved opptrinnet 30 og strekker seg over' boreflaten 4 som en spiral for å danne inntrinnene 31.

Fatningene 7 er slik utformet i borkronens boreflate at fatningsaksene skjærer toppunktet til vinkelen mellom trinnenes opptrinn og inntrinn. Ved dette geometriske arrangement vil borkronen utgjøre en jigg for å sikre at fatningen vil ligge i et spiralmønster. Det skal imidlertid bemerkes at et betydelig antall av fatningene, f.eks. i borkronens midtparti, er ikke anordnet slik at deres akser skjærer toppunktet til vinkelen mellom trinnenes opptrinn og inntrinn.

Plasseringen av tappene i vinkelen mellom inntrinn og opptrinn bidrar til å beskytte preformen. Støtbelastninger opptas av inntrinn og opptrinn der tappene er plassert.

Som følge av dette arrangement vil ved omdreining av borkronen preform-skjærelementene følge hverandre slik. at de skjæ rer de mellomrom som ikke ble truffet av skjærene i den forutgå-ende rad. Følgen er at alle deler av jorden gjennomskjæres av en rekke skjær under hver omdreining.

For å lette rensing av borkronen og hindre tilstopping mellom skjærene er som ovenfor nevnt anordnet, f luidkanaler 23 som møter sporene 24 i stabiliseringsseksjonen. Fluidkanalene er i form av spor som er utformet mellom tilstøtende langsående skjærrader og strekker seg nær forsiden eller arbeidsflaten til skjærene i raden. Dyser 34 (se figur 1, 2 og 7) er utformet i kroppen til boreflaten for forbindelse med hver kanal. Dysene er ved boringer 35 forbundet med den sentrale rørformede boring i skaftet 1. De er anordnet rundt borkronen i forskjelli radial avstand fra dens akse i et stort sett spiralformet arrangement.

Spylevirkningen til fluidet i kanalene 23 kan være tilstrekkelig til å rense skjærene og hindre tilstopping. I slike tilfeller kan skjærflatene være satt med null skråvinkel, dvs. vinkelrett på omdreiningsretningen eller med den. negative side-, skråvinkel som er beskrevet nedenfor. Borefluid som konvensjo-nelt anvendes strømmer ut av dysene 34 inn i kanalene 2 3 for spy-ling av borekaks, og strømmer oppover langs stabilisatorene 5 under ledning av sporene 24, gjennom ringrommet mellom borestrengen og borehullveggen og opp til overflaten.

For å lette utstrømningen, av borekaks og for å rense borkronen kan skjærene, i tillegg til den vertikale negative skråstilling vist i figur 3, være satt med en horisontal skråstilling som vist i figur 6. For å lette borekaksens bevegelse mot borkronens diameterflate 6 foretrekkes at skjærene er slik orientert at preform-skjærenes 8 skjærflater dreies om en vertikal akse i retning mot urviseren for å frembringe en negativ sideveis skråvinkel 36 (se figur 6).

Den negative horisontale skråvinkel 36 kan f.eks. være mellom 1° og 10°, fortrinnsvis ca. 2°. Hensikten med den negative side-skråvinkel er å frembringe en plogvirkning og å føre borekaksen til borkronens diameterflate hvor den fanges opp av den sirkulerende fluid og føres opp sporene 24 i stabilisatoren 5. Den vertikale negative skråvinkel. 20 kan være fra .ca. 4° til ca. 20°.

Som det vil forståes vil den plassen opptas av holderen og preformene gjøre det upraktisk å plassere et stort antall preform-skiærelementer ved borkronens senter. Partiet kan således frembringe en kjerne. Dette, forverres dersom en av preformene faller ut av det sentrale parti som følge av skade under drift.

Skjærevirkningen suppleres fortrinnsvis ved midtpar-tiet ved at diamanter 37 innsettes, enten i et mønster eller med tilfeldig fordeling. Videre er diamanter plassert ved diameterflaten der sidebelastningen er stor under boring, idet det anvendes konvensjonell teknikk for innsetting av diamantene som beskrevet ovenfor.

Åv praktiske grunner er dette parti av borkronen for-met før innsetting av preform-skjærene.

Ett av trekkene ved ovennevnte konstruksjon er at dersom én eller flere av preform-skjærene skulle bli ødelagt eller tappene skades, kan de fjernes, og en ny tapp og preform innsettes:.

Claims (9)

1. Borkrone omfattende et metallisk skaft med en rør-formet boring, hvor skaftets ene ende er dekket av et hardt materiale som er forbundet med nevnte ende og danner en boreflate på borkronen, karakterisert ved trinn (26) som strekker seg over borkronens boreflate (4) fra borkronens midtparti til nær borkronens diameterflate (gage) (6), hvilke trinn innbefatter et opptrinn (30) og et inntrinn (31), fatninger (7) som er utformet i det harde materiale på boreflaten (4) ved trinnenes opptrinn (30) og inntrinn (31), preform-skjær (8) montert i fatningene (7) i et antall langsgående rader som er anordnet med innbyrdes avstand rundt boreflaten (4), idet hvert av skjærene (8) innbefatter et antall slipepartikler som er innbyrdes forbundet for å danne en preform, og preform-skjærene er utformet med en skjæreflate og et bakparti.

2. Borkrone som angitt i krav 1, karakterisert ved at en del av fatningene (7) er anordnet mellom trinnenes (26) opptrinn (30) og inntrinn-(31).

3 Borkrone som angitt i et.av de foregående krav, karakt, eri sert ved organer på. tappene og fatningene hvorved preformenes skjæreflater innrettes i stort sett samme vinkelretning.

4. Borkrone som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at preformene (8) har en fasong som passer i fatningene (7) med skjærenes bakparti understøttet i fatningene i et aksialtrykk-overførende forhold til borkronens boreflate ved trinnene, idet skjæreflåtene til preform-skjærene i alle radene vender i samme: vinkelretning.

5. Borkrone som angitt i krav 4, karakterisert ved at preform-skjærene i radene strekker seg i tilnærmet spiralformasjon over borkronens boreflate.

6. ' Borkrone som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at tapper (14) er anordnet i fatningene (7), at tappene bærer holdere (9), at preform-skjær er anordnet i holderne, idet tappene og preform-skjærene er anordnet i langsgående, innbyrdes adskilte rader og strekker seg over borkronens boreflate, i et innbyrdes forskjøvet forhold til preform-skjærene i naborader, idet preform-skjærene har en skjæreflate og et bakparti, idet skjærenes bakparti understøttes av holderne i et aksialtrykk-overførende forhold til borkronens boreflate ved trinnene,d g idet skjæreflåtene på preform-skjærene i alle radene vender i samme vinkelretning.

7. Borkrone som angitt i krav 6, karakterisert ved at fatningene er beliggende ved toppunktet mellom trinnenes inntrinn og opptrinn.

8. Borkrone som angitt i krav 6, karakterisert ved at et antall fluidkanaler er anordnet i boreflaten og strekker seg til borkronens diameterflate, hvilke fluidkanaler kommuniserer med den rørformede boring.

9. Borkrone som angitt i et av de foregående krav,, karakterisert ved at preform-skjærene (8) er plassert stort sett i spiralformasjon fra nær borkronens midtparti til nær dens diameterf late.. IQ. Borkrone som angitt i et av de foregående krav, karakterisert ved at diamanter er plassert ved borkronens midtparti og ved dens diameterflate..