NO861586L - Borkrone. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en roterende borkrone som anvendes til boring av eller kjernetaking fra dype hull i undergrunnsformasjoner, og vedrører særlig en fremgangsmåte til å fremstille slike borkroner.

Roterende borkroner av den type som foreliggende oppfinnelse vedrører, omfatter et borkronelegeme med et skaft for tilkobling til en borestreng og en kanal for tilførsel av borevæske til kronens fremre flate. Borkronelegemet bærer et antall skjæreelementer. Hvert skjæreelement kan omfatte pre-fabrikerte, ofte sirkulære elementer, med et tynt superhardt overflatelag som danner elementets front-kutte-flate, og er forbundet med et mindre hardt bakre lag. Det superharde overflatelag kan f.eks. fremstilles av polykrystallinsk diamant eller annet superhardt materiale, og det bakre lag kan dannes av støpt wolframkarbid. Skjæreelementenes to-lags arrangement medfører en viss grad av selvsliping under anvendelse, idet det mindre harde bakre lag slites lettere bort enn det hardere skjærende lag. Ettlags skjæreelementer er imidlertid også kjent, og kan ha den fordel at de kan være mer termisk stabile.

I en type borkroner av denne art blir skjæreelementene montert på borkronelegemet ved at det bindes f.eks. ved slaglodding til en bærer som kan ha form av en tapp av wolframkarbid som opptas og lokaliseres i en sokkel i borkronelegemet .

Borkronelegemet kan maskineres av stål eller formes av en wolframkarbid-grunnmasse ved en pulvermetallurgisk-prosess. Ved denne prosess dannes det først en hul form, f.eks. av grafitt med samme utforming som borkronen eller en del av denne. Formen pakkes så med pulvermaterialet, såsom wolframkarbid, som deretter blandes i en ovn med et bindemiddel av metallegering, såsom en kobberlegering, slik at det dannes en hard matrise. Dersom skjæreelementene er av en type som ikke er termisk stabile ved blandetemperaturen, monteres det normalt kjerner av konvensjonell grafitt på formens innerside for å definere lokaliseringen av de ferdige borkronelegemer hvor skjærelegemer deretter kan lokaliseres, f.eks. sokler hvori tappene hvor skjæreelementene monteres, kan festes. Det kan også på formens innerside monteres kjerner som i borkronelegemet danner sokler for opptagelse av dyser for levering av borevæske til overflaten av kronen. Dysekjernene kan også være gjenget slik at dysesoklene blir innvendig gjenget for opptagelse av gjengede dyser.

Tappene hvor skjæreelementene er montert, festes i deres respektive sokler på konvensjonell måte ved slaglodding, presspasning eller krymping. Mens presspasning eller krymping er egnet for borkronelegemer av stål hvor soklene kan være nokså nøyaktig maskinert, oppstår det vanskeligheter når slike metoder skal brukes på et matriselegeme. Når det f.eks. anvendes grafitt-kjerner, har det vist seg at dimensjonene av soklene som dannes i formene ikke kan kontrolleres nøyaktig i samsvar med de toleranser som er nødvendig for presspasning eller krymping, med det resultat at tappene kan bli util-strekkelig festet i soklene, eller forsøk på å banke eller presse en tapp inn i en underdimensjonert sokkel kan føre til at borkronen brekker eller at skjærestrukturen skades.

Det har vært gjort forsøk på å overvinne dette problemet ved å forme soklenes sidevegger med grov overflate, slik at man derved får en økning i de tillatte toleranser hvorved man fikk en tilfredsstillende gjensidig tilpasning, men slike metoder har ikke vært helt tilfredsstillende. Problemet har derfor normalt vært overvunnet ved at, hva angår martrise-borkroner, at tappene er blitt slagloddet i soklene, men det forstås at dette kommer som et kostnadstillegg ved fremstilling av borkronen. Det kan ogsåvære vanskelig å fjerne slike slagloddede bolter dersom det er ønskelig å reparere borkronen ved å erstatte bortslitte eller ødelagte skjærestrukturer.

Bortsett fra det ovenfornevnte problem med nøyaktigheten av sokler dannet i en matriseborkrone, kan det også oppstå vanskeligheter med å fjerne kjernene fra borkronelegemet etter at blandingsprosessen er avsluttet.

For å fjerne konvensjonelle kjerner såsom grafittkjerner fra borkronelegemet er det vanligvis nødvendig å fjerne dem hver for seg ved destruktive metoder, noe som vanligvis med-fører at deler av hver kjerne må bores ut, og deretter må resten slipes mekanisk ut av sokkelen. Slike prosesser er tidkrevende og medfører høye arbeidskostnader.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å frembringe en fremgangsmåte for å danne sokler i en matriseborkrone hvor de ovennevnte problemer kan reduseres eller overvinnes.

I samsvar med dette vedrører oppfinnelsen en fremgangsmåte til pulvermetallurgisk fremstilling av en rotérbar borkrone som omfatter et borkronelegeme med en utvendig overflate på hvilken det er montert et antall skjæreelementer, og en kanal for tilførsel av borevæske til overflaten av borkronen, og fremgangsmåten omfatter trinnene at det dannes en hul form for å forme i det minste en del av borkronelegemet og i det minste én del av formen pakkes med pulveraktig matrisemateriale som blandes med en metallegering i en ovn til dannelse av en matrise, og før formen pakkes med det pulver-formige matrisematerialet, anbringes på den indre overflate av formen minst én kjerne som rager inn i det indre av formrommet med den ønskede lokalisering for en sokkel i borkronelegemet. Det kjennetegnede ved oppfinnelsen er at det anvendes en kjerne fremstilt av et materiale med en varmeutvidelseskoeffisient som ikke er mindre enn den for matrisematerialet. Fortrinnsvis er varmeutvidelseskoeffisienten for kjernen merkbart større enn matrisematerialets.

Kjernen kan f.eks. være av rustfritt stål, så som austenittisk rustfritt stål.

Idet kjernen har en varmeutvidelseskoeffisient som ikke er større enn matrisematerialets, vil den ikke bli utsatt for høye spenninger under avkjølingen av matrisematerialet og utsatt for deformasjoner, og dermed vil sokkelen som den danner i matrisematerialet bli formet med større nøyaktighet enn en sokkel dannet f.eks. ved anvendelse av grafittkjerner. Videre kan kjernen, dersom den er sylindrisk og/eller konisk, helt trekkes ut av sokkelen etter dannelse av borkronelegemet. Derved unngås kostnadene for den tidkrevende fjerning av grafittkj erner.

På grunn av soklenes større nøyakighet kan bærerne for skjæreelementene lettere festes i soklene ved presspasning eller krymping uten at bærerne nødvendigvis i tillegg trenger å slagloddes, eller uten at det er nødvendig at de av soklenes innvendige overflater trenger å bli sterkt profilert.

Hver kjerne er fortrinnsvis dannet av et materiale som i hvertfall på den utvendige overflate ikke fukter eller reagerer med den bindemiddellegeringen som anvendes i matrisematerialet. Kjernen kan i sin helhet dannes av et slikt materiale, eller kan bestå av et hovedlegeme av et materiale som har et overflatebelegg av et slikt materiale.

I de tilfeller hvor kjernen har et overflatebelegg, kan dette være i form av et konvensjonelt pålagt slippmiddel, så som bornitrid, eller det kan omfatte et overflatelag plettert på kjernens hovedlegeme. I alle tilfeller skal overflatelaget være slik at det hindrer reaksjon mellom den bindemiddellegeringen og materialet i kjernens hovedlegeme.

Når overflatebelegget er plettert, har det vist seg at en plettering av bronse (kobber-tinnlegering) eller titannitrid kan være effektive, f.eks. i de tilfeller hvor kjernens hovedlegeme er av rustfritt stål. I et alternativt arrangement hvor overflatelaget er plettert, kan materialene i overflatelaget og i hovedlegemet av kjernen velges slik at av overflatebeleggets vedheft til den innvendige overflate av sokkelen vil være større enn overflatebeleggets vedheft til hovedlegemet av kjernen. I dette tilfellet vil overflatebelegget tilbakeholdes som et belegg på sokkelen når kjernen trekkes tilbake fra borkronelegemet. Overflatebelegget kan derved velges slik at det har de ønskede karakteristikker for slike belegg. Dette arrangement er særlig egnet når kjernens hovedlegeme er rustfritt stål, idet som kjent pletterte lag på rustfrie stål har liten vedheft.

I alle de ovennevnte arrangementer er hver kjerne fortrinnsvis utstyrt med anordninger for tilkobling til verk-tøy slik at kjernen kan bli fastholdt for at den lett kan fjernes fra det ferdige borkronelegemet. F.eks. kan kjernen være utstyrt med en indre gjenget boring hvori en gjenget del av et uttrekkingsverktøy kan innsettes, eller den kan være utstyrt med en forlengelse som rager ut fra det ferdige borkronelegeme og som kan gripes av et egnet verktøy.

Når det med kjernene skal fremstilles sokler for bærere for skjæreelementer, vil normalt bærerne og soklene være sylindriske, f.eks. med sirkulært eller rektangulært tverrsnitt. Andre utforminger er imidlertid mulige, og oppfinnelsen omfatter også et arrangement hvor sokkel og bærer for det skjærede element smalner innover ettersom de utstrekker seg fra overflaten av borkronelegemet. Slik avsmalning innover kan ha flere fordeler.

Når en sylindrisk bærer og sokkel således anvendes i en presspasningsmetode, er det nødvendig å utøve en betydelig presskraft mot bæreren under hele dens innsetning i sokkelen, mens det med en avsmalnet bærer kun er nødvendig med neglisjerbar kraft for å sette bæreren mesteparten av strekningen inn i sokkelen, og betydelig kraft er bare nød-vendig for den siste korte bevegelsesstrekning. Når en sylindrisk bærer presses inn i en sokkel, kan oppskraping av overflaten av bæreren og/eller sokkelen oppstå, dersom disse elementer er blitt unøyaktig tilpasset, med det resultat at det kan bli umulig enten å presse bæreren helt inn i sokkelen eller å fjerne den. En avsmalnet bærer kan enkelt tilpasses i sokkelen ved å innsette den så langt som den vil gå inn i sokkelen uten å bruke vesentlig kraft. Den lengde av bæreren som da rager ut fra sokkelen indikering den kraft som er nødvendig for å skru bæreren på plass. Dette betyr at dersom mer enn en forutbestemt lengde av bæreren rager ut fra sokkelen, er det åpenbart at bæreren ikke er tilstrekkelig og nøyaktig tilpasset til sokkelen.

Soklene kan diamantslipes til de nødvendige nøyaktige dimensjoner før en bærer presspasses. Og slik diamantsliping er enklere når sokkelen er avsmalnet siden dette ikke krever radialt ekspanderende slipeverktøy.

I de tilfelle hvor bæreren er krympet i sokkelen kan vanskeligheter også oppstå med sylindriske bærere og sokler. Idet bæreren settes i sokkelen i det varme borkronelegemet blir den oppvarmet selv og utvider seg, og den kan således bli sittende fast delvis inne i sokkelen, noe som medfører vanskeligheter med den etterfølgende fjerning. Det er mindre sannsynlig at dette kan oppstå med en avsmalnet bærer og sokkel, og i et hvert tilfelle vil avsmalning lette fjerningen av bæreren fra borkronelegemet, dersom det er nødvendig.

I samsvar med dette kan ifølge den foreliggende oppfinnelse kjernene være avsmalnet for å frembringe avsmalnede sokler i det ferdige borkronelegemet, og det er også ønskelig at slik avsmalning også letter fjernelsen av formene fra borkronelegemet etter infiltrasjonen.

I det følgende gis mer detaljert beskrivelse^ av oppfinnelsen under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Figur 1 viser et sideriss av en typisk borkrone av den type hvor oppfinnelsen er anvendelig,

Figur 2 viser et enderiss av borkronen i figur 1,

Figur 3 viser et vertikalsnitt gjennom en form og viser fremstillingen av borkronen ifølge oppfinnelsen.

I fig. 1 og 2 er en borkrone 10 typisk fremstilt av en wolframkarbid-matrise blandet med en bindemiddellegering, og har et gjenget skaft 11 på en ende for kopling til en borestreng.

Borkronens arbeidsendeflate 12 er dannet med et antall blader 13 som rager radialt fra den sentrale del av kronen, og bladene bærer skjærestrukturer 14 i avstand fra hverandre langs bladlengden.

Kronen har en styreseksjon med anslag 16 som skal være i kontakt med veggen av borehullet for å stabilisere kronen i borehullet. En sentral kanal (ikke vist) i borkronelegemet og skaftet leverer borevæske gjennom dyser 17 i endeflaten 12 på kjent måte for å spyle og/eller kjøle skjæreelementene.

I det spesielle arrangementet som er vist, omfatter hver skjærestruktur 14 et prefabrikert skjæreelement montert på en bærer i form av en tapp som er lokalisert i borkronelegemets sokkel. På vanlig måte er hvert prefabrikert skjæreelement vanligvis sirkulært og omfatter et tynt overflatelag av polykrystallinsk diamant bundet til et bakre lag av wolframkarbid. Det skal imidlertid bemerkes at dette er bare ett eksempel av de mange mulige variasjoner av typen av bor kronelegemer hvor oppfinnelsen er anvendelig, og inkluderer borkroner hvor hvert prefabrikert skjæreelement omfatter enhetlige lag av termisk stabilt materiale av polykrystallinsk diamant.

Figur 3 viser en fremgangsmåte til fremstilling av en borkrone av den type som vises i figurene 1 og 2. Figur 3 viser en todelt form 19 dannet av grafitt og har en indre utforming som stort sett motsvarer den påkrevde overflateform av borkronelegemet eller en del av den. Formen kan f.eks. være dannet med avlange fordypninger motsvarende bladene 13. Atskilt fra hverandre langs hver bladdannede fordypning er der et antall sokler 20 som hver opptar en sylindrisk_kjerne 21a - 21e, og kjernene har til oppgave å danne matrisesoklene for opptagelse av tappene hvor skjæreelementene er montert. I samsvar med dette har kjernene samme tverrsnittform som tappene, f.eks. sirkulær (som vist) eller rektangulærform. Alternativt kan imidlertid som tidligere nevnt kjernene og tappene være avsmalnet. Den detaljerte konstruksjon av kjernene vil bli beskrevet nedenfor.

Matrisematerialet formes på og inne i en hul stålinnsats 30. Innsatsen er støttet i formen 19 slik at dens ytre overflate er i avstand fra den indre overflate av formen. Innsatsen har et øvre indre sylindrisk hulrom 31 i forbindelse med et lavere divergerende hulrom 32.

Det er også anbrakt en sokkel 22 i formen 19, på hver ønsket lokalisering for en dyse 17, som opptar en ende av en forlenget avtrappet sylindrisk kjerne 23 som rager inn i formrommet inne i det lavere hulrom 32 i den hule stålinnsats 30. Kjernen 23 omfatter en første stort sett sylindrisk del 24, en andre sylindrisk del 25 dannet med en ytre skrugjenge 26, en tredje konisk del 27 og en fjerde avlang del 28 med mindre diameter.

Etter at kjernene 21 og 23 er i posisjon, og før stålinnsatsen 30 settes på plass, kan formens bunn og det utadragende part av delen 24 av kjernen 23 pålegges et lag av hardt matrisedannende materiale for å danne en hard overflate på endeflaten av borkronen og på dysesokkelens sylindriske munn.

Stålinnsatsen 30 innsettes i formen og støttes med dens ytre overflate i avstand fra formens indre overflater. Matriseformede materiale i pulverform (f.eks., pulverisert wolframkarbid) pakkes rundt yttersiden av stålinnsatsen og inne i det lavere divergerende hulrom 32 av innsatsen, og rundt kjernen 23 og kjernene 21. Wolfram metallpulver pakkes deretter i det øvre hulrom 32 i stålinnsatsen 30. Det matrisedannede materiale blandes deretter på kjent måte med en egnet bindelegering i en ovn for å danne matrisen.

Etter at borkronen er tatt ut av formen, fjernes kjernene 21 og 23 fra borkronen og de dannede soklene er så i stand til å motta henholdsvis skjærestrukturene 14^og dysene 17.

Hittil har kjernene 21 og 23 på konvensjonell måte blitt fremstilt av grafitt med de uheldige konsekvenser som det er referert til tidligere. Ifølge oppfinnelsen, blir imidlertid noen eller alle kjernene dannet av et materiale med en varme-utvidelseskoef f isient som ikke er mindre enn matrisematerialets. Hver slik kjerne er også fortrinnsvis dannet, i det minste ved de ytre overflater, av materialer som ikke fukter eller reagerer med den bindelegeringen som anvendes i matrisematerialet. Kjernene kan f.eks. fremstilles av austenittisk rustfritt stål som har en varmeutvidelses-koef f isient som er merkbart høyere enn matrisens. Som en konsekvens av dette blir kjernene, når de avkjøles av matrisen, i motsetning til grafittkjerner, ikke utsatt for nevneverdige kompresjonskrefter, idet de er fremstilt av et materiale med større dimensjonsstabilitet enn grafitt, og de blir ikke deformert i en slik grad at det forårsaker alvorlige variasjoner i soklenes dimensjoner.

For å hindre reaksjon mellom det rustfrie stål i kjernene og bindelegeringen, kan hver kjerne bestå av et hovedlegeme av rustfritt stål med et overflatebelegg enten i form av et slippmiddel, så som bornitrid, eller i form av et plettert lag såsom bronse eller titannitrid.

Hver kjerne kan være utstyrt med hjelpemidler som gjør den lettere å fjerne fra den ferdige borkrone. Dysekjernen 24 kan f.eks. være utformet i ett stykke med en utadragende rektangulær endeknast 33 for festing av en skrunøkkel slik at kjernen 24 kan skrus ut av borkronen.

Kjernen 21a er dannet med en indre gjenget blindboring hvor en gjenget del av et uttrekkingsverktøy kan innsettes, og på samme måte er kjernen 21c utstyrt med en indre gjenget boring som løper gjennom hele kjernen.

Kjernen 21e er dannet med en utadragende ytre gjenget knast for tilkobling på en indre gjenging av et uttrekkings-verktøy.

Kjernen 21d er vist som et eksempel på en kjerne som smalner mot det indre av formrommet slik at det dannes en sokkel for festing av en tilsvarende avsmalnet tapp og som bærer et skjæreelement. De fordeler dette kan ha er omtalt tidligere.

Disse kjernearrangementer er vist kun som eksempler, og det anses at i praksis vil alle skjærestrukturkjerner være likeverdige.

Som tidligere omtalt resulterer bruk av kjernen, ifølge oppfinnelsen, i sokler i borkronen med mindre toleranse enn det er mulig med grafittkjerner, og således lettes krymping eller presspasningen av skjærestrukturenes tapper i borkronen.

Claims (16)

1. Fremgangsmåte til pulvermetallurgisk fremstilling av en rotérbar borkrone som omfatter et borkronelegeme (10) med en utvendig overflate (12) på hvilken det er montert et antall skjæreelementer (14), og en kanal for tilførsel av borevæske til overflaten av borkronen, og fremgangsmåten omfatter trinnene at det dannes en hul form (19) for å forme i det minste en del av borkronelegemet, og i det minste en del av formen pakkes med pulveraktig matrisemateriale som blandes med en metallegering i en ovn til dannelse av en matrise, og metoden omfatter videre trinnet, før formen pakkes^ med pulver matrisemateriale, anbringelse på den indre overflate av formen minst en kjerne (21, 23) som rager inn i det indre av formrommet med den ønskede plassering for en sokkel i krone-legemet, karakterisert ved at det anvendes en kjerne (21, 23) fremstilt av et materiale med en varmeut-videlseskoef f isient som ikke er mindre enn den for matrisematerialets .
2. 2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved kjernens (21, 23)

   varmeutvidelseskoeffisient er merkbart større enn matrisematerialets .
3. 3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at kjernen (21, 23) omfatter rustfritt stål.
4. 4. Fremgangsmåte i samsvar med krav 3, karakterisert ved at kjernen (21, 23) omfatter austenitisk rustfritt stål.
5. 5. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at kjernen (21, 23) er stort sett sylindrisk.
6. 6. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-4, karakterisert ved at kjernen

   (21d) smalner av mot det indre av formrommet.
7. 7. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-6, karakterisert ved at kjernen (21, 23) er dannet av et materiale, i det minste ved den ytre overflate, som ikke fukter eller reagerer med bindelegeringen som anvendes i matrisematerialet.
8. 8. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-7, karakterisert ved at kjernen (21, 23) omfatter et hovedlegeme av materiale med et overflatebelegg, og materialet i hovedlegemet har en varmeutvidelseskojef f isient som ikke er mindre enn matrisematerialets og overflatebelegget er av et materiale som ikke fukter eller reagerer med den bindelegeringen som anvendes i matrisematerialet.
9. 9. Fremgangsmåte i samsvar med krav 8, karakterisert ved at overflatebelegget er et keramisk materiale.
10. 10. Fremgangsmåte i samsvar med krav 9, karakterisert ved at overflatebeleggmaterialet er bornitrid.
11. 11. Fremgangsmåte i samsvar med krav 8, karakterisert ved at overflatebelegget omfatter et overflatelag plettert på kjernehovedlegemet.
12. 12. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11, karakterisert ved at hovedlegemet av kjernen (21, 23) omfatter rustfritt stål og materialet av overflatebelegget plettert på hovedlegemet er valgt fra en kobber-tinn legering eller titannitrid.
13. 13. Fremgangsmåte i samsvar med krav 11, karakterisert ved at materialene av overflatelaget på hovedlegemet av kjernen (21, 23) velges slik at overflatebeleggets vedheftelse til den indre overflate av sokkelen er større enn vedheftelsen av overflatebeleggmaterialet til kjernens hovedlegeme.
14. 14. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravet 1-13, karakterisert ved at kjernen (21a, 21c, 21e, 23) er utstyrt med hjelpemidler for tilkobling til et verktøy slik at kjernen kan fastholdes for at den lettere kan fjernes fra det ferdige borkronelegemet.
15. 15. Fremgangsmåte i samsvar med krav 14, karakterisert ved at kjernen (21a, 21c) er utstyrt med en indre gjenget boring hvor en gjenget del av et uttrekkingsverktøy kan innsettes.
16. 16. Fremgangsmåte i samsvar med krav 14, karakterisert ved at kjernen (21e, 23) er utformet i ett stykke med en utdragende forlengelse som strekker seg ut fra det ferdige borkronelegemet og som kan fastholdes av et egnet verktøy.