RU2270318C1

RU2270318C1 - Drilling bit with hard-alloy cutting structure

Info

Publication number: RU2270318C1
Application number: RU2004121003/03A
Authority: RU
Inventors: Родион Михайлович Богомолов (RU); Родион Михайлович Богомолов; Андрей Георгиевич Ищук (RU); Андрей Георгиевич Ищук; Михаил Викторович Гавриленко (RU); Михаил Викторович Гавриленко; Владимир Геннадьевич Неупокоев (RU); Владимир Геннадьевич Неупокоев; Леонид Владимирович Морозов (RU); Леонид Владимирович Морозов; В чеслав Петрович Мокроусов (RU); Вячеслав Петрович Мокроусов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Волгабурмаш" (ОАО "Волгабурмаш")
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-02-20

Abstract

FIELD: bore drilling equipment, particularly drilling bits with hard-alloy cutting structures.

SUBSTANCE: drilling bit comprises body with legs having pins to which cutters with rock-cutting teeth are rotationally connected. Cylindrical surface of tooth end is inserted in cylindrical hole below outer bit surface for depth δ=(0.05-0.16)h, where h is rock-cutting tooth head height projecting over cylindrical end thereof.

EFFECT: increased reliability of hard-alloy teeth securing in drilling bit body and increased durability of the teeth.

2 dwg

Description

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано в буровых долотах, имеющих твердосплавное вооружение шарошек.The invention relates to the field of well drilling and can be used in drill bits having carbide carbide weapons.

Известно буровое долото с твердосплавным (штыревым) вооружением, закрепленным на корпусе шарошек. Технология закрепления твердосплавных зубков в шарошках буровых долот различна. Существует, например, установка зубков в гнезда с зазором с последующей пайкой методом окунания в расплавленный припой, который заполняет зазор и удерживает зубки в гнездах в корпусе шарошек во время процесса бурения. Недостатки этого способа установки зубков состоят в сложности и опасности работы с расплавом припоя, а также в том, что недостаточно чистые поверхности зубков и гнезд не обеспечивают 100% смачивания и заполнения зазоров и не гарантируют от выпадания зубков из гнезд во время работы.Known drill bit with carbide (pin) weapons mounted on the roller cone body. The technology for fixing carbide teeth in the cone of drill bits is different. There is, for example, the installation of teeth in nests with a gap, followed by soldering by dipping into molten solder, which fills the gap and holds the teeth in nests in the roller cutter body during the drilling process. The disadvantages of this method of installing the teeth are the complexity and danger of working with the solder melt, as well as the fact that insufficiently clean surfaces of the teeth and nests do not provide 100% wetting and filling of the gaps and do not guarantee that the teeth fall out of the nests during operation.

Наиболее распространенным способом закрепления твердосплавных зубков в гнездах (отверстиях) в корпусе шарошек является холодная запрессовка их с натягом. Технологии выполнения гнезд в корпусе шарошек различны. Имеются технологии выполнения гнезд в шарошках сверлением до их химико-термической обработки (ХТО) с последующей финишной разверткой или чистовым сверлением после ХТО. Затем в подготовленные отверстия запрессовываются с натягом от 0,06 до 0,18 мм в первом случае и с натягом 0,08-0,14 мм во втором случае твердосплавные зубки цилиндрической частью, имеющей различные виды заходных фасок. Например, в долоте [1] на твердосплавных зубках предусмотрены конические заходные фаски, в другом долоте [2] предусмотрены плавные скругленные заходные фаски для компенсации любого углового отклонения при запрессовке зубков на прессе.The most common way to fix carbide teeth in the nests (holes) in the cone body is to press them tightly. The technology for making nests in the housing of the cones is different. There are technologies for making nests in cones by drilling prior to their chemical-thermal treatment (XTO), followed by a final sweep or fine drilling after XTO. Then, they are pressed into the prepared holes with an interference of 0.06 to 0.18 mm in the first case and with an interference of 0.08-0.14 mm in the second case, carbide teeth with a cylindrical part having various types of lead-in chamfers. For example, in a chisel [1] on carbide teeth there are conical inlet chamfers, in another chisel [2] there are smooth rounded inlet chamfers to compensate for any angular deviation when pressing in the teeth on the press.

Однако и в первом, и во втором вариантах запрессовки зубков имеется основной недостаток - решая проблемы равномерного распределения напряжений в боковых стенках отверстий, они не решают проблемы образования трещин на поверхности шарошек при высоких предельных значениях натяга и выпадания зубков при недостаточной величине нижних предельных значений натяга, а также проблемы повышения стойкости выступающей части твердосплавных зубков.However, in the first and second versions of the insertion of the cloves there is a main drawback - solving the problems of the even distribution of stresses in the side walls of the holes, they do not solve the problem of cracking on the surface of the cones with high limit values of interference and falling out of the teeth with insufficient lower limit values of interference as well as problems of increasing the resistance of the protruding part of carbide teeth.

Ближе других к решению этих задач подходит способ установки твердосплавных зубков [3], использующий свойство теплового расширения материалов. Недостатком этой технологии является необходимость работы операторов с горячей шарошкой и охлажденными твердосплавными зубками, а также большая разница в коэффициентах линейного теплового расширения, приводящая к нестабильности величин натяга при разных температурах, и требует очень быстрого запрессовывания, не допуская охлаждения шарошек.Closer than others, a method for installing carbide teeth [3], using the property of thermal expansion of materials, is suitable for solving these problems. The disadvantage of this technology is the need for operators to work with hot cones and chilled carbide teeth, as well as a large difference in the coefficients of linear thermal expansion, which leads to instability of interference values at different temperatures, and requires very fast pressing, preventing the cones from cooling.

Известно также решение, предлагаемое в патенте [4], в котором в районе донышка на боковых стенках отверстий под запрессовку твердосплавных зубков предусмотрено образование полосы из деформированного и сжатого металла с заменой зоны напряжений на зону сжатия, что способствует снижению усталостных напряжений в процессе бурения.The solution proposed in the patent [4] is also known, in which, in the region of the bottom on the side walls of the openings, for inserting carbide teeth, a strip of deformed and compressed metal is provided with the stress zone replaced by the compression zone, which helps to reduce fatigue stresses during drilling.

В качестве прототипа принято буровое долото, предлагаемое в патенте [5], в котором частично решается проблема предотвращения трещинообразования на поверхности шарошек при предельных значениях натяга за счет фрезеровки на конической поверхности венцов шарошек плоских площадок, перпендикулярных направлению оси отверстия под каждый зубок. Этим достигается 100%-ный контакт фасонной фаски зубка с поверхностью шарошки на входе в отверстие, чем снижается возможность перекоса осей зубка и отверстия во время запрессовки, неизбежная при конической площадке. Однако и в этом решении недостатками, как и у аналогов, являются нерешенные проблемы трещинообразования на поверхности шарошек при предельных значениях натяга, а также повышение стойкости выступающей над поверхностью шарошки рабочей головки твердосплавных зубков.The drill bit proposed in the patent [5] was adopted as a prototype, in which the problem of preventing crack formation on the cone surface at extreme values of interference due to milling on the conical surface of the cones of the cones of flat areas perpendicular to the direction of the axis of the hole for each tooth is partially solved. This achieves 100% contact of the shaped chamfer of the tooth with the surface of the cone at the entrance to the hole, which reduces the possibility of skewing the axes of the tooth and hole during pressing, which is inevitable with a conical platform. However, in this solution, the drawbacks, as well as analogues, are the unsolved problems of cracking on the surface of the cones with extreme values of interference, as well as increasing the resistance of the working head of carbide teeth protruding above the surface of the cone.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности закрепления твердосплавных зубков в корпусе шарошки, а также повышение стойкости самих зубков.The technical result of the present invention is to increase the reliability of fixing carbide teeth in the cone body, as well as to increase the resistance of the teeth themselves.

Указанный технический результат достигается тем, что в буровом долоте с твердосплавным вооружением, содержащем корпус с лапами, на цапфах которых подвижно закреплены шарошки с породоразрушающими зубками, цилиндрическая поверхность хвостовика зубка помещена в цилиндрическое отверстие ниже наружной поверхности венца на величину δ, составляющую, δ=(0,05-0,16)h, где h - высота породоразрушающей головки зубка, выступающая над его цилиндрической хвостовой частью.The indicated technical result is achieved by the fact that in the drill bit with carbide armament containing a body with paws, on the trunnions of which the cones with rock cutting teeth are movably fixed, the cylindrical surface of the shank of the tooth is placed in the cylindrical hole below the outer surface of the crown by a value of δ, component, δ = ( 0.05-0.16) h, where h is the height of the rock-cutting head of the tooth protruding above its cylindrical tail.

Перечень фигур чертежей. На фиг.1 показан частичный разрез по венцу шарошки бурового долота с существующей технологией запрессовки зубков, где поз. 1 обозначен фрагмент шарошки, поз. 2 - твердосплавный зубок с полусферической рабочей головкой, выступающей на высоту h над цилиндрическим хвостовиком 3 твердосплавного зубка, H - общая высота зубка, L - глубина запрессовки зубка.The list of figures drawings. Figure 1 shows a partial section along the crown of the cone of the drill bit with the existing technology of pressing in the teeth, where pos. 1 denotes a fragment of the cone, pos. 2 - carbide tooth with a hemispherical working head protruding to a height h above the cylindrical shank 3 of carbide tooth, H is the total height of the tooth, L is the depth of insertion of the tooth.

На фиг.2 изображен фрагмент шарошки долота с предлагаемым вариантом запрессовки зубков. Поз.1-3 и обозначения h, L - как и на фиг.1. Поз.4 - поясок шириной δ цилиндрической части отверстия шарошки над запрессовываемой частью зубка.Figure 2 shows a fragment of the cone bits with the proposed option of pressing in the teeth. Pos.1-3 and the notation h, L - as in Fig.1. Pos.4 - a belt of width δ of the cylindrical part of the cone hole above the pressed part of the clove.

Величина δ=(0,05÷0,16)h определена опытным путем исходя из размеров зубков, опасных сечений шарошки для различных типоразмеров буровых долот. Заглубление цилиндрической части зубка ниже уровня наружной поверхности шарошки на указанную глубину позволяет решить следующие задачи.The value δ = (0.05 ÷ 0.16) h is determined empirically based on the size of the teeth, the dangerous sections of the cone for various sizes of drill bits. Deepening the cylindrical part of the clove below the level of the outer surface of the cone at a specified depth allows you to solve the following problems.

Во-первых, резко улучшается напряженно-деформированное состояние всего поверхностного слоя вокруг кромки отверстия, именно там, где обычно при запрессовке зубков зарождаются микротрещины, которые после приложения циклических, знакопеременных нагрузок, воспринимаемых выступающей частью зубка при перекатывании шарошек под высокой нагрузкой по забою, развиваются в макротрещины.Firstly, the stress-strain state of the entire surface layer around the edge of the hole sharply improves, precisely where microcracks usually arise during the insertion of teeth, which, after applying cyclic, alternating loads perceived by the protruding part of the tooth when rolling cones under high load on the bottom, develop in macrocracks.

Во-вторых, часть стенки на входе в отверстие над зубком за счет упругой деформации после запрессовки зубка возвращается к первоначальному размеру, т.е. увеличивается на величину натяга (в среднем на 0,11 мм). Этот нависающий поясок (поз.4 на фиг.2) даже без увеличения общей величины натяга при запрессовке значительно повышает надежность закрепления зубка в корпусе шарошки.Secondly, a part of the wall at the entrance to the hole above the tooth due to elastic deformation after pressing the tooth back to its original size, i.e. increases by the amount of interference (an average of 0.11 mm). This overhanging girdle (pos. 4 in FIG. 2) even without increasing the total interference fit during press-in, significantly increases the reliability of fixing the tooth in the cone body.

Эксперименты по выпрессовке зубков, запрессованных с натягом 0,11 мм в отверстия с нависающим пояском в плоской плите, когда зубки выпрессовывались толкателем со стороны нижнего торца зубка, показали, что усилия выпрессовки указанных зубков значительно выше (на 11÷17%), чем усилия выпрессовки зубков, боковая цилиндрическая поверхность которых при той же длине контакта со стенкой отверстия после запрессовки выступала над поверхностью шарошки.The experiments on extruding the teeth pressed with an interference of 0.11 mm into the holes with an overhanging girdle in a flat plate, when the teeth were extruded by a pusher from the side of the lower end of the tooth, showed that the efforts of extruding these teeth are much higher (by 11 ÷ 17%) than the efforts pressing out the teeth, the lateral cylindrical surface of which with the same length of contact with the wall of the hole after pressing protruded above the surface of the cone.

В-третьих, во время изготовления зубков в зоне пресс-формы, где останавливается верхний пуансон, на переходе выступающей породоразрушающей поверхности в цилиндрический хвостовик зубка создается ослабленная зона из-за неравномерности пропрессовки твердосплавной смеси. Часто при перепрессовке головки зубка в указанной зоне возникают поперечные трещины, часть которых затягивается при последующем спекании твердого сплава. Когда же часть таких трещин сохраняется, они могут являться концентраторами напряжений - причиной преждевременной поломки зубков «заподлицо» с поверхностью шарошки - в зоне перехода головки в хвостовик. Поэтому заглубление ослабленной зоны зубков под защиту стенкой отверстия ниже поверхности шарошки в свою очередь способствует повышению стойкости твердосплавного вооружения шарошек буровых долот.Thirdly, during the manufacture of the cloves in the mold zone, where the upper punch stops, a weakened zone is created at the transition of the protruding rock-cutting surface into the cylindrical shank of the clove due to the uneven pressing of the carbide mixture. Often, when the clove head is re-pressed in the indicated zone, transverse cracks occur, some of which are tightened during subsequent sintering of the hard alloy. When some of these cracks remain, they can be stress concentrators — the cause of premature breakage of the teeth “flush” with the cone surface — in the transition zone of the head into the shank. Therefore, the deepening of the weakened zone of the teeth under the protection of the wall of the hole below the surface of the cone, in turn, increases the resistance of carbide weapons cone drill bits.

Предлагаемый вариант закрепления твердосплавных зубков в корпусе шарошки позволяет повысить надежность работы буровых долот с твердосплавным вооружением.The proposed option for fixing carbide teeth in the cone body improves the reliability of drill bits with carbide weapons.

Данное изобретение может быть применено в любых типах буровых долот с твердосплавным вооружением, включая шарошечные; оно легко воспроизводится и надежно в работе.This invention can be applied in any type of carbide drill bit, including roller cone; It is easy to reproduce and reliable.

Источники информацииInformation sources

1. Патент США №4705123 МПК⁴ E 21 B 10/46.1. US patent No. 4705123 IPC ⁴ E 21 B 10/46.

2. Патент США №4660660 МПК⁴ E 21 B 10/52.2. US patent No. 4660660 IPC ⁴ E 21 B 10/52.

3. Патент США №4774270 МПК⁴ E 21 K 5/02.3. US patent No. 4774270 IPC ⁴ E 21 K 5/02.

4. Патент США №4823893 МПК⁴ E 21 B 10/46.4. US Patent No. 4823893 IPC ⁴ E 21 B 10/46.

5. Патент США №6095264 МПК⁷ E 21 B 10/16.5. US patent No. 6095264 IPC ⁷ E 21 B 10/16.

Claims

A drill bit with carbide armament, comprising a body with paws, on the trunnions of which the cones with rock-cutting teeth are movably fixed, characterized in that the cylindrical surface of the shank of the tooth is placed in the cylindrical hole below the outer surface of the crown by a value of δ, which is δ = (0.05-0 , 16) h, where h is the height of the rock-cutting head of the tooth protruding above its cylindrical tail.