RU2456427C2 - Drilling bit with cutting element sintered together with rolling cutter housing - Google Patents

Abstract

FIELD: mining.

SUBSTANCE: formation method of cutting assembly to be used in drilling tool involves preparation of incompletely sintered rolling cutter housing, which contains solid particles and matrix material, placing at least of one cutting element on that incompletely sintered cutter housing and sintering of cutter housing till final density with fusion of at least one cutting element into it. Cutting assembly to be used in drilling tool includes at least one cutting element which has been sintered and which comprises and integral part of cutter housing; at that, the latter includes matrix-particles composite material with the first composition of material, and at least one cutting element includes matrix-particles composite material with the second material composition which differs from the first composition.

EFFECT: improving performance characteristics and durability of drilling tool; improving stability to abrasive wear.

20 cl, 10 dwg

Description

Translated fromRussian

Притязание на приоритетPriority Claim

Настоящая заявка претендует на приоритет патентной заявки US 11/710091, поданной 23 февраля 2007 г., на "Буровой инструмент и режущие узлы, режущий элемент которых спечен с корпусом шарошки, и способы его использования".This application claims the priority of patent application US 11/710091, filed February 23, 2007, for "Drilling tools and cutting units, the cutting element of which is sintered with the roller cutter body, and methods for its use."

Область техникиTechnical field

Настоящее изобретение в общем относится к буровому инструменту, снабженному одной или более вращающимися шарошками. В частности, варианты осуществления настоящего изобретения относятся к способам формирования режущих узлов для такого бурового инструмента, в которых шарошка включает композитный материал "матрица-частицы", к режущим узлам, сформированным такими способами, и к буровому инструменту, включающему такие режущие узлы.The present invention generally relates to a drilling tool provided with one or more rotating cones. In particular, embodiments of the present invention relate to methods for forming cutting units for such a drilling tool, in which the cutter comprises a matrix-particle composite material, to cutting units formed by such methods, and to a drilling tool including such cutting units.

Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION

Инструмент для бурения земных пород, включающий долота для роторного бурения, обычно используется для бурения буровых скважин или скважин в земных породах. К одному из типов долот для роторного бурения относится шарошечное коническое долото (также называемое "шарошечным долотом"), которое обычно имеет несколько конических режущих элементов (часто называемых "шарошками" или "резцами"), прикрепленных к лапам, отходящим от корпуса долота. Например, корпус долота шарошечного конического долота может включать три отходящие лапы, на каждой из которых имеется шейка оси опорного подшипника. На каждой из шеек может быть установлена вращающаяся шарошка. Корпус долота также может включать верхний конец с резьбой для присоединения бурового долота к бурильной колонне.An earth drilling tool including rotary drill bits is typically used to drill boreholes or wells in earth formations. One type of rotary drill bit is a conical cone bit (also called “cone bit”), which usually has several conical cutting elements (often called “cone cutters” or “incisors”) attached to paws extending from the body of the bit. For example, a cone bit cone bit body may include three outgoing legs, each of which has a journal neck axis. A rotating cone can be mounted on each of the necks. The bit body may also include a threaded upper end for attaching the drill bit to the drill string.

В некоторых шарошечных конических долотах, вращающиеся шарошки могут включать вставки или прессованные пластинки, отформованные из композитного материала "матрица-частица" и закрепленные в сопряженных с ними отверстиях, выполненных в наружной поверхности корпуса шарошки. Вставки выступают из наружной поверхности корпуса шарошки таким образом, что захватывают и разрушают земную породу при прохождении вращающейся шарошки по поверхности земной породы в буровой скважине в процессе бурения. Подобные вставки могут быть сформированы прессованием порошковой смеси в пресс-форме. Порошковая смесь может включать множество твердых частиц (например, карбида вольфрама) и множество частиц, включающих матричный материал (например, металл или сплав металла). Спрессованная порошковая смесь может быть затем спечена с образованием вставки. В некоторых шарошечных конических долотах корпус вращающихся шарошек (или по меньшей мере наружные оболочки вращающихся шарошек) может быть выполнен из стали. Композитный материал "матрица-частица", из которого изготавливаются вставки, может иметь большую устойчивость к абразивному износу по сравнению с корпусом (или по меньшей мере наружной оболочкой) вращающихся шарошек. В процессе бурения износ корпуса вращающейся шарошки может стать настолько большим, что одна или более вставок может выпасть из отверстия, в котором она была закреплена, из-за чрезмерного износа корпуса шарошки вокруг отверстия.In some conical cone bits, rotary cones may include inserts or extruded plates molded from a matrix-particle composite material and secured in mating holes formed in the outer surface of the cone cone. The inserts protrude from the outer surface of the cone in such a way that they capture and destroy the rock during the passage of the rotating cone on the surface of the earth in the borehole during drilling. Such inserts can be formed by compressing the powder mixture in a mold. A powder mixture may include a plurality of solid particles (e.g., tungsten carbide) and a plurality of particles including matrix material (e.g., metal or metal alloy). The compressed powder mixture can then be sintered to form an insert. In some conical cone bits, the body of the rotating cones (or at least the outer shells of the rotating cones) can be made of steel. The matrix-particle composite material from which the inserts are made may have greater abrasion resistance compared to the rotary cone housing (or at least the outer shell). During drilling, the wear of the rotary cone body can become so large that one or more inserts can fall out of the hole in which it was fastened due to excessive wear of the cone body around the hole.

В других шарошечных конических долотах вращающиеся шарошки могут включать зубья, выполненные фрезерованием или механической обработкой непосредственно на наружной поверхности корпуса шарошки. После фрезерования зуба на него может быть нанесен материал твердосплавного упрочнения, а также на калибрующую поверхность и другие поверхности корпуса шарошки, соприкасающиеся с породой, для снижения износа этих поверхностей, соприкасающихся с породой. Материал твердосплавного упрочнения обычно включает композитный материал "матрица-частица". Например, материал твердосплавного упрочнения может включать зерна или гранулы из карбида вольфрама, заключенные в металле или сплаве металла.In other conical cone bits, rotary cones may include teeth made by milling or machining directly on the outer surface of the cone cone. After milling the tooth, carbide hardening material can be applied to it, as well as to the calibrating surface and other surfaces of the cone body in contact with the rock, to reduce wear on these surfaces in contact with the rock. Carbide hardening material typically includes a matrix-particle composite material. For example, carbide hardening material may include tungsten carbide grains or granules embedded in a metal or metal alloy.

Для нанесения твердосплавного упрочняющего композитного материала "матрица-частица" на поверхность детали, например, бурового инструмента, могут быть использованы различные известные способы. Например, из матричного материала может быть сформирована полая цилиндрическая трубка, которая может быть заполнена твердыми частицами (например, карбида вольфрама). По меньшей мере, один конец трубки может быть заглушен и помещен вблизи поверхности детали. Затем заглушенный конец трубки может расплавляться электрической дугой или пламенем горелки. При расплавлении трубки частицы карбида вольфрама внутри полой цилиндрической трубки смешиваются с расплавленным матричным материалом при его нанесении на деталь. В других способах вместо полой трубки, включающей матричный материал и заполненной твердыми частицами, может быть использован по существу сплошной стержень, включающий твердосплавный упрочняющий композитный материал "матрица-частица".For applying a carbide-reinforcing matrix-particle reinforcing composite material to the surface of a part, for example, a drilling tool, various known methods can be used. For example, a hollow cylindrical tube can be formed from the matrix material, which can be filled with solid particles (for example, tungsten carbide). At least one end of the tube may be plugged and placed near the surface of the part. Then, the plugged end of the tube can be melted by an electric arc or a flame of a torch. When the tube is melted, the tungsten carbide particles inside the hollow cylindrical tube are mixed with the molten matrix material when applied to the part. In other methods, instead of a hollow tube comprising a matrix material and filled with solid particles, a substantially solid rod may be used including a matrix-particle carbide reinforcing composite material.

Для нанесения твердосплавного упрочняющего материала на наружную поверхность детали может быть использована также и технология дуговой сварки (наплавки). Например, между электродом и областью на наружной поверхности детали, куда необходимо нанести твердосплавный упрочняющий материал, может быть сформирована электрическая дуга. Сквозь плазменную дугу или вблизи нее на область наружной поверхности детали может быть направлен поток порошковой смеси, включающий как твердые частицы, так и частицы, содержащие матричный материал. Выделяющееся в дуге тепло расплавляет по меньшей мере частицы матричного материала с образованием сварочной ванны на поверхности детали, которая в дальнейшем затвердевает, образуя твердосплавный упрочняющий композитный материал "матрица-частица".For the application of carbide hardening material on the outer surface of a part, the technology of arc welding (surfacing) can also be used. For example, an electric arc can be formed between the electrode and the region on the outer surface of the part where it is necessary to apply carbide reinforcing material. Through the plasma arc or near it, the flow of the powder mixture, including both solid particles and particles containing matrix material, can be directed to the region of the outer surface of the part. The heat generated in the arc melts at least particles of the matrix material to form a weld pool on the surface of the part, which subsequently hardens to form a matrix-particle carbide hardening composite material.

Нанесение твердосплавных упрочняющих покрытий может быть весьма трудоемким процессом, а достижение воспроизводимости толщины и однородности покрытия может вызывать сложности. Кроме того, нанесение твердосплавного упрочняющего материала на зубья вращающейся шарошки может ухудшить остроту режущих кромок зубьев. Может выполняться некоторая шлифовка твердосплавного покрытия для получения желаемой формы. В US 6766870 раскрыт способ придания нужной формы упрочненным зубьям посредством повторной механической обработки. Однако операция заточки упрочненных зубьев посредством шлифовки добавляет технологическую операцию и увеличивает трудоемкость и стоимость механических работ при изготовлении шарошечного конического долота.The application of carbide hardening coatings can be a very time-consuming process, and achieving reproducible thickness and uniformity of the coating can be difficult. In addition, the application of carbide reinforcing material on the teeth of a rotating cone can impair the sharpness of the cutting edges of the teeth. Some grinding of the carbide coating may be performed to obtain the desired shape. No. 6,766,870 discloses a method for shaping hardened teeth by repeated machining. However, the sharpening operation of hardened teeth by grinding adds a technological operation and increases the complexity and cost of mechanical work in the manufacture of cone bit.

Раскрытие изобретенияDisclosure of invention

В настоящем изобретении предлагается способ формирования режущих узлов для использования в буровом инструменте. Этот способ включает спекание не полностью спеченного корпуса шарошки до требуемой конечной плотности для вплавления по меньшей мере одного режущего элемента (в настоящем описании также называется вставкой) в корпус шарошки. Не полностью спеченный корпус шарошки может включать твердые частицы и матричный материал.The present invention provides a method for forming cutting units for use in a drilling tool. This method involves sintering the incompletely sintered cone body to the desired final density to weld at least one cutting element (also referred to as insert in the present description) into the cone body. An incompletely sintered cone body may include particulate matter and matrix material.

В настоящем изобретении также предлагается режущий узел для использования на буровом инструменте, имеющий один или более режущих элементов, спеченных совместно с корпусом шарошки и составляющих с ним единое целое. Как корпус шарошки, так и режущие элементы, могут включать композитный материал "матрица-частица". Состав материала корпуса шарошки может отличаться от состава материала по меньшей мере одного из режущих элементов.The present invention also provides a cutting unit for use on a drilling tool having one or more cutting elements sintered together with a cone body and constituting a whole with it. Both the cone body and the cutting elements may include a matrix-particle composite material. The composition of the material of the cone may differ from the composition of the material of at least one of the cutting elements.

Также предлагается буровой инструмент, имеющий по меньшей мере один такой режущий узел, закрепленный на шейке оси опорного подшипника с возможностью вращения.A drilling tool is also provided having at least one such cutting assembly mounted rotatably on the journal axis of the support bearing.

Описание чертежейDescription of drawings

В то время как описание завершается формулой, в которой конкретно определяются и ясно заявляются объекты настоящего изобретения, преимущества настоящего изобретения будут лучше понятны из приведенного ниже описания изобретения и приложенных чертежей, на которых:While the description concludes with a formula that specifically defines and clearly states the objects of the present invention, the advantages of the present invention will be better understood from the following description of the invention and the accompanying drawings, in which:

на фиг.1 представлен вид сбоку бурового долота в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;1 is a side view of a drill bit in accordance with an embodiment of the present invention;

на фиг.2 представлен вид фрагмента сечения варианта осуществления вращающегося режущего узла, включающего шарошку, который может быть использован в буровом долоте, показанном на фиг.1;FIG. 2 is a fragmentary sectional view of an embodiment of a rotating cutting assembly including a cutter that can be used in the drill bit shown in FIG. 1;

на фиг.3 схематически иллюстрируется способ формования шарошки вращающегося режущего узла в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения;figure 3 schematically illustrates a method of forming a cone of a rotating cutting unit in accordance with an embodiment of the present invention;

на фиг.4 схематически иллюстрируется другой способ формования шарошки вращающегося режущего узла в соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения;4 schematically illustrates another method for forming a cone of a rotating cutting assembly in accordance with another embodiment of the present invention;

на фиг.5А-5В иллюстрируется один вариант осуществления способа, который может быть использован для формирования шарошки вращающегося режущего узла, в соответствии с настоящим изобретением, например вращающегося режущего узла, показанного на фиг.2;5A-5B illustrate one embodiment of a method that can be used to form the cone of a rotating cutting assembly in accordance with the present invention, for example the rotating cutting assembly shown in FIG. 2;

на фиг.6А-6В иллюстрируется другой вариант осуществления способа, который может быть использован для формирования шарошки вращающегося режущего узла, в соответствии с настоящим изобретением, например вращающегося режущего узла, показанного на фиг.2;6A-6B illustrate another embodiment of a method that can be used to form the cone of a rotating cutting assembly in accordance with the present invention, for example the rotating cutting assembly shown in FIG. 2;

на фиг.7 представлен вид сбоку другого варианта осуществления бурового долота в соответствии с настоящим изобретением;7 is a side view of another embodiment of a drill bit in accordance with the present invention;

на фиг.8 представлен вид фрагмента разреза, иллюстрирующий другой вариант осуществления вращающегося режущего узла, включающего шарошку, в соответствии с изобретением, который может быть использован в буровом долоте, показанном на фиг.7;Fig. 8 is a sectional fragment view illustrating another embodiment of a rotating cutting assembly including a cutter in accordance with the invention, which can be used in the drill bit shown in Fig. 7;

на фиг.9 представлен вид фрагмента разреза одного варианта осуществления конструкции зуба, который может быть использован при создании вращающегося режущего узла, например режущего узла, показанного на фиг.8;Fig.9 is a fragmentary sectional view of one embodiment of a tooth structure that can be used to create a rotating cutting assembly, such as the cutting assembly shown in Fig.8;

на фиг.10 представлен вид фрагмента разреза другого варианта осуществления конструкции зуба, который может быть использован при создании вращающегося режущего узла, например режущего узла, показанного на фиг.8.figure 10 presents a view of a fragment of a section of another embodiment of the construction of the tooth, which can be used to create a rotating cutting unit, for example, the cutting unit shown in Fig. 8.

Способы выполнения изобретенияMethods of carrying out the invention

Приведенные здесь чертежи не являются реальными изображениями какого-либо конкретного материала, устройства, системы или способа, а иллюстрируют идеализированные представления, используемые для описания изобретения. Кроме того, одни и те же элементы на разных чертежах могут иметь одинаковые цифровые обозначения.The drawings given here are not real images of any particular material, device, system or method, but illustrate idealized representations used to describe the invention. In addition, the same elements in different drawings may have the same numerical designations.

Термин "зеленый" (green) может использоваться в соответствующей литературе как эквивалент используемого в настоящем описании термина "неспеченный".The term "green" can be used in the relevant literature as an equivalent to the term "green" as used herein.

Термин "неспеченный (зеленый корпус) долота" в настоящем описании означает неспеченную конструкцию, содержащую множество отдельных частиц, скрепляемых связующим материалом.The term "green (green body) bit" in the present description means green structure, containing many individual particles bonded with a binder material.

Термин "коричневый" (brown) может использоваться в соответствующей литературе как эквивалент используемого в настоящем описании термина "частично спеченный".The term “brown” can be used in the relevant literature as an equivalent to the term “partially sintered” as used herein.

Термин "частично спеченный (коричневый) корпус долота" в настоящем описании означает частично спеченную конструкцию, содержащую множество частиц, по меньшей мере некоторые из которых частично срослись, с образованием по меньшей мере частичного соединения между соседними частицами. Частично спеченные корпуса могут быть сформированы посредством частичного спекания неспеченного корпуса.The term "partially sintered (brown) bit body" in the present description means a partially sintered structure containing many particles, at least some of which are partially fused, with the formation of at least partial connection between neighboring particles. Partially sintered bodies may be formed by partially sintering an unsintered body.

Термин "спекание" в настоящем описании означает уплотнение порошкового компонента, включающее удаление по меньшей мере части пор между частицами в исходном состоянии (сопровождается усадкой), в сочетании со слипанием и скреплением соседних частиц.The term "sintering" in the present description means the compaction of the powder component, including the removal of at least part of the pores between the particles in the initial state (accompanied by shrinkage), in combination with adhesion and bonding of neighboring particles.

Используемый здесь термин "сплав [металла]" (где [металл] представляет собой любой металл) означает технически чистый [металл] в составе сплавов металла, где процентное весовое содержание [металла] превышает процентное весовое содержание любого другого компонента сплава.As used herein, the term “[metal] alloy” (where [metal] is any metal) means technically pure [metal] in metal alloys, where the percentage weight content of [metal] exceeds the percentage weight content of any other alloy component.

Используемый здесь термин "состав материала" означает химический состав и микроструктуру материала. Другими словами, материалы, имеющие одинаковый химический состав, но различную микроструктуру, считаются имеющими различный состав материала.As used herein, the term “material composition” means the chemical composition and microstructure of the material. In other words, materials having the same chemical composition but different microstructure are considered to have different material composition.

Используемый здесь термин "карбид вольфрама" означает любой материал, содержащий химические соединения вольфрама и углерода, например WC, W₂C и комбинации WC и W₂C. Карбид вольфрама включает, например, литой карбид вольфрама, спеченный карбид вольфрама и макрокристаллический карбид вольфрама.The term “tungsten carbide” as used herein means any material containing chemical compounds of tungsten and carbon, for example WC, W₂ C and combinations of WC and W₂ C. Tungsten carbide includes, for example, cast tungsten carbide, sintered tungsten carbide and macrocrystalline tungsten carbide.

Глубина пробуриваемых буровых скважин продолжает увеличиваться по мере того, как уменьшается число нефтегазоносных пластов, залегающих на малой глубине. Это увеличение глубин буровых скважин приводит к тому, что требования к эксплуатационным характеристикам и долговечности долот приближаются к пределам, характерным для обычных буровых долот. Часто для пробуривания одной скважины требуется использовать несколько буровых долот, а замена бурового долота на бурильной колонне может быть дорогой процедурой.The depth of drilled boreholes continues to increase as the number of oil and gas strata occurring at shallow depths decreases. This increase in the depth of the boreholes leads to the fact that the requirements for the performance and durability of the bits approach the limits typical of conventional drill bits. Often, drilling a single well requires several drill bits, and replacing a drill bit on a drill string can be an expensive procedure.

В целях улучшения рабочих характеристик и долговечности долот для роторного бурения земных пород проводятся исследования новых композитных материалов "матрица-частицы". В качестве примера, не ограничивающего изобретение, корпуса долот с запрессованными резцами для роторного бурения земных пород, включающие такие композитные материалы "матрица-частицы", и способы формирования таких корпусов раскрыты в находящихся в рассмотрении патентных заявках US 11/271153, поданной 10 ноября 2005 г., и US 11/272439, также поданной 10 ноября 2005 г. Кроме того, буровые долота с вращающимися режущими узлами, содержащие шарошки, сформированные из таких композитных материалов "матрица-частицы", а также способы формирования таких шарошек, раскрыты в находящейся в рассмотрении патентной заявке US 11/487890, поданной 17 июля 2006 г.In order to improve the performance and durability of bits for rotary drilling of terrestrial rocks, research is being conducted on new matrix-particle composite materials. By way of non-limiting example, bit bodies with molded cutters for rotary drilling of rock including such matrix-particle composite materials, and methods for forming such bodies are disclosed in pending patent applications US 11/271153, filed November 10, 2005 G., and US 11/272439, also filed November 10, 2005. In addition, drill bits with rotating cutting units containing cutters formed from such matrix-particle composite materials, as well as methods for forming such cutters, indoor in the located in the pending patent application, US 11/487890, filed July 17, 2006

Буровое долото 10 в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения показано на фиг.1. Буровое долото 10 включает корпус 12 долота и несколько вращающихся режущих узлов 14. Корпус 12 долота может включать несколько лап 16 долота, составляющих с ним единое целое, а в верхнем конце корпуса 12 долота может быть сделана резьба 18 для присоединения к бурильной колонне. Корпус 12 долота может иметь форсунки 20 для выпуска бурового раствора в буровую скважину, который в процессе бурения возвращается на поверхность вместе с осколками породы. Каждый из вращающихся режущих узлов 14 включает шарошку 22, содержащую композитный материал "матрица-частицы" и несколько режущих элементов, например показанные режущие вставки 24. Каждая шарошка 22 может иметь коническую калибрующую поверхность 26. Кроме того, каждая шарошка 22 может отличаться особой конфигурацией режущих вставок 24 или режущих элементов, благодаря которой шарошки 22 могут вращаться в непосредственной близости друг к другу, не мешая друг другу.Adrill bit 10 in accordance with an embodiment of the present invention is shown in FIG. Thedrill bit 10 includes abody 12 of the bit and severalrotating cutting units 14. Thebody 12 of the bit may includeseveral paws 16 bits that are integral with it, and at the upper end of thebody 12 of the bit can be madethread 18 for attachment to the drill string. Thehousing 12 of the bit may havenozzles 20 for discharging drilling fluid into the borehole, which during drilling returns to the surface along with fragments of rock. Each of therotating cutting assemblies 14 includes acone 22 containing a matrix-particle composite material and several cutting elements, for example, the cutting inserts 24 shown. Eachcone 22 may have aconical gauge surface 26. In addition, eachcone 22 may have a different cutting configuration inserts 24 or cutting elements, due to which thecones 22 can rotate in close proximity to each other without interfering with each other.

На фиг.2 представлен вид сечения, иллюстрирующий один из вращающихся режущих узлов 14 бурового долота 10, показанного на фиг.1. Видно, что на каждой лапе долота имеется шейка 28 оси опорного подшипника. Шарошка 22 может закрепляться на шейке 28 оси опорного подшипника и вращаться вокруг нее. Каждая шарошка 22 может иметь центральную полость 30 цилиндрической формы и может образовывать поверхность подшипника скольжения, примыкающую к шейке 28 оси опорного подшипника. Полость 30 может включать плоский упорный бурт 32, который принимает нагрузку бурильной колонны, действующую на шарошку 22. Как показано в данном примере, шарошка 22 может удерживаться на шейке 28 оси опорного подшипника несколькими фиксирующими шариками 34, расположенными в соответствующих пазах на поверхностях полости 30 шарошки и шейки 28 оси опорного подшипника. Кроме того, узел 36 уплотнения может герметизировать зазор в подшипнике между полостью 30 шарошки и шейкой 28 оси опорного подшипника. Узел 36 уплотнения может представлять собой металлическое торцевое уплотнение, как это показано на чертеже, либо может быть узлом уплотнения другого типа, например эластомерным узлом уплотнения.FIG. 2 is a sectional view illustrating one of therotating cutting units 14 of thedrill bit 10 shown in FIG. 1. It can be seen that on each leg of the bit there is aneck 28 of the axis of the support bearing. Thecone 22 can be fixed on theneck 28 of the axis of the support bearing and rotate around it. Eachcone 22 may have acentral cavity 30 of cylindrical shape and may form a sliding bearing surface adjacent to thejournal axis 28 of the support bearing. Thecavity 30 may include aflat thrust shoulder 32, which receives the load of the drill string acting on thecone 22. As shown in this example, thecone 22 can be held on theneck 28 of the axis of the support bearing by several lockingballs 34 located in corresponding grooves on the surfaces of thecone cavity 30 and theneck 28 of the axis of the support bearing. In addition, theseal assembly 36 may seal a bearing clearance between thecone cavity 30 and thejournal axis 28 of the journal bearing. Theseal assembly 36 may be a metal mechanical seal, as shown in the drawing, or it may be another type of seal assembly, for example, an elastomeric seal assembly.

В зазоры подшипника между полостью 30 и шейкой 28 оси опорного подшипника может подаваться смазка по каналам 38 для смазки. Каналы 38 для смазки могут проходить к резервуару, включающему компенсатор 40 давления (см. фиг.1).Grease can be supplied to the bearing clearances between thecavity 30 and thejournal 28 of the axis of the support bearing through thelubrication passages 38.Lubrication channels 38 may extend to a reservoir including a pressure compensator 40 (see FIG. 1).

Как упоминалось выше, шарошка 22 может включать спеченный композитный материал "матрица-частицы", содержащий множество твердых частиц, распределенных по матричному материалу. В некоторых вариантах осуществления шарошка 22 может состоять, в основном, из композитного материала "матрица-частицы". Твердые частицы могут включать алмаз или керамические материалы, например карбиды, нитриды, оксиды и бориды (включая карбид бора (В₄С)). В частности, твердые частицы могут включать карбиды или бориды на основе, например, W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al и Si В качестве примера, не ограничивающего изобретение, материалы, которые могут быть использованы для формирования твердых частиц, включают карбид вольфрама (WC, W₂C), карбид титана (TiC), карбид тантала (TaC), диборид титана (TiB₂), карбиды хрома, нитрид титана (TiN), карбид ванадия (VC), оксид алюминия (Al₂O₃), нитрид алюминия (AlN), нитрид бора (BN) и карбид кремния (SiC). Кроме того, для получения заданных физических свойств и характеристик композитного материала "матрица-частицы" могут быть использованы комбинации различных твердых частиц. Твердые частицы могут быть получены с использованием известных технологий. Наиболее подходящие материалы для твердых частиц имеются на рынке, а создание других находится в пределах компетенции специалистов.As mentioned above,cone 22 may include a sintered matrix-particle composite material containing a plurality of solid particles dispersed throughout the matrix material. In some embodiments, implementation of thecone 22 may consist mainly of composite material "matrix particles". Particulate matter may include diamond or ceramic materials, for example carbides, nitrides, oxides and borides (including boron carbide (B₄ C)). In particular, solid particles can include carbides or borides based on, for example, W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al and Si. As an example, not limiting the invention, materials that can be used for the formation of solid particles, include tungsten carbide (WC, W₂ C), titanium carbide (TiC), tantalum carbide (TaC), titanium diboride (TiB₂ ), chromium carbides, titanium nitride (TiN), vanadium carbide (VC), alumina (Al₂ O₃ ), aluminum nitride (AlN), boron nitride (BN) and silicon carbide (SiC). In addition, combinations of various solid particles can be used to obtain the desired physical properties and characteristics of the matrix-particle composite material. Solids can be prepared using known techniques. The most suitable materials for particulate matter are available on the market, while the creation of others is within the competence of specialists.

Матричный материал может включать, например, сплавы на основе кобальта, железа, никеля, никеля и железа, кобальта и никеля, железа и кобальта, алюминия, меди, магния и титана. Матричный материал может также быть выбран из технически чистых элементов, например кобальта, алюминия, меди, магния, титана, железа и никеля. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, матричный материал может включать углеродистую сталь, легированную сталь, нержавеющую сталь, инструментальную сталь, суперсплавы никеля или кобальта и сплавы на основе железа или никеля с малым температурным расширением, например INVAR®. В настоящем описании термином "суперсплав" обозначаются сплавы на основе железа, никеля и кобальта, имеющие по меньшей мере 12 мас.% хрома. В качестве других примеров сплавов, которые могут быть использованы в качестве матричного материала, можно упомянуть аустенитные стали, суперсплавы на основе никеля, например INCONEL® 625M или Rene 95, и сплавы типа INVAR®, обладающие коэффициентом температурного расширения, близким к коэффициенту температурного расширения твердых частиц, используемых в композитном материале с частицами. Согласование коэффициентов температурного расширения матричного материала и твердых частиц позволяет уменьшить остроту проблемы остаточных напряжений и термической усталости. Другим примером подходящего матричного материала может служить аустенитная марганцовистая сталь Хадфильда (железо с примерно 12 мас.% марганца и 1,1 мас.% углерода).The matrix material may include, for example, alloys based on cobalt, iron, nickel, nickel and iron, cobalt and nickel, iron and cobalt, aluminum, copper, magnesium and titanium. The matrix material may also be selected from commercially pure elements, such as cobalt, aluminum, copper, magnesium, titanium, iron and nickel. By way of non-limiting example, the matrix material may include carbon steel, alloy steel, stainless steel, tool steel, nickel or cobalt superalloys, and low temperature expansion iron or nickel based alloys such as INVAR®. In the present description, the term "superalloy" refers to alloys based on iron, nickel and cobalt having at least 12 wt.% Chromium. Other examples of alloys that can be used as matrix materials include austenitic steels, nickel-based superalloys, for example INCONEL® 625M or Rene 95, and INVAR® alloys with thermal expansion coefficients close to those of hard alloys particles used in a composite material with particles. Matching the coefficients of thermal expansion of the matrix material and solid particles can reduce the severity of the problem of residual stresses and thermal fatigue. Another example of a suitable matrix material is Hadfield austenitic manganese steel (iron with about 12 wt.% Manganese and 1.1 wt.% Carbon).

В одном варианте осуществления настоящего изобретения спеченный композитный материал "матрица-частицы" может включать множество частиц карбида вольфрама -400 меш по ASTM (стандарт Американского общества по испытанию материалов). Например, частицы карбида вольфрама могут в основном состоять из WC. В настоящем описании выражение "частицы -400 меш по ASTM" означает частицы, которые проходят через сито №400 согласно стандарту ASTM, как это указано в спецификации ASTM Е-11-04 под названием "Технические нормативы для проволочной ткани и сеток для целей тестирования". Такие частицы карбида вольфрама могут иметь диаметр примерно менее 38 микрон. Матричный материал может включать сплав металла, примерно 50 мас.% которого составляет кобальт и 50 мас.% - никель. Такие частицы карбида вольфрама могут составлять примерно от 60 до 95 мас.% композитного материала, а матричный материал может составлять примерно от 5 до 40 мас.% композитного материала. Более точно, частицы карбида вольфрама могут составлять примерно от 70 до 80 мас.% композитного материала, а матричный материал может составлять примерно от 20 до 30 мас.% композитного материала.In one embodiment of the present invention, the sintered matrix-particle composite material may include a plurality of ASTM (ASTM standard) tungsten carbide particles. For example, tungsten carbide particles can mainly consist of WC. In the present description, the expression "-400 mesh particles according to ASTM" means particles that pass through a No. 400 sieve according to the ASTM standard, as indicated in ASTM E-11-04, entitled "Technical specifications for wire cloth and mesh for testing purposes" . Such tungsten carbide particles may have a diameter of about less than 38 microns. The matrix material may include a metal alloy, about 50 wt.% Of which is cobalt and 50 wt.% - Nickel. Such tungsten carbide particles can comprise from about 60 to 95% by weight of the composite material, and matrix material can be from about 5 to 40% by weight of the composite material. More specifically, tungsten carbide particles can comprise from about 70 to 80% by weight of the composite material, and matrix material can be from about 20 to 30% by weight of the composite material.

В другом варианте осуществления настоящего изобретения спеченный композитный материал "матрица-частицы" может включать множество частиц карбида вольфрама -635 меш по ASTM. В данном описании выражение "частицы -635 меш по ASTM" означает частицы, которые проходят через сито №635 согласно стандарту ASTM, как это указано в спецификации ASTM Е11-04 под названием "Технические нормативы для проволочной ткани и сеток для целей тестирования". Такие частицы карбида вольфрама могут иметь диаметр менее примерно 20 микрон. Матричный материал может содержать сплав металла на основе кобальта, содержащий по существу технически чистый кобальт. Например, содержание кобальта в таком матричном материале может превышать примерно 98 мас.%. При этом частицы карбида вольфрама могут составлять примерно от 60 до 95 мас.% композитного материала, а матричный материал может составлять примерно от 5 до 40 мас.% композитного материала. После формирования шарошка 22 может обладать твердостью примерно в диапазоне от 75 до 92 единиц по шкале А по Роквеллу.In another embodiment of the present invention, the sintered matrix-particle composite may include multiple ASTM -635 mesh tungsten carbide particles. As used herein, the expression "-635 mesh particles according to ASTM" means particles that pass through a No. 635 sieve according to the ASTM standard, as specified in ASTM E11-04, entitled "Technical Specifications for Wire Cloth and Mesh for Testing". Such tungsten carbide particles may have a diameter of less than about 20 microns. The matrix material may comprise a cobalt-based metal alloy containing substantially technically pure cobalt. For example, the cobalt content in such a matrix material may exceed about 98 wt.%. In this case, tungsten carbide particles can comprise from about 60 to 95% by weight of the composite material, and matrix material can be from about 5 to 40% by weight of the composite material. After forming,cone 22 may have a hardness in the range of about 75 to 92 units on the Rockwell scale A.

На фиг.3, 4 и 5А-5В иллюстрируются варианты осуществления способа, который может быть использован для формирования шарошки 22 и режущего узла 14, показанного на фиг.2. В общем, этот способ включает подготовку порошковой смеси, прессование порошковой смеси для формирования заготовки, формирования из заготовки неспеченного или частично спеченного корпуса шарошки и спекание неспеченного или частично спеченного корпуса шарошки до требуемой конечной плотности.Figures 3, 4 and 5A-5B illustrate embodiments of a method that can be used to form thecutter 22 and the cuttingunit 14 shown in figure 2. In general, this method involves preparing a powder mixture, compressing the powder mixture to form a preform, forming an unsintered or partially sintered cone body from the preform, and sintering an unsintered or partially sintered cone body to a desired final density.

На фиг.3 иллюстрируется способ прессования порошковой смеси 42 для формирования неспеченной заготовки, которая может быть использована для формирования шарошки 22. Как показано на фиг.3, порошковая смесь 42 может прессоваться при существенно изостатическом давлении в пресс-форме или контейнере 44. Порошковая смесь 42 может включать множество описанных выше твердых частиц и множество частиц, содержащих матричный материал, также описанный ранее. В варианте осуществления порошковая смесь 42 также может включать одну или более добавок, например связующие вещества (например, органические материалы, например воск) для обеспечения конструктивной прочности спрессованного порошкового компонента, пластификаторы для повышения пластичности связующего вещества и смазывающие или уплотняющие добавки для снижения трения между частицами и обеспечения смазки при прессовании.Figure 3 illustrates the method of pressing thepowder mixture 42 to form a green billet that can be used to form thecone 22. As shown in figure 3, thepowder mixture 42 can be pressed at substantially isostatic pressure in the mold orcontainer 44. Thepowder mixture 42 may include a plurality of solid particles described above and a plurality of particles containing matrix material, also described previously. In an embodiment, thepowder mixture 42 may also include one or more additives, for example, binders (e.g., organic materials, e.g., wax) to provide structural strength to the compressed powder component, plasticizers to increase the ductility of the binder, and lubricating or sealing additives to reduce friction between particles and providing lubrication during pressing.

Контейнер 44 может включать влагонепроницаемый деформируемый элемент 46. Например, влагонепроницаемый деформируемый элемент 46 может представлять собой по существу цилиндрический мешок, содержащий деформируемый и непроницаемый полимерный материал, который может представлять собой эластомер, например резина, синтетический каучук, силикон или полиуретан. Контейнер 44 также может включать герметизирующую плиту 48, которая по существу может обладать жесткостью. Деформируемый элемент 46 может быть заполнен порошковой смесью 42, которая в варианте осуществления при воздействии вибрации равномерно распределяется внутри деформируемого элемента 46. К деформируемому элементу 46 может быть прикреплена либо присоединена герметизирующая плита 48, обеспечивающая между ними влагонепроницаемое уплотнение.Thecontainer 44 may include a moisture-proofdeformable element 46. For example, the moisture-proofdeformable element 46 may be a substantially cylindrical bag containing a deformable and impermeable polymeric material, which may be an elastomer, such as rubber, synthetic rubber, silicone or polyurethane. Thecontainer 44 may also include a sealingplate 48, which essentially can have rigidity. Thedeformable element 46 may be filled with apowder mixture 42, which, when exposed to vibration, is evenly distributed inside thedeformable element 46. A sealingplate 48 may be attached or attached to thedeformable element 46, providing a moisture-tight seal between them.

Контейнер 44 вместе с находящейся внутри порошковой смесью 42 может быть помещен в камеру 50 давления. Для обеспечения доступа внутрь камеры 50 давления может использоваться съемная крышка 52. Газ (например, воздух или азот) или текучая среда (например, вода или масло), которая может быть по существу несжимаемой, нагнетается в камеру 50 давления под высоким давлением через отверстие 54 посредством насоса (не показан). Под действием высокого давления текучей среды может происходить деформация деформируемого элемента 46, и давление текучей среды может передаваться порошковой смеси 42 по существу равномерно. Давление внутри камеры 50 давления при изостатическом прессовании может превышать 35 МПа (примерно 5000 фунтов/кв. дюйм). Более точно, давление внутри камеры 50 давления при изостатическом прессовании может превышать примерно 138 МПа (примерно 20000 фунтов/кв. дюйм).Thecontainer 44 together with theinside powder mixture 42 can be placed in thepressure chamber 50. Aremovable cover 52 may be used to provide access to the interior of thepressure chamber 50. Gas (eg, air or nitrogen) or a fluid (eg, water or oil), which may be substantially incompressible, is pumped into thepressure chamber 50 at high pressure through theopening 54 through a pump (not shown). Under the influence of high pressure of the fluid, deformation of thedeformable element 46 can occur, and the pressure of the fluid can be transmitted to thepowder mixture 42 substantially uniformly. The pressure inside thepressure chamber 50 during isostatic pressing may exceed 35 MPa (approximately 5000 psi). More specifically, the pressure inside thepressure chamber 50 during isostatic pressing may exceed about 138 MPa (about 20,000 psi).

В других вариантах для уплотнения порошковой смеси 42 внутри эластичного контейнера 44 может создаваться вакуум, а к наружной поверхности деформируемого элемента 46 контейнера 44 может прикладываться давление более примерно 0,1 МПа (примерно 15 фунтов/кв. дюйм, например атмосферное). Изостатическим прессованием порошковой смеси 42 может быть отформована заготовка из неспеченного порошка, которая после прессования может быть извлечена из камеры 50 давления и контейнера 44 для выполнения механической обработки. В некоторых вариантах осуществления полученная заготовка может иметь в целом цилиндрическую конфигурацию.In other embodiments, a vacuum may be created to seal thepowder mixture 42 inside theelastic container 44, and a pressure of greater than about 0.1 MPa (about 15 psi, for example atmospheric) may be applied to the outer surface of thedeformable member 46 of thecontainer 44. By isostatic pressing of thepowder mixture 42, a blank of non-sintered powder can be molded, which after pressing can be removed from thepressure chamber 50 and thecontainer 44 to perform machining. In some embodiments, the resulting preform may have a generally cylindrical configuration.

Фиг.4 иллюстрирует выполнение другого варианта способа прессования порошковой смеси 56 для формования неспеченной заготовки, который может быть использован при формировании шарошки 22, показанной на фиг.2. Выполнение способа, проиллюстрированного на фиг.4, включает формование заготовки с использованием жесткой пресс-формы 58, в камеру которой помещается порошковая смесь 56. Порошковая смесь 56 может быть аналогична порошковой смеси 42, используемой при выполнении способа, иллюстрируемого фиг.3. Полость пресс-формы 58 может иметь в целом коническую форму и использоваться для формовании заготовки в целом конической формы. В другом варианте полость может быть цилиндрической и может использоваться для формования цилиндрической заготовки. Поршень или плунжер 60 образует герметичное сочленение со стенками пресс-формы 58. На поршень 60 может воздействовать сила, и порошковая смесь может быть спрессована в неспеченную заготовку определенной формы, пригодную для ее механической обработки.Figure 4 illustrates the implementation of another variant of the method of pressing thepowder mixture 56 to form a green billet, which can be used to form theroller cutter 22 shown in figure 2. The implementation of the method illustrated in figure 4, includes forming a workpiece using arigid mold 58, in the chamber of which thepowder mixture 56 is placed. Thepowder mixture 56 may be similar to thepowder mixture 42 used in the method illustrated in figure 3. The cavity of themold 58 may be generally conical in shape and used to form the preform as a whole in a conical shape. In another embodiment, the cavity may be cylindrical and may be used to form a cylindrical preform. The piston orplunger 60 forms a tight joint with the walls of themold 58. Theforce 60 can act on thepiston 60, and the powder mixture can be pressed into a green plate of a certain shape suitable for machining.

Неспеченная заготовка, отформованная способом, показанным на фиг.3 либо на фиг.4, может быть подвергнута механической обработке в неспеченном состоянии для формирования неспеченного корпуса 22А шарошки, показанного на фиг.5А. При осуществлении других способов неспеченная заготовка может быть частично спечена для формирования частично спеченной заготовки, и уже частично спеченная заготовка может быть подвергнута механической обработке для формирования частично спеченного корпуса шарошки (не показан). Плотность частично спеченной заготовки ниже плотности полностью спеченной, что облегчает ее механическую обработку. Неспеченные или частично спеченные структуры, например неспеченный корпус 22А шарошки, частично спеченный корпус шарошки либо неспеченная или частично спеченная заготовка, могут быть подвергнуты механической обработке практически так же, как и известные стальные шарошки. Однако, поскольку при дальнейшем спекании может возникнуть усадка, размеры неспеченных или частично спеченных структур должны быть заданы с припуском для компенсации усадки.An unsecured preform molded by the method shown in FIG. 3 or in FIG. 4 can be machined in an unsintered state to form angreen furnace cone 22A shown in FIG. 5A. In other methods, the unsintered preform may be partially sintered to form a partially sintered preform, and the already partially sintered preform may be machined to form a partially sintered cone body (not shown). The density of the partially sintered preform is lower than the density of the fully sintered preform, which facilitates its mechanical processing. Unfinished or partially sintered structures, for example, anunsintered cone body 22A, a partially sintered cone body, or an unsintered or partially sintered preform, can be machined in much the same way as known steel cones. However, since shrinkage may occur during further sintering, the size of the green or partially sintered structures must be set with an allowance to compensate for shrinkage.

На фиг.5А показан неспеченный корпус 22А шарошки, который может быть использован для формирования режущего узла 14 (фиг.1-2). Как показано на фиг.5А, в некоторых вариантах осуществления неспеченный корпус 22А шарошки может иметь общую форму, соответствующую требуемой окончательной форме шарошки 22, и может включать различные элементы, например центральную полость 30 для создания поверхности подшипника скольжения, прилегающей к шейке 28 оси опорного подшипника (фиг.2), и отверстия 62 для установки в них режущих вставок 24 (фиг.2).FIG. 5A shows anunsintered cone body 22A that can be used to form the cutting assembly 14 (FIGS. 1-2). As shown in FIG. 5A, in some embodiments, the greensintered cone housing 22A may have a general shape corresponding to the desired final shape of thecone 22, and may include various elements, for example, acentral cavity 30 to create a sliding bearing surface adjacent to thejournal 28 of the journal (figure 2), and holes 62 for installing cutting inserts 24 therein (figure 2).

При желании в отверстия 62 могут быть вставлены вытесняющие элементы 64 для сохранения нужного размера, формы и ориентации каждого из отверстий 62 во время последующего спекания. Вытесняющие элементы 64 могут включать штифты, размеры которых соответствуют требуемым окончательным размерам отверстия 62, которые должны быть сформированы в шарошке 22 для каждой вставки 24. Вытесняющие элементы 64 могут быть выполнены из материала, который сохраняет твердость и стабильность при температуре спекания, например керамики. Кроме того, вытесняющие элементы 64 могут быть выполнены из пористого и (или) полого материала для упрощения их извлечения из полученной после окончательного спекания шарошки 22. Диаметр отверстий 62 может быть больше, чем у вытесняющих элементов 64 перед спеканием, и они могут подвергнуться усадке в процессе спекания до диаметра вытесняющих элементов 64.If desired, displacingelements 64 can be inserted into theopenings 62 to maintain the desired size, shape and orientation of each of theopenings 62 during subsequent sintering. The displacingelements 64 may include pins, the sizes of which correspond to the required final dimensions of theholes 62, which must be formed in theroller cutter 22 for eachinsert 24. The displacingelements 64 can be made of a material that maintains hardness and stability at a sintering temperature, for example, ceramics. In addition, the displacingelements 64 can be made of porous and (or) hollow material to simplify their extraction from the cone obtained after thefinal sintering 22. The diameter of theholes 62 may be larger than the displacingelements 64 before sintering, and they may shrink in the sintering process to the diameter of the displacingelements 64.

В некоторых вариантах осуществления показанный на фиг.5А неспеченный корпус 22А может быть нагрет и спечен в печи до требуемой конечной плотности для формирования полностью спеченной шарошки 22, показанной на фиг.5Б. Полностью спеченная шарошка 22 на фиг.5Б показана с извлеченными после окончательного спекания вытесняющими элементами 64 (см. фиг.5А).In some embodiments, thesintered body 22A shown in FIG. 5A can be heated and sintered in a furnace to the desired final density to form the fully sinteredcone 22 shown in FIG. 5B. The fully sinteredcone 22 in FIG. 5B is shown with displacingelements 64 removed after final sintering (see FIG. 5A).

В некоторых вариантах осуществления печь может представлять собой вакуумную печь для создания вакуума в процессе спекания. В других вариантах осуществления печь может включать камеру давления для воздействия на шарошку избыточным давлением в процессе спекания. Кроме того, в печи может быть предусмотрено создание управляемой атмосферы. Например, в печи при спекании шарошки может создаваться атмосфера, лишенная кислорода.In some embodiments, the furnace may be a vacuum furnace to create a vacuum during sintering. In other embodiments, the implementation of the furnace may include a pressure chamber for acting on the cutter with excess pressure during sintering. In addition, a controlled atmosphere can be provided in the furnace. For example, in an oven during sintering of a cone, an atmosphere devoid of oxygen can be created.

В качестве примера, не ограничивающего изобретение, может потребоваться получение шарошки 22, включающей спеченный карбид вольфрама. Для формирования такой шарошки может быть отформован неспеченный корпус 22А шарошки включающий множество частиц, включающих карбид вольфрама и множество частиц, включающих матричный материал на основе кобальта, причем эти частицы скреплены друг с другом органическим связующим материалом. При осуществлении этих способов спекание неспеченного корпуса 22А шарошки может выполняться при температурах примерно в интервале 500°C и 1500°C. Температура спекания может быть различной для конкретных составов композитного материала "матрица-частицы".As an example, not limiting the invention, it may be necessary to obtain acone 22, including sintered tungsten carbide. To form such a cone, a greencone cone body 22A may be formed comprising a plurality of particles including tungsten carbide and a plurality of particles comprising cobalt-based matrix material, these particles being bonded to each other with an organic binder. When implementing these methods, the sintering of thegreen shell 22A of the cone can be performed at temperatures in the range of approximately 500 ° C and 1500 ° C. The sintering temperature may be different for specific compositions of the matrix-particle composite material.

В процессе спекания неспеченный корпус 22А шарошки может испытывать усадку и уплотнение по мере того, как он спекается до конечной плотности, образуя шарошку 22. После спекания шарошка 22 может приобрести необходимую внешнюю конфигурацию, включая отверстия 62 и центральную полость 30. Для этих поверхностей может потребоваться некоторая дополнительная механическая обработка, либо она может и не понадобиться. Полость 30 либо другие поверхности после спекания могут быть подвергнуты механической обработке. Например, стенки отверстия полости 50 могут быть прошлифованы и отполированы для достижения требуемой чистоты поверхности.During sintering, the greensintered cone body 22A may experience shrinkage and compaction as it is sintered to a final density to form thecone 22. After sintering, thecone 22 can acquire the necessary external configuration, includingholes 62 and thecentral cavity 30. These surfaces may require some additional machining, or it may not be needed. Thecavity 30 or other surfaces after sintering can be machined. For example, the walls of the opening of thecavity 50 can be ground and polished to achieve the desired surface cleanliness.

Как показано на фиг.5В, после завершения формирования шарошки 22 и удаления вытесняющих элементов 64 в отверстиях 62 могут быть закреплены режущие вставки 24. Размер и форма режущих вставок 24 могут выбираться так, чтобы обеспечивалась плотная и надежная тугая посадка режущих вставок 24 в отверстиях 62. В других вариантах осуществления режущие вставки 24 могут быть закреплены в отверстиях 62 посредством связующего вещества. В других вариантах осуществления режущие вставки 24 могут быть закреплены в отверстиях 62 посредством пайки или пайки тугоплавким припоем.As shown in FIG. 5B, after the formation of thecutter 22 and removal of the displacingelements 64 is completed, the cutting inserts 24 can be fixed in theholes 62. The size and shape of the cutting inserts 24 can be selected so as to ensure a tight and reliable tight fit of the cutting inserts 24 in theholes 62 In other embodiments, the implementation of the cuttinginsert 24 can be fixed in theholes 62 by means of a binder. In other embodiments, the implementation of the cuttinginsert 24 can be fixed in theholes 62 by soldering or soldering by refractory solder.

Центральная полость 30 может быть подвергнута чистовой механической обработке, и шарошка 22 может быть установлена на шейку 28 оси опорного подшипника обычным способом (фиг.2). Режущие вставки 24 могут быть сформированы отдельно от шарошки 22 аналогичным с шарошкой 22 способом. Хотя режущие вставки 24 могут быть выполнены из спеченного композитного материала "матрица-частицы", состав композитного материала "матрица-частицы" режущих вставок 24 может отличаться от состава композитного материала "матрица-частицы" шарошки 22.TheCentral cavity 30 can be machined, and theroller cone 22 can be mounted on thejournal 28 of the axis of the support bearing in the usual way (figure 2). The cutting inserts 24 can be formed separately from thecutter 22 in a similar manner to thecutter 22. Although the cutting inserts 24 may be made of sintered matrix-particle composite material, the composition of the matrix-particle composite material of the cutting inserts 24 may differ from the composition of the roller-matrix-matrix composite material 22.

При осуществлении других способов, вместо того чтобы формировать неспеченную или частично спеченную заготовку, включающую спеченный композитный материал "матрица-частицы", и механически обрабатывать неспеченную или частично спеченную заготовку для получения неспеченного или частично спеченного корпуса шарошки, неспеченная заготовка может быть спечена до желаемой конечной плотности для получения полностью спеченной заготовки. Затем такая полностью спеченная заготовка может быть обработана механически для получения полностью спеченной шарошки 22, показанной на фиг.5Б, с использованием обычных технологий механической обработки или ультразвуковой обработки материалов. Поскольку механическая обработка полностью спеченной заготовки может представлять трудности, этот процесс может быть облегчен использованием ультразвуковой обработки. Например, технология ультразвуковой обработки может включать воздействие на инструмент высокочастотной вибрацией, под действием которой улучшается удаление материала с полностью спеченной заготовки.In other methods, instead of forming an unsintered or partially sintered preform including a sintered matrix-particle composite material, and machining an unsintered or partially sintered preform to obtain an unsintered or partially sintered cone body, the unsintered preform can be sintered to the desired final density to obtain a fully sintered billet. Then, such a fully sintered preform can be machined to produce the fully sinteredcone 22 shown in FIG. 5B using conventional machining or ultrasonic processing techniques. Since machining a fully sintered preform may be difficult, this process can be facilitated by the use of ultrasonic treatment. For example, ultrasonic processing technology may include exposing the tool to high frequency vibration, which improves the removal of material from a fully sintered preform.

Фиг.6А-6В иллюстрируют другие варианты осуществления способа, который может быть использован для формирования режущего узла (например, показанного на фиг.3 режущего узла 14), в соответствии с настоящим изобретением. Как более подробно показано далее, способ в общем включает подготовку не спеченной до конца неспеченной или частично спеченной шарошки, имеющей несколько отверстий, введение вставок в отверстие в неспеченной или частично спеченной шарошке и спекание получившейся конструкции до требуемой конечной плотности для прикрепления вставок к шарошке. При этом вставки могут быть спечены совместно с шарошкой и составят с ней единое целое. В некоторых вариантах осуществления вставки могут включать не спеченные до конца неспеченные или частично спеченные вставки, и неспеченные или частично спеченные вставки могут быть спечены до требуемой конечной плотности одновременно с шарошкой. В других вариантах осуществления вставки могут быть полностью спечены, когда они вставлены в соответствующие отверстия неспеченной или частично спеченной шарошки.6A-6B illustrate other embodiments of a method that can be used to form a cutting assembly (for example, shown in FIG. 3 of a cutting assembly 14), in accordance with the present invention. As shown in more detail below, the method generally involves preparing an unsintered or partially sintered cone having several holes, inserting inserts into the hole in an unsintered or partially sintered cone, and sintering the resulting structure to the desired final density for attaching the inserts to the cone. In this case, the inserts can be sintered together with the cone and make up a single whole with it. In some embodiments, the inserts may include unsintered to the end unsintered or partially sintered inserts, and the unsintered or partially sintered inserts can be sintered to the desired final density simultaneously with the cone. In other embodiments, the inserts may be completely sintered when they are inserted into the corresponding openings of the green or partially sintered cone.

Далее вставки могут отличаться градиентом состава, изменяющегося от области или областей, прилегающих к границе раздела между вставками и шарошкой, и областью или областями вблизи поверхности, захватывающей породу, или поверхностями вставок. Например, для области вставок вблизи границы раздела между вставками и шарошкой состав материала может быть выбран так, чтобы облегчить или улучшить сцепление вставок с шарошкой, в то время как в области вблизи поверхности, захватывающей породу, или поверхности вставок, выбор состава материала может обеспечивать улучшение одного или более свойств или характеристик материала, например твердости, прочности, долговечности и износостойкости. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, области вставок вблизи границы раздела между вставками и шарошкой могут имеет первый матричный материал, по существу аналогичный матричному материалу шарошки, в то время как области, прилегающие к поверхности, захватывающей породу, или поверхностям вставок, могут иметь второй матричный материал, выбор которого обеспечивает улучшение одного или более свойств вставок - твердости, прочности, долговечности и износостойкости. В таких вариантах осуществления концентрация во вставках первого матричного материала и второго матричного материала может изменяться либо непрерывно, либо ступенчато, между областями, прилегающими к границе раздела, и областями, прилегающими к поверхности, захватывающей породу.Further, the inserts may differ in the composition gradient, varying from the region or regions adjacent to the interface between the inserts and the cone, and the region or regions near the surface capturing the rock, or the surfaces of the inserts. For example, for the area of the inserts near the interface between the inserts and the cone, the composition of the material can be chosen so as to facilitate or improve the adhesion of the inserts to the cone, while in the area near the surface capturing the rock or the surface of the inserts, the choice of composition of the material can provide an improvement one or more material properties or characteristics, for example, hardness, strength, durability, and wear resistance. By way of non-limiting example, the regions of the inserts near the interface between the inserts and the cone may have a first matrix material substantially similar to the matrix material of the cone, while the regions adjacent to the rock entraining surface or the surfaces of the inserts may have a second matrix material, the choice of which ensures the improvement of one or more properties of the inserts - hardness, strength, durability and wear resistance. In such embodiments, the concentration in the inserts of the first matrix material and the second matrix material can vary either continuously or stepwise between the regions adjacent to the interface and the regions adjacent to the surface capturing the rock.

Как показано на фиг.6, неспеченный корпус 22А шарошки может быть сформирован или подготовлен иным путем, как это было описано в связи с фиг.5А. Может быть подготовлено несколько неспеченных режущих вставок 24А. Каждая из неспеченных режущих вставок 24А может включать множество твердых частиц и множество частиц, содержащих матричный материал, а частицы могут скрепляться друг с другом органическим связующим материалом. Как упоминалось выше, состав неспеченных режущих вставок 24А может отличаться от состава неспеченного корпуса 22А шарошки. Кроме того, неспеченные режущие вставки 24А могут отличаться градиентом состава, который изменяется от области или областей, прилегающих к границе раздела между вставками и шарошкой, и областью или областями вблизи поверхности, захватывающей породу, или поверхностями вставок, как об этом упоминалось выше.As shown in FIG. 6, thegreen furnace cone 22A may be formed or otherwise prepared as described in connection with FIG. 5A. Several sintered cuttinginserts 24A may be prepared. Each of the green sintered inserts 24A may include a plurality of solid particles and a plurality of particles containing matrix material, and the particles can be bonded to each other with an organic binder. As mentioned above, the composition of the green sintered inserts 24A may differ from the composition of the greensintered cone body 22A. In addition, the non-sintered cutting inserts 24A may differ in compositional gradient, which varies from the region or regions adjacent to the interface between the inserts and the cutter, and the region or regions near the surface capturing the rock, or the surfaces of the inserts, as mentioned above.

При осуществлении некоторых способов, дополнительные неспеченные элементы или компоненты, помимо неспеченных режущих вставок 24А, также могут прикрепляться к неспеченному корпусу 22А шарошки перед спеканием. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, один или более неспеченных опорных элементов 68А, определяющих опорные поверхности шарошки, могут быть закреплены внутри центральной области 30 неспеченного корпуса 22А шарошки. По аналогии с неспеченными режущими вставками 24А каждый из неспеченных опорных элементов 68А может включать множество твердых частиц и множество частиц, содержащих матричный материал, а состав неспеченных опорных элементов 68А может отличаться от состава неспеченного корпуса 22А шарошки.In some methods, additional non-sintered elements or components, in addition to the non-sintered cutting inserts 24A, can also be attached to thenon-sintered cone body 22A before sintering. By way of example, not limiting the invention, one or more green elements support 68A defining the supporting surfaces of the cone can be fixed inside theCentral region 30 of thegreen casing 22A cone. By analogy with the non-sintered cutting inserts 24A, each of thenon-sintered support elements 68A may include a plurality of solid particles and a plurality of particles containing matrix material, and the composition of thenon-sintered support elements 68A may differ from the composition of the greensintered cone body 22A.

Как показано на фиг.6Б, неспеченные режущие вставки 24А могут быть вставлены в отверстия 62 неспеченного корпуса 22А шарошки, а неспеченные опорные элементы 68А могут быть закреплены в заданных местах внутри центральной полости 30 неспеченного корпуса 22А шарошки.As shown in FIG. 6B, the green sintered inserts 24A can be inserted into theopenings 62 of thegreen sintered cones 22A, and the greensintered support members 68A can be fixed at predetermined locations within thecentral cavity 30 of thegreen sintered cones 22A.

В качестве примера, не ограничивающего изобретение, размеры и форма неспеченных режущих вставок 24А и отверстий 62 в неспеченном корпусе 22А шарошки могут быть выбраны так, чтобы обеспечивался средний зазор между ними примерно от 0,025 мм (0,001 дюйма) до 0,635 мм (0,025 дюйма). Такие зазоры также могут быть сделаны между неспеченными опорными элементами 68 и неспеченным корпусом 22А шарошки.By way of non-limiting example, the size and shape of the green sintered inserts 24A and holes 62 in the greensintered cone body 22A can be selected to provide an average clearance between them of about 0.025 mm (0.001 in) to 0.635 mm (0.025 in). Such gaps can also be made between the greensintered support members 68 and the greensintered cone body 22A.

После того как различные неспеченные компоненты собраны с формированием конструкции, аналогичной показанной на фиг.6Б, конструкция может быть подвергнута спеканию до требуемой конечной плотности для формирования полностью спеченной конструкции, показанной на фиг.6В. В процессе спекания шарошка 22, включающая отверстия 62 и другие элементы, режущие вставки 24 или другие режущие элементы, и опорные элементы 68 могут испытывать усадку и уплотнение. Кроме того, режущие вставки 24 и опорные элементы 68 могут расплавиться и прикрепиться к шарошке 22. Другими словами, после спекания режущие вставки 24 и опорные элементы 68 могут оказаться спеченными в единое целое с шарошкой 22, образуя по существу единый режущий узел 14'.After various non-sintered components are assembled to form a structure similar to that shown in FIG. 6B, the structure can be sintered to the desired final density to form the fully sintered structure shown in FIG. 6B. During sintering, thecutter 22, includingholes 62 and other elements, cutting inserts 24 or other cutting elements, and supportingelements 68 may experience shrinkage and compaction. In addition, the cutting inserts 24 and the supportingelements 68 can melt and adhere to thecutter 22. In other words, after sintering, the cutting inserts 24 and the supportingelements 68 can be sintered integrally with thecutter 22, forming a substantiallysingle cutting unit 14 '.

После того как режущий узел 14' был спечен до требуемой конечной плотности, механической обработкой и полировкой могут быть выполнены различные необходимые или желательные элементы режущего узла 14'. Например, опорные поверхности 70 на опорных элементах 68 могут быть отполированы. Полировкой опорных поверхностей 70 опорных элементов 68 можно добиться относительно гладкой поверхности и уменьшить трение на границе раздела между опорными элементами 68 и шейкой 28 оси опорного подшипника (фиг.2). Более того, посредством механической обработки и (или) полировки уплотнительной кромке 72 опорных элементов 68 могут быть приданы форма и гладкость поверхности, обеспечивающие герметизацию при контакте с уплотнителем из металла или эластомера или с уплотняющей поверхностью на корпусе 12 долота (фиг.2).After thecutting unit 14 ′ has been sintered to the desired final density, various necessary or desirable elements of the cuttingunit 14 ′ can be machined and polished. For example, abutment surfaces 70 onabutment members 68 may be polished. By polishing the bearing surfaces 70 of the bearingelements 68, a relatively smooth surface can be achieved and friction can be reduced at the interface between the bearingelements 68 and thejournal axis 28 of the bearing (Fig. 2). Moreover, by machining and (or) polishing the sealingedge 72 of thesupport elements 68, the shape and smoothness of the surface can be imparted, providing sealing when in contact with a metal or elastomer sealant or with a sealing surface on the bit body 12 (FIG. 2).

Неспеченные режущие вставки 24А и неспеченные опорные элементы 68А могут быть сформированы из композитного материала "матрица-частицы" в значительной мере тем же путем, что и неспеченный корпус 22А шарошки. Состав материала каждой из неспеченных режущих вставок 24А, неспеченных опорных элементов 68А и неспеченного корпуса 22А шарошки может выбираться по отдельности и индивидуально для получения физических и (или) химических свойств, приспособленных к условиям работы соответствующих компонентов. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, состав неспеченных режущих вставок 24А может быть выбран так, чтобы сформировать режущие вставки 24, включающие композитный материал "матрица-частицы", обладающий твердостью, износостойкостью и (или) прочностью, отличающимися от соответствующих свойств композитного материала "матрица-частицы" шарошки 22.Unsecured cutting inserts 24A andunsintered support members 68A can be formed from a matrix-particle composite material in much the same way as theunsintered cone body 22A. The material composition of each of the unsintered cutting inserts 24A, theunsintered supporting elements 68A and theunsintered cone body 22A can be selected individually and individually to obtain physical and (or) chemical properties adapted to the operating conditions of the respective components. By way of non-limiting example, the composition of the green sintered inserts 24A may be selected so as to form cutting inserts 24 including a matrix-particle composite material having hardness, wear resistance and / or strength different from the corresponding properties of the composite material " particle matrix "cones 22.

Режущие вставки 24 могут быть сформированы из композитных материалов "матрица-частицы" различного состава. Конкретный состав материала какой-либо вставки 24 может выбираться исходя из получения одного или более физического и (или) химического свойства, соответствующего конкретной пробуриваемой земной породе с использованием бурового долота 10 (фиг.1). Кроме того, на одной шарошке 22 могут использоваться режущие вставки 24 с различным составом материала.Cutting inserts 24 may be formed from matrix-particle composite materials of various compositions. The specific material composition of anyinsert 24 may be selected on the basis of obtaining one or more physical and (or) chemical properties corresponding to a particular rock being drilled using a drill bit 10 (FIG. 1). In addition, cutting inserts 24 with different material composition can be used on onecone 22.

В качестве примера, не ограничивающего изобретение, в некоторых его вариантах осуществления режущие вставки 24 могут включать композитный материал "матрица-частицы", который содержит множество твердых частиц, твердость которых превышает твердость множества частиц композитного материала "матрица-частицы" шарошки 22. Другим примером, не ограничивающим изобретение, может служить концентрация твердых частиц в композитном материале "матрица-частицы" режущих элементов 24, которая может быть выше, чем концентрация твердых частиц в композитном материале "матрица-частицы" шарошки 22.By way of non-limiting example, in some embodiments, the cutting inserts 24 may include a matrix-particle composite material that contains a plurality of solid particles whose hardness exceeds the hardness of a plurality of particles of the cone matrix-particle composite material 22. Another example , not limiting the invention, may serve as the concentration of solid particles in the composite material "matrix particles" of the cuttingelements 24, which may be higher than the concentration of solid particles in the composite m material "particle-matrix"cones 22.

Несмотря на то что режущий узел 14', показанный на фиг.6В, включает шарошку 22, режущие вставки 24 и опорные элементы 68, предполагается, что в других вариантах осуществления режущий узел 14' может быть сформирован без отдельных неспеченных опорных элементов 68А, описанных здесь. Более того, как было показано выше, режущий узел 14' может быть сформирован путем объединения неспеченного корпуса 22А шарошки, неспеченных режущих вставок 24А и неспеченных опорных элементов 68А с получением неспеченной конструкции узла, с последующим спеканием неспеченной конструкции узла до требуемой конечной плотности. Этим вариантом, однако, изобретение также не ограничено, и способы, предусматриваемые другими вариантами осуществления изобретения, могут включать сборку неспеченных структур, частично спеченных структур, полностью спеченных структур либо их различных комбинаций, с последующим спеканием или повторным нагревом спеченных компонентов до температуры спекания для их сплавления с образованием единой интегральной конструкции режущего узла.Although the cuttingassembly 14 ′ shown in FIG. 6B includes aroller cutter 22, cutting inserts 24, and supportelements 68, it is contemplated that in other embodiments, the cuttingassembly 14 ′ may be formed without the individual greensuture supporting elements 68A described herein. . Moreover, as shown above, the cuttingunit 14 'can be formed by combining the greensintered cone body 22A, green sintered cutting inserts 24A and greensintered support elements 68A to obtain an green sintered assembly, followed by sintering the green sintered assembly to the desired final density. However, the invention is also not limited to this option, and methods provided by other embodiments of the invention may include assembling green structures, partially sintered structures, completely sintered structures or various combinations thereof, followed by sintering or reheating of the sintered components to a sintering temperature for them fusion with the formation of a single integrated design of the cutting unit.

В то время как описанный выше режущий узел 14' включает шарошку 22, которая включает режущие структуры в виде вставок, настоящим изобретением также предусмотрены шарошки с зубчатыми режущими структурами, и варианты осуществления способов, в соответствии с настоящим изобретением, также могут быть использованы для формирования таких зубчатых режущих структур. Например, на фиг.7 показано другое долото 74 для бурения земных пород в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения, включающее несколько режущих узлов 80, каждый из которых включает шарошку 88 с режущими зубьями 104.While the cuttingassembly 14 ′ described above includes acutter 22, which includes cutting structures in the form of inserts, the present invention also provides cutters with serrated cutting structures, and embodiments of the methods in accordance with the present invention can also be used to form such gear cutting structures. For example, FIG. 7 shows anotherdrill bit 74 for drilling rocks in accordance with an embodiment of the present invention, including several cuttingunits 80, each of which includes aroller cutter 88 with cuttingteeth 104.

Как показано на фиг.7, буровое долото 74 имеет корпус 76, в верхнем конце которого может быть сделана резьба 78 для присоединения к бурильной колонне. Корпус 76 долота может включать три лапы 82 долота, составляющие с ним единое целое, на каждой из которых закреплена шейка 84 (не показана) оси опорного подшипника. В некоторых вариантах осуществления корпус 76 долота и шейки 84 оси опорного подшипника могут быть выполнены обычным путем из стального сплава. Кроме того, корпус 76 долота может включать форсунки 86 для выпуска бурового раствора в буровую скважину, который вместе с осколками породы возвращается на поверхность в процессе бурения.As shown in FIG. 7, thedrill bit 74 has abody 76, at the upper end of which athread 78 can be made to connect to the drill string. Thebody 76 of the bit may include threelegs 82 of the bit, which are integral with it, on each of which is attached a neck 84 (not shown) of the axis of the support bearing. In some embodiments, thehousing 76 of the bit and theneck 84 of the axis of the support bearing can be made in the usual way of steel alloy. In addition, thebody 76 of the bit may includenozzles 86 for discharging drilling fluid into the borehole, which, together with fragments of rock, returns to the surface during drilling.

Как показано на фиг.7, каждая шарошка 88 имеет несколько рядов режущих зубьев 104. Число зубьев 104, их форма и число рядов этих зубьев может варьироваться. Задняя торцевая поверхность 102 каждой шарошки 88 может быть окружена калибрующей поверхностью 106, которая определяет наружный диаметр долота 74. Как более подробно показано ниже, одна часть каждого зуба 104 может быть сформирована как единое целое вместе с корпусом каждой шарошки 88, а другая часть каждого зуба 104 может быть сформирована с использованием неспеченной или частично спеченной структуры, которая наплавляется на шарошку 88 в процессе спекания.As shown in FIG. 7, eachcone 88 has several rows of cuttingteeth 104. The number ofteeth 104, their shape and the number of rows of these teeth may vary. Therear end surface 102 of eachcone 88 may be surrounded by agage surface 106, which determines the outer diameter of thebit 74. As shown in more detail below, one part of eachtooth 104 can be formed integrally with the body of eachcone 88, and the other part of eachtooth 104 may be formed using an unsintered or partially sintered structure that is welded onto thecone 88 during sintering.

На фиг.8 представлен увеличенный вид фрагмента разреза одного из режущих узлов 80, закрепленного на шейке 84 оси опорного подшипника, на котором каждый из зубьев 104, вращающийся вокруг шарошки 88 в плоскости чертежа, показан так, что иллюстрирует так называемый "режущий профиль", определяемый режущими поверхностями всех зубьев 104 шарошки 88. Как показано на фиг.8, на каждой шейке 84 оси опорного подшипника бурового долота 74 может быть установлен один из режущих узлов 80. Каждая шарошка 88 режущих узлов 80 может включать центральную полость 90, которая образует поверхности подшипника скольжения, прилегающие к шейке 84 оси. Шарошка 88 может иметь плоский упорный бурт 92 и стопорный паз 94, сформированный в центральной полости 90. В такой конфигурации в стопорный паз 94 может быть установлено пружинное упорное кольцо 96, а на шейке 84 оси опорного подшипника может быть сделан сопряженный паз для фиксации положения шарошки 88 на шейке 84 оси опорного подшипника. Шарошка 88 также может иметь паз 98 уплотнения для установки в него уплотнителя 100. Паз 98 уплотнения может быть расположен вблизи задней торцевой поверхности 102 шарошки 88. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, уплотнитель 100 может представлять собой эластомерное кольцо. В некоторых вариантах осуществления задняя торцевая поверхность 102 шарошки 88 может включать по существу плоскую кольцевую поверхность, окружающую входное отверстие центральной полости 90.On Fig presents an enlarged view of a fragment of a section of one of the cuttingnodes 80, mounted on theneck 84 of the axis of the support bearing, on which each of theteeth 104, rotating around thecone 88 in the plane of the drawing, is shown so as to illustrate the so-called "cutting profile", defined by the cutting surfaces of all theteeth 104 of thecone 88. As shown in Fig. 8, one of the cuttingunits 80 can be mounted on eachneck 84 of the axis of the bearing of thedrill bit 74. Eachcone 88 of the cuttingunits 80 may include acentral cavity 90, which forms the surfaces of the sliding bearing adjacent to thejournal axis 84. Thecutter 88 may have aflat thrust collar 92 and a lockinggroove 94 formed in thecentral cavity 90. In this configuration, aspring thrust ring 96 can be installed in the lockinggroove 94, and a mated groove can be made on theneck axis 84 of the support bearing to fix the position of thecutter 88 on theneck 84 of the axis of the pillow block. Thecutter 88 may also have aseal groove 98 for mounting aseal 100 therein. Theseal groove 98 may be located near therear end surface 102 of thecutter 88. As a non-limiting example, theseal 100 may be an elastomeric ring. In some embodiments, the implementation of therear end surface 102 of thecone 88 may include a substantially flat annular surface surrounding the inlet of theCentral cavity 90.

В промежутки между центральной полостью 90 шарошки 88 и шейкой 84 оси опорного подшипника через каналы 108 для смазки может подаваться смазка. Каналы 108 для смазки могут соединяться с резервуаром, который включает компенсатор 110 давления (фиг.7).In the intervals between thecentral cavity 90 of thecone 88 and thejournal 84 of the axis of the support bearing, lubricant can be supplied through thelubrication channels 108.Lubrication channels 108 may be coupled to a reservoir that includes a pressure compensator 110 (FIG. 7).

Шарошка 88 может включать композитный материал "матрица-частицы", как это было показано при описании шарошки 22, изображенной на фиг.2. По аналогии шарошка 88 может быть сформирована способами, по существу аналогичными тем, что были описаны ранее в отношении шарошки 22, со ссылками на фиг.3 и 4. В целом шарошка 88 может быть сформирована в виде неспеченной или частично спеченной заготовки, с механической обработкой неспеченной или частично спеченной заготовки для формирования неспеченного или частично спеченного корпуса шарошки и спеканием неспеченного или частично спеченного корпуса шарошки до требуемой конечной плотности.Thecone 88 may include a matrix-particle composite material, as shown in the description ofcone 22 shown in FIG. 2. By analogy, thecone 88 can be formed by methods essentially similar to those described previously with respect to thecone 22, with reference to figures 3 and 4. In general, thecone 88 can be formed in the form of green or partially sintered preform, with machining unsintered or partially sintered blanks for forming an unsintered or partially sintered cone body and sintering an unsintered or partially sintered cone body to the desired final density.

Фиг.9 иллюстрирует один вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, который может быть использован для формирования режущего узла 80, показанного на фиг.7 и 8. Как показано в настоящем описании, при осуществлении некоторых способов в соответствии с настоящим изобретением неспеченный корпус 88А шарошки может быть получен путем механической обработки неспеченной заготовки. Неспеченный корпус 88А шарошки может включать несколько оснований 105А зуба. Каждое основание 105А зуба может включать выступающий элемент 116, а на каждом из выступающих элементов 116 может находиться неспеченная коронка 112. Неспеченные коронки 112 могут быть сформированы из тех же материалов и по существу теми же способами, что были описаны выше в отношении неспеченных режущих вставок 24А (фиг.6А-6Б). В некоторых вариантах осуществления неспеченные коронки 112 могут быть прикреплены к выступающим элементам 116 с использованием связующего вещества. Основания 105А зубьев, на которых закреплены неспеченные коронки 112, образуют группу неспеченных конструкций 104А зубьев.FIG. 9 illustrates one embodiment of a method in accordance with the present invention that can be used to form the cuttingassembly 80 shown in FIGS. 7 and 8. As shown in the present description, in some methods of the present invention, thegreen body 88A cones can be obtained by machining green sintered blanks. Theunsupported cone body 88A may includeseveral tooth bases 105A. Eachtooth base 105A may include aprotruding element 116, and on each of theprotruding elements 116 there may be anunsintered crown 112.Unsecured crowns 112 can be formed from the same materials and essentially the same methods as described above with respect to the unsintered cutting inserts 24A (figa-6B). In some embodiments, the green sintered crowns 112 may be attached to theprotruding elements 116 using a binder. Thebase 105A of the teeth on which the green sintered crowns 112 are fixed form a group of green sintered tooth designs 104A.

После установки неспеченных коронок 112 на основания 105А зуба с образованием неспеченных конструкций 104А зубьев получившаяся конструкция может быть спечена до требуемой конечной плотности для получения полностью спеченного режущего узла 80, показанного на фиг.7 и 8.After installing the green sintered crowns 112 on the tooth bases 105A with the formation of greensintered tooth structures 104A, the resulting structure can be sintered to the desired final density to obtain a fully sintered cuttingunit 80, shown in FIGS. 7 and 8.

Состав материала неспеченных коронок 112 и неспеченных корпусов 88А шарошки может быть по отдельности и индивидуально выбран для получения физических и (или) химических свойств, приспособленных к условиям работы соответствующих компонентов. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, состав неспеченных коронок 112 может быть выбран так, чтобы сформировать после спекания неспеченных коронок 112 композитный материал "матрица-частицы", обладающий твердостью, износостойкостью и (или) прочностью, отличающимися от соответствующих свойств композитного материала "матрица-частицы" шарошки 88 (фиг.7 и 8).The material composition of the green sintered crowns 112 and thegreen sintered cones 88A can be individually and individually selected to obtain physical and (or) chemical properties adapted to the operating conditions of the respective components. By way of non-limiting example, the composition of the green sintered crowns 112 can be selected so as to form, after sintering the green sintered crowns 112, a composite matrix material having hardness, wear resistance and (or) strength different from the corresponding properties of the composite material matrix -particles "cones 88 (Fig.7 and 8).

На фиг.10 представлен другой вариант осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением, который может быть использован для формирования режущего узла 80, показанного на фиг.7 и 8. Этот способ по существу аналогичен тем, что описывались ранее в отношении фиг.9. Может быть получен неспеченный корпус 88Б, который по существу аналогичен неспеченному корпусу 88А, показанному на фиг.9. Неспеченный корпус 88Б шарошки может, однако, включать несколько оснований 105Б зуба, в каждом из которых имеется отверстие 118. В этой конфигурации внутри каждого из отверстий 118 может быть установлен неспеченный штифт 114. Неспеченные штифты 114 могут быть сформированы из тех же материалов и по существу теми же способами, что были описаны ранее в отношении неспеченных режущих вставок 24А (фиг.6А-6Б) и неспеченных коронок 112 (фиг.9). В некоторых вариантах осуществления неспеченные штифты 114 могут быть закреплены внутри отверстий 118 с использованием связующего вещества. Основания 105Б зубьев, в которых закреплены неспеченные штифты 114, образуют группу неспеченных конструкций 104Б зубьев.Figure 10 shows another embodiment of the method in accordance with the present invention, which can be used to form the cuttingunit 80 shown in Fig.7 and 8. This method is essentially the same as that described previously in relation to Fig.9. Anunsintered case 88B can be obtained that is substantially similar to thenon-sintered case 88A shown in FIG. 9. Thenon-supported cone body 88B may, however, include several tooth bases 105B, each of which has ahole 118. In this configuration, anunsintered pin 114 may be installed inside each of theholes 118. Thenon-sintered pins 114 may be formed from the same materials and essentially in the same ways as previously described with respect to the green sintered inserts 24A (FIGS. 6A-6B) and green sintered crowns 112 (FIG. 9). In some embodiments, the green sintered pins 114 may be secured within thebores 118 using a binder. The base 105B of the teeth, in which the green sintered pins 114 are fixed, form a group of green sintered tooth designs 104B.

После установки неспеченных штифтов 114 в основания 105Б зуба для формирования неспеченных конструкций 104Б зубьев получившаяся конструкция может быть спечена до требуемой конечной плотности для получения полностью спеченного режущего узла 80, показанного на фиг.7 и 8.After installing the green sintered pins 114 in the tooth base 105B to form the greensintered tooth structures 104B, the resulting structure can be sintered to the desired final density to obtain a fully sintered cuttingunit 80, shown in FIGS. 7 and 8.

Как было описано выше, режущий узел 80, показанный на фиг.7 и8, может быть сформирован путем объединения неспеченных корпусов 88А, 88Б шарошки с неспеченными коронками 112 и (или) неспеченными штифтами 114 для формирования неспеченного режущего узла, с последующим спеканием неспеченного режущего узла до требуемой конечной плотности. Настоящее изобретение не ограничено, однако, только описанными вариантами, и другие варианты осуществления способов в соответствии с настоящим изобретением могут включать сборку неспеченных структур, частично спеченных структур, полностью спеченных структур или любых их комбинаций, с последующим спеканием или повторным нагревом спеченных компонентов до температуры спекания для их сплавления с образованием единой интегральной конструкции режущего узла. В качестве примера, не ограничивающего изобретение, показанный на фиг.9 неспеченный корпус 88А шарошки может быть частично спечен для формирования частично спеченного корпуса шарошки (не показан), а неспеченные коронки 112 могут быть установлены на частично спеченный корпус шарошки. Затем полученная структура может быть спечена до получения конечной плотности для сплавления коронок с корпусами шарошки и образования зубьев 104 (фиг.7). В качестве другого примера, не ограничивающего изобретение, неспеченные штифты 114, показанные на фиг.10, могут быть частично спечены для формирования частично спеченных штифтов (не показаны), и частично спеченные штифты могут быть соединены с неспеченными корпусами 88Б шарошек. Затем полученная структура может быть спечена до конечной плотности для сплавления штифтов с корпусом шарошки и формирования зубьев 104 (фиг.7).As described above, the cuttingunit 80, shown in Figs. 7 and 8, can be formed by combining thegreen sinter bodies 88A, 88B with thegreen teeth 112 and / or thegreen sockets 114 to form the green sinter, followed by sintering the green sinter. to the required final density. The present invention is not limited, however, only to the described options, and other embodiments of the methods in accordance with the present invention may include assembling green structures, partially sintered structures, fully sintered structures or any combination thereof, followed by sintering or reheating of the sintered components to a sintering temperature for their fusion with the formation of a single integrated design of the cutting unit. By way of non-limiting example, thenon-sintered cone body 88A shown in FIG. 9 may be partially sintered to form a partially sintered cone body (not shown), and theunsintered crowns 112 may be mounted on the partially sintered cone body. Then, the resulting structure can be sintered to obtain a final density for fusion of crowns with cones and formation of teeth 104 (Fig.7). As another non-limiting example, the green sintered pins 114 shown in FIG. 10 can be partially sintered to form partially sintered pins (not shown), and partially sintered pins can be connected to greensintered cone bodies 88B. Then, the resulting structure can be sintered to a final density for fusion of the pins with the cone body and the formation of teeth 104 (Fig.7).

В то время как настоящее изобретение было изложено применительно к вариантам осуществления трехшарошечных долот для роторного бурения, буровой инструмент других типов, например расширители ствола скважин, долота для роторного бурения, инструмент для бурения восстающих выработок, гибридные буровые долота с запрессованными/вращающимися резцами, цилиндрические фрезы, проходческие фрезы и иные подобные известные конструкции также могут использовать настоящее изобретение и могут быть сформированы способами, реализующими настоящее изобретение. Более того, в то время как настоящее изобретение было описано здесь на примере конкретных предпочтительных вариантов осуществления, для специалистов должно быть понятно, что оно только этими вариантами не ограничивается. Напротив, в предпочтительных вариантах осуществления могут быть сделаны многочисленные добавления, изъятия и модификации, не выходящие за пределы области изобретения, определяемой приведенной ниже формулой. Кроме того, признаки одного варианта осуществления могут быть скомбинированы с признаками другого варианта осуществления, оставаясь в пределах области притязаний изобретения.While the present invention has been set forth with reference to embodiments of three-cone bits for rotary drilling, other types of drilling tools, such as boreholes, rotary drill bits, tool for drilling uphill workings, hybrid drill bits with pressed / rotary cutters, cylindrical cutters , milling cutters and other similar known constructions can also use the present invention and can be formed by methods that implement the present invention. retention. Moreover, while the present invention has been described herein by way of specific preferred embodiments, it should be understood by those skilled in the art that it is not limited to these options. In contrast, in preferred embodiments, numerous additions, deletions, and modifications can be made without departing from the scope of the invention defined by the following claims. Furthermore, features of one embodiment may be combined with features of another embodiment, while remaining within the scope of the invention.

Claims (20)

Translated fromRussian

1. Способ формирования режущего узла для использования в буровом инструменте, при осуществлении которого подготавливают не полностью спеченный корпус шарошки, включающий твердые частицы и матричный материал, помещают по меньшей мере один режущий элемент на этот не полностью спеченный корпус шарошки и спекают корпус шарошки до конечной плотности с вплавлением в него по меньшей мере одного режущего элемента.1. A method of forming a cutting unit for use in a drilling tool, in the preparation of which an incompletely sintered roller cone body including solid particles and matrix material is prepared, at least one cutting element is placed on this incompletely sintered roller cone body and the cone body is sintered to a final density with the fusion of at least one cutting element into it.2. Способ по п.1, в котором при подготовке не полностью спеченного корпуса шарошки смешивают твердые частицы с частицами, включающими матричный материал, с образованием порошковой смеси и прессуют эту порошковую смесь для формирования неспеченного корпуса шарошки.2. The method according to claim 1, in which when preparing an incompletely sintered cone body, solid particles are mixed with particles comprising matrix material to form a powder mixture and this powder mixture is pressed to form an unsintered cone body.3. Способ по п.2, в котором помещают на не полностью спеченный корпус шарошки по меньшей мере один режущий элемент, включающий твердые частицы и матричный материал.3. The method according to claim 2, in which at least one cutting element comprising solid particles and matrix material is placed on a partially sintered cone body.4. Способ по п.2, в котором выбирают твердые частицы из группы, состоящей из алмаза, карбида бора, нитрида бора, нитрида алюминия, и карбидов или боридов элементов из группы, включающей W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al и Si, и выбирают матричный материал из группы, состоящей из сплавов на основе кобальта, железа, никеля, кобальта и никеля, железа и никеля, железа и кобальта, алюминия, меди, магния и титана.4. The method according to claim 2, in which solid particles are selected from the group consisting of diamond, boron carbide, boron nitride, aluminum nitride, and element carbides or borides from the group consisting of W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al and Si, and a matrix material is selected from the group consisting of alloys based on cobalt, iron, nickel, cobalt and nickel, iron and nickel, iron and cobalt, aluminum, copper, magnesium and titanium.5. Способ по п.1, в котором подготовка не полностью спеченного корпуса шарошки включает подготовку неспеченного корпуса шарошки или частично спеченного корпуса шарошки.5. The method according to claim 1, in which the preparation of an incompletely sintered cone body includes the preparation of an unsintered cone body or a partially sintered cone body.6. Способ по п.1, в котором размещение по меньшей мере одного режущего элемента на не полностью спеченном корпусе шарошки включает помещение по меньшей мере неспеченного режущего элемента или частично спеченного режущего элемента на неспеченный корпус шарошки или на частично спеченный корпус шарошки.6. The method according to claim 1, in which the placement of at least one cutting element on a partially sintered cone of the cone includes placing at least an unsintered cutting element or a partially sintered cutting element on an unsintered cone or on a partially sintered cone.7. Способ по п.6, в котором при спекании корпуса шарошки осуществляют по меньшей мере одно из следующего: спекают неспеченный корпус шарошки с помещенным на него неспеченным режущим элементом до конечной плотности, спекают неспеченный корпус шарошки с помещенным на него частично спеченным режущим элементом до конечной плотности, спекают частично спеченный корпус шарошки с помещенным на него неспеченным режущим элементом до конечной плотности, и спекают частично спеченный корпус шарошки с помещенным на него частично спеченным режущим элементом до конечной плотности.7. The method according to claim 6, in which when sintering the cone of the cone carry out at least one of the following: sintered casing of the cone cone with the sintered cutting element placed on it to a final density, sintered cone of the cone with the partially sintered cutting element up to the final density, sintered partly sintered cone body with a sintered cutting element placed on it to a final density, and sintered partly sintered cone body with a partially sintered cutting el placed on it ment to a final density.8. Способ по п.1, в котором механически вырезают по меньшей мере одно отверстие в не полностью спеченном корпусе шарошки и при помещении по меньшей мере одного режущего элемента на не полностью спеченный корпус шарошки вставляют по меньшей мере один режущий элемент в это по меньшей мере одно отверстие в не полностью спеченном корпусе шарошки.8. The method according to claim 1, in which at least one hole is mechanically cut out in the incompletely sintered cone of the cone, and when at least one cutting element is placed on the incompletely sintered cone of the cone, at least one cutting element is inserted into this at least one hole in the incompletely sintered cone body.9. Способ по п.8, в котором обеспечивают средний зазор примерно от 0,025 мм до 0,635 мм между наружными поверхностями по меньшей мере одного режущего элемента и поверхностями не полностью спеченного корпуса шарошки в по меньшей мере одном отверстии.9. The method of claim 8, in which an average clearance of from about 0.025 mm to 0.635 mm is provided between the outer surfaces of the at least one cutting element and the surfaces of the incompletely sintered cone body in at least one hole.10. Способ по п.1, в котором механически вырезают по меньшей мере одно отверстие в не полностью спеченном корпусе шарошки и при помещении по меньшей мере одного режущего элемента на не полностью спеченный корпус шарошки вставляют по меньшей мере один режущий элемент в это по меньшей мере одно отверстие в не полностью спеченном корпусе шарошки.10. The method according to claim 1, in which at least one hole is mechanically cut out in the incompletely sintered cone of the cone, and when at least one cutting element is placed on the incompletely sintered cone of the cone, at least one cutting element is inserted into this at least one hole in the incompletely sintered cone body.11. Способ по п.1, в котором при помещении по меньшей мере одного режущего элемента на не полностью спеченный корпус шарошки в по меньшей мере одном режущем элементе обеспечивается состав материала в первой области вблизи границы раздела между этим режущим элементом и не полностью спеченной шарошкой, отличающийся от состава материала во второй области вблизи поверхности режущего элемента, захватывающей породу.11. The method according to claim 1, in which when placing at least one cutting element on the incompletely sintered cone of the cone in at least one cutting element, the composition of the material is provided in the first region near the interface between this cutting element and the incompletely sintered cone, different from the composition of the material in the second region near the surface of the cutting element, entraining the rock.12. Способ по п.11, в котором обеспечивают изменение состава материала по меньшей мере одного режущего элемента посредством выбора: первого состава материала в первой области для улучшения сцепления между по меньшей мере одним режущим элементом и не полностью спеченной шарошкой и второго состава материала во второй области для повышения по меньшей мере твердости или износостойкости по меньшей мере одного режущего элемента.12. The method according to claim 11, in which the material composition of the at least one cutting element is changed by selecting: a first material composition in the first region to improve adhesion between the at least one cutting element and the incompletely sintered cone and the second material composition in the second areas for increasing at least hardness or wear resistance of at least one cutting element.13. Способ по любому из пп.1-12, в котором помещают по меньшей мере один опорный элемент на не полностью спеченный корпус шарошки и сплавляют опорный элемент с не полностью спеченным корпусом шарошки в процессе спекания корпуса шарошки до конечной плотности.13. The method according to any one of claims 1 to 12, in which at least one support element is placed on the incompletely sintered cone of the cone and the support element is fused with the incompletely sintered cone of the cone during sintering of the cone to a final density.14. Режущий узел для использования в буровом инструменте, включающий по меньшей мере один режущий элемент, спеченный и составляющий единое целое с корпусом шарошки, причем корпус шарошки включает композитный материал "матрица-частицы" с первым составом материала, а по меньшей мере один режущий элемент включает композитный материал "матрица-частицы" со вторым составом материала, отличающимся от первого состава.14. A cutting unit for use in a drilling tool, comprising at least one cutting element, sintered and integrally with the cone body, the cone body comprising a matrix-particle composite material with a first material composition, and at least one cutting element includes a matrix-particle composite material with a second material composition different from the first composition.15. Режущий узел по п.14, в котором композитный материал "матрица-частицы" корпуса шарошки включает множество твердых частиц, распределенных по матричному материалу и включающих материал, выбранный из алмаза, карбида бора, нитрида бора, нитрида алюминия, и карбидов или боридов элементов из группы, включающей W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al и Si, а матричный материал выбран из группы, состоящей из сплавов на основе кобальта, железа, никеля, кобальта и никеля, железа и никеля, железа и кобальта, алюминия, меди, магния и титана.15. The cutting unit according to 14, in which the composite material "matrix-particles" of the roller cutter body includes many solid particles distributed over the matrix material and including a material selected from diamond, boron carbide, boron nitride, aluminum nitride, and carbides or borides elements from the group consisting of W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al and Si, and the matrix material is selected from the group consisting of alloys based on cobalt, iron, nickel, cobalt and nickel, iron and nickel, iron and cobalt, aluminum, copper, magnesium and titanium.16. Режущий узел по п.15, в котором композитный материал "матрица-частицы" по меньшей мере одного режущего элемента включает множество твердых частиц, распределенных по матричному материалу и включающих материал, выбранный из алмаза, карбида бора, нитрида бора, нитрида алюминия и карбидов или боридов элементов из группы, включающей W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al и Si, а матричный материал выбран из группы, состоящей из сплавов на основе кобальта, железа, никеля, кобальта и никеля, железа и никеля, железа и кобальта, алюминия, меди, магния и титана.16. The cutting assembly according to claim 15, wherein the matrix-particle composite material of the at least one cutting element includes a plurality of solid particles distributed over the matrix material and including a material selected from diamond, boron carbide, boron nitride, aluminum nitride, and carbides or borides of elements from the group comprising W, Ti, Mo, Nb, V, Hf, Ta, Cr, Zr, Al and Si, and the matrix material is selected from the group consisting of alloys based on cobalt, iron, nickel, cobalt and nickel, iron and nickel, iron and cobalt, aluminum, copper, magnesium and titanium.17. Режущий узел по п.14, содержащий по меньшей мере один опорный элемент, спеченный и составляющий единое целое с корпусом шарошки.17. The cutting unit according to 14, containing at least one supporting element, sintered and integral with the body of the roller cutter.18. Режущий узел по п.17, в котором упомянутый по меньшей мере один опорный элемент включает композитный материал "матрица-частицы".18. The cutting unit according to claim 17, wherein said at least one support element comprises a matrix-particle composite material.19. Режущий узел по п.14, в котором упомянутый по меньшей мере один режущий элемент представляет собой по меньшей мере режущую вставку или по меньшей мере часть конструкции режущего зуба.19. The cutting assembly of claim 14, wherein said at least one cutting element is at least a cutting insert or at least a portion of a cutting tooth structure.20. Буровой инструмент, содержащий режущий узел по любому из пп.14-19.20. Drilling tool containing a cutting unit according to any one of paragraphs.14-19.

Images