СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ШАРОШКИ ОДНОШАРОШЕЧНОГО ДОЛОТА Российский патент 2003 года по МПК B22D19/06 

Изобретение относится к способу изготовления бурового инструмента, а именно одношарошечных буровых долот. Единственная шарошка сферической (или близкой к сферической) формы подвижно закреплена на цапфе единственной лапы. При вращении привода и приложении осевой нагрузки шарошка долота вращается одновременно относительно оси долота и относительно оси наклонной цапфы. Твердосплавные элементы вооружения, расположенные на наружной поверхности шарошки, совершают сложное перемещение в пространстве и разрушают породу, образуя забой, близкий к сферическому.

Одношарошечные буровые долота обладают очень важным для глубокого бурения положительным свойством - кратно большей, чем у трехшарошечных долот одинакового диаметра, мощностью и прочностью лапы, шарошки и тел качения опоры. Это надежно предотвращает аварии одношарошечных долот в глубоком и сверхглубоком бурении из-за разрушения шарошки с ее оставлением на забое, тогда как разрушение и оставление на забое шарошек трехшарошечных долот в глубоком бурении не редкость.

Отрицательное свойство одношарошечных долот - возможность работы только в малоабразивных породах средней твердости, поскольку сильно заостренные копытообразные зубки с цилиндрическим основанием, запрессованные в отверстия на поверхности шарошки, обеспечивают высокую механическую скорость бурения только до затупления или скола породоразрушающей поверхности [1]. Кроме того, полное перекрытие забоя зубками с цилиндрическим основанием не обеспечивает достаточно полного перекрытия забоя за один оборот шарошки. Полное перекрытие и поражение всей поверхности забоя и углубление долота возможны лишь через 18-20 оборотов долота, что также снижает возможность применения одношарошечных долот.

Известно буровое одношарошечное долото [2], в котором вместо копытообразных зубков с цилиндрическим основанием применены самозатачивающиеся твердосплавные вставки с длиной, кратно превышающей ширину, и некруглым основанием, закрепляемым в ответных по форме некруглых пазах на теле шарошки с помощью заполнения зазора между вставкой и стенкой паза методами пайки, завальцовки или заливки клеем.

Наряду с резким, кратным увеличением коэффициента перекрытия забоя и возможностью повысить эффективность срезания породы самозатачивающейся рабочей поверхностью вставки, у этого долота существует и недостаток - трудность надежного закрепления длинных твердосплавных вставок (пластин). Эта трудность заключается в сложности обработки наружной поверхности пластин, ответной внутренней поверхности отверстий, обеспечении полноты заливки припоя или клея в зазор, а также малой надежности самого крепления такой заливкой при множестве циклов тяжелого нагружения - разгружения пластин во время работы долота на забое.

Наиболее близким предлагаемому изобретению техническим решением является способ армирования отливкой буровой шарошки [3]. В соответствии с этим способом втулки-заготовки подшипников скольжения из композиционного материала и твердосплавные зубки заливаются жидким металлом. Для закрепления зубков в форме изготавливают оболочку из песчано-жидкостекольной смеси со сквозными отверстиями. В эти отверстия вставляют зубки и закрывают их специальными пробками. После отверждения песчано-жидкостекольная смесь обеспечивает удержание зубков при заливке и застывании стали.

К недостаткам этого способа получения армированной отливки шарошки бурового инструмента следует отнести следующее.

Очень высокая скорость процесса, приводящая к практически мгновенной заливке сталью твердого сплава, нерегулируемый режим застывания и усадки приводят к слишком большому охватывающему усилию на поверхности армирующих твердосплавных вставок, способствующему растрескиванию последних (в особенности, применяемых повсеместно вольфрамо-кобальтовых зубков).

Заливка происходит в присутствии атмосферного кислорода, что приводит к окислению при высокой температуре и заливаемой стали, и поверхности армирующих вставок, образуя на них концентраторы напряжений. Последние, при большом числе огромных циклических знакопеременных нагрузок, являются причиной сколов и поломок вставок.

Кроме того, окисленная пленка на поверхности вставок препятствует взаимному диффузионному насыщению поверхностей стали и вставок, т.е. не способствует превращению граничных поверхностей в монолитные структуры.

В предлагаемом изобретении монолитное соединение удлиненных вставок из твердого сплава с металлической основой шарошки предлагается производить методом электрошлакового литья.

Порядок выполнения этого процесса следующий. В соответствии с фиг.1 на поверхности промежуточной модели из любого, хорошо выгораемого и хорошо обрабатываемого на станках при механической обработке материала, например пенополистирола, обрабатываются гнезда 1, в которые затем устанавливаются породоразрушающие твердосплавные пластины 2 (на фиг.2). При необходимости, они дополнительно могут фиксироваться клеем. Наружная поверхность модели точно соответствует наружной поверхности шарошки с пазами 3 для прохода промывочной жидкости (или без них, если предусматривается впоследствии их механическая обработка). Твердосплавные пластины 2 имеют выступание над поверхностью тела модели на величину, заданную при проектировании долота. Затем модель шарошки с установленными и закрепленными на ее поверхности твердосплавными пластинами (фиг.3) заливают по наружной поверхности жидким составом из жароупорного бетона 4, например, на основе электрокорунда, внутри кожуха 5. Застывший бетон надежно фиксирует положение каждой пластины 2 в пространстве. В кожухе 5, размещаемом на станине 6, устанавливают до соприкосновения с поверхностью модели шарошки нижний электрод 7, подключаемый к источнику постоянного электрического тока (+), а также трубчатую систему терморегулирования процесса 15.

После затвердевания жароупорного бетона 4 пенополистироловую модель шарошки выжигают, форму очищают, внутреннюю поверхность формы и оголившиеся основания твердосплавных пластин 2 покрывают слоем (слоями) теплостойкого покрытия 8, играющего роль теплового демпфера, и защищающего от окисления. В качестве такого покрытия может применяться материал на основе окиси бериллия, окиси циркония, электрокорунда, муллита и др.

Регулированием состава и толщины покрытия обеспечивается регулирование теплового удара, величины охватывающего усилия по посадочной поверхности пластины при усадке стали и скорость диффузионных процессов взаимопроникновения при соединении стали с твердым сплавом.

Затем внутренний объем формы (фиг.4) заливают жидким токопроводящим рафинирующим шлаком 9. К противоположному полюсу 10 (-) источника постоянного электрического тока над формой подключают расходуемый подвижный электрод из материала долотной стали 11, перемешаемый вниз с помощью винта управления 12 электродугой 14 и неподвижно закрепленных гаек 13. После подключения источника постоянного тока между электродами возникает электрическая дуга 14. Система терморегулирования 15 с помощью изменения объема и температуры терморегулирующего агента, циркулирующего в системе, обеспечивает и поддерживает необходимую температуру формы для обеспечения направленной регулируемой кристаллизации отливки. Часть закристаллизовавшегося объема 16 от заливаемого показана на фиг.4.

Расплавленный металл в виде потока разрозненных капель, проходя через слой жидкого рафинирующего шлака 9, интенсивно рафинируется от вредных примесей и неметаллических включений, образуя закристаллизовавшийся объем металла 16, который надежно охватывает и закрепляет твердосплавные пластины 2 любой формы в теле отливки.

После извлечения отливки из формы она подвергается соответствующей термической и механической обработке до получения требуемой конфигурации.

На фиг.1 изображена промежуточная модель шарошки с гнездами 1 под твердосплавные элементы; на фиг. 2 - та же модель с установленными в гнездах твердосплавными породоразрушающими пластинами 2. На фиг.3 показана модель с твердосплавными пластинами, установленная и залитая по наружной поверхности затвердевшим жаропрочным бетоном 4.

На фиг. 4 изображена принципиальная схема осуществления предлагаемого способа изготовления шарошки одношарошечного долота, где показаны 2 - твердосплавные пластины с выступающей частью и закрепляемым расплавом стали основанием, 4 - жаропрочный бетон, 5 - кожух формы, 6 - станина, 7 - нижний электрод, 8 - теплостойкое покрытие твердосплавных пластин, 9 - токопроводящий рафинирующий шлак, 10 - клемма подключения верхнего электрода, 11 - расходуемый подвижный электрод, 12 - винт, 13 - неподвижные гайки, 14 - электродуга, 15 - система терморегулирования, 16 - закристаллизовавшийся объем расплава.

Возможность осуществления данного изобретения подтверждается успешными лабораторными испытаниями опытных образцов одношарошечных буровых долот, шарошки которых изготовлены по указанному способу.

Источники информации
1. Буровое шарошечное долото. Авторское свидетельство 265031, бюлл. 10, 1970 г.

2. Буровое шарошечное долото. Авторское свидетельство 1114779, бюлл. 35, 1984 г.

3. Журнал "Литейное производство", 7, 1988 г., стр. 29.

Изобретение относится к литейному производству, в частности к получению литьем шарошек, армированных твердосплавными элементами. Предварительно твердосплавные элементы закрепляют в отверстиях пенополистироловой модели. Устанавливают модель в кожух формы и заливают жаропрочным бетоном, образующим после затвердевания поверхность литейной формы. Модель выжигают. Пластины надежно фиксируются бетоном. Покрывают пластины слоем теплостойкого покрытия. Заливают в полость формы жидкий токопроводящий рафинирующий шлак. Методом электрошлакового литья, используя расходуемый электрод, заливают форму сталью. Расплав, проходя через шлак в виде потока капель, рафинируется. Обеспечивается также направленная кристаллизация стали и надежное диффузионное соединение пластин со сталью. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ изготовления шарошки одношарошечного долота с твердосплавными породоразрушающими элементами методом заливки стали в форму, отличающийся тем, что твердосплавные элементы предварительно закрепляют в гнездах на поверхности промежуточной модели, которую помещают внутрь кожуха формы, оснащенного нижним электродом установки электрошлакового литья и системой терморегулирования, и заливают жаропрочным бетоном, образующим после затвердевания поверхность литейной формы, затем после выжигания промежуточной модели производят процесс электрошлакового литья с направленной регулируемой кристаллизацией расплава.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поверхность твердосплавных элементов перед литьем покрывают одним или несколькими демпфирующими теплоизоляционными слоями.