СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ ЛАПЫ БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 2007 года по МПК B23B1/00 

Изобретение относится к области бурения скважин и может быть использовано в буровых долотах.

Известные буровые шарошечные долота, в зависимости от предназначаемых для бурения пород - от самых мягких до очень крепких, способов бурения (частоты вращения) - от низкооборотных до высокооборотных, габаритных размеров и схем опор, выпускаются в огромном ассортименте, исчисляемом сотнями типоразмеров. Одной из самых трудоемких операций при изготовлении буровых шарошечных долот является установка в приспособлении заготовки лапы и токарная обработка по наружной поверхности цапфы лапы.

Согласно назначению и типоразмерам долота, каждая лапа характеризуется пятью параметрами: углом α наклона оси цапфы к оси долота, угловым смещением оси цапфы (УСО), поперечным линейным смещением оси цапфы относительно оси долота (ПСО), высотой шариковой беговой дорожки от оси двухгранника лапы, а также радиусом поворота цапфы - расстоянием от оси цапфы до оси базового отверстия на поверхности двухгранника.

Для обеспечения возможности обработки каждой индивидуальной цапфы лапы для многих сотен типоразмеров шарошечных буровых долот необходимо спроектировать, изготовить в металле и произвести наладку оснастки, строго выдерживая все пять вышеуказанных параметров: угол α, УСО, ПСО, высоту шариковой беговой дорожки и расстояние до оси базового отверстия на поверхности двухгранника.

Эта очень трудоемкая и длительная работа препятствует быстрому выполнению заказов потребителей буровых долот.

Известен способ обработки цапфы лапы долота, принятый за аналог [1], при котором укороченная часть спинки лапы вместе с цапфой крепится болтами на поверхности приспособления - угольника, закрепляемого в кулачковом патроне. В обработанном виде короткая часть спинки центрируется и приваривается к остальной готовой части лапы. После сборки секций и сварки их в корпус долота производится нарезка присоединительной резьбы.

К недостаткам данного способа можно отнести необходимость сварки двух частей лапы, неизбежные при этом поводки, нарушающие точность расположения осей и углов цапфы, а также пониженные прочностные свойства составной лапы по сравнению с цельной.

Известно также устройство для обработки лапы бурового долота и способ его использования, принятые за прототип [2]. В отличие от аналога, при этом способе обрабатывается цельная лапа. Она устанавливается и крепится к призме, ответной двухграннику лапы. С противоположной стороны призма имеет дугообразную цилиндрическую поверхность и закрепляется на ответной дугообразной вогнутой цилиндрической поверхности внутри жесткой рамки-крышки, в свою очередь закрепляемой на одной из сторон на массивном основании приспособления, закрепляемого на шпинделе токарно-карусельного станка соосно с его осью вращения. На противоположной стороне основания неподвижно закрепляется противовес, позволяющий исключить биение приспособления с установленной заготовкой лапы при вращении шпинделя станка.

Наличие в устройстве призмы, воспринимающей устанавливаемую заготовку по ее двухграннику, а также возможность поворачивать призму с заготовкой по радиусу цилиндрической поверхности внутри рамки-крышки позволяют регулировать положение лапы относительно ее вертикально выставляемой оси цапфы перед закреплением лапы и обработкой цапфы. Это позволяет значительно упростить установочный процесс и крепление заготовки.

Однако при такой схеме устройства и закрепления заготовки решается только часть проблемы установки - возможность регулирования углового смещения оси цапфы (УСО), поскольку имеется возможность использования только одной дополнительной степени свободы для регулирования положения цапфы - поворотом заготовки внутри цилиндрической поверхности.

Недостатками прототипа является то, что с его помощью без переделки и замены установочной призмы нельзя регулировать другие рабочие параметры - угол α, УСО, ПСО, высоту шариковой беговой дорожки. Это обусловливает измененную, но все-таки высокую трудоемкость и длительность настройки для обработки цапф лап каждого из сотен типоразмеров буровых долот, не говоря уже о недостаточно высокой точности установки по оставшимся параметрам, осуществляемой методом подбора призмы или дополнительных пластин.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение возможности быстрого и точного регулирования сразу всех указанных параметров цапфы лапы долота без применения метода проб, переделки геометрической формы установочной призмы и использования регулировочных пластин-прокладок, дополнительно изготавливаемых после каждого пробного замера с помощью целой гаммы измерительных средств.

Указанный технический результат достигается тем, что при способе регулирования параметров установки лапы бурового долота для ее механической обработки вначале на эталонной заготовке с помощью ее математической модели программируют и обрабатывают начисто наружную поверхность цапфы с шариковой беговой дорожкой, затем поверхность двухгранника с базовым отверстием на одной из его плоскостей, устанавливают эту эталонную заготовку в полость устройства при ослабленных гайках и болте на стопорных элементах, подводят закрепленный на оси шпинделя центрирующий патрон, разводные губки которого смыкают до контакта вокруг шариковой беговой дорожки на цапфе эталонной заготовки для ориентирования ее в пространстве относительно осей координат X, Y, Z по сферической поверхности, выполненной на крышке, а также устанавливают линейное положение базового штифта на плоскости двухгранной призмы, затем полученное положение вкладыша с установочной двухгранной призмой и штифтом жестко фиксируют на упомянутой сферической поверхности зажимными гайками и болтом, губки центрирующего патрона раздвигают, освобождают и вынимают эталонную заготовку, а вместо нее устанавливают обычную заготовку лапы бурового долота с необработанной цапфой, закрепляют ее с помощью силового штока на призме вкладыша и производят обточку цапфы лапы бурового долота с точной ориентацией положения оси цапфы, достигнутой с помощью эталонной заготовки. При установке в устройстве для обработки лапы бурового долота положения оси цапфы по эталонной заготовке производят захват цапфы лапы с помощью нескольких симметрично расположенных губок центрирующего патрона, имеющих поверхности контакта, ответные форме профиля шариковой беговой дорожки.

Для ясного понимания сути изобретения вначале описывается устройство для механической обработки лапы бурового долота, для которого предлагается принципиально новый способ регулирования параметров ее установки в этом устройстве.

Перечень фигур чертежей. На фиг.1 изображен общий вид лапы 1 долота (ее заготовки) с припуском для обработки цапфы. На фиг.2 показан разрез по А-А фиг.1. На фиг.3 и 4 изображены проекции предлагаемого устройства с установленной в нем лапой 1 бурового долота, на фиг.4 - разрез по В-В фиг.3. На фиг.5 и 6 показана круглая плавающая шайба, необходимая для фиксирования заготовки лапы в приспособлении и в пространстве во время обточки цапфы на обрабатывающем (токарно-карусельном) станке. На фиг.7 и 8 изображена крышка устройства со стопорными элементами. На фиг.9 показана схема базирования устройства с помощью центрирующего патрона 52 с зажимными губками 53. На фиг.10 изображен разрез по С-С фиг.9. На фиг.11 показана цапфа лапы с изображенными радиусами: R3 шариковой беговой дорожки и R4 зажимных губок центрирующего патрона, поз. 55 и 54 (разрез по D-D фиг.10).

Несколько лап 1 (см. фиг.1), в большинстве случаев три, с подвижно закрепленными на них шарошками соединяются между собой сваркой, образуя корпус бурового шарошечного долота. Каждая заготовка лапы имеет выпуклый консольный выступ с припуском 2 на одном конце, предназначенном для образования цапфы 3 с подшипниковыми беговыми дорожками способом механической обработки. На другом конце лапа имеет V-образную поверхность, образующую после обработки двухгранник с плоскостями 4 и 5 и вершинным ребром 6. В дальнейшем плоскости 4 и 5, вершина ребра 6 и базовое отверстие 7 на одной из плоскостей 4 или 5 двухгранника служат ориентирами при последующей механической обработке лапы.

Правильное размещение в устройстве для механической обработки подшипниковой цапфы 3, как уже отмечалось выше, определяется пятью параметрами. Первый параметр - угол α между осью 8 подшипниковой цапфы 3 лапы и осью двухгранного угла (двухгранника) лапы. Второй параметр - высота 9 шариковой беговой дорожки 10 - расстояние между внутренним краем шариковой беговой дорожки 10 и осью двухгранника (продолжением ребра 6). Третий параметр - радиус поворота 11 цапфы - расстояние а от оси 8 цапфы до оси базового отверстия 7 на плоскости 4 двухгранника. Перед обработкой заготовки лапы ось 8 подшипниковой цапфы с указанными конструктивными параметрами должна быть выставлена до совмещения с осью 12 шпинделя обрабатывающего станка (фиг.3).

На фиг.2 представлены другие переменные параметры лапы, упомянутые выше. Позицией 13 обозначен след плоскости симметрии спинки лапы в продольном сечении, относительно которой задается угол β, определяющий положение одной из плоскостей двухгранника лапы относительно вертикальной плоскости симметрии. Обычно угол β равен 41°.

Угловое смещение оси (УСО) цапфы соответствует углу ее поворота γ относительно плоскости симметрии спинки лапы. Сторона этого угла обозначена позицией 14.

Для усиления эффекта проскальзывания зубьев шарошки по забою во время разрушения породы положение оси цапфы 8 может параллельно смещаться на расстояние b (ПСО), как показано на фиг.2 (позиция 15) на плоскости, перпендикулярной ребру двухгранника лапы (А-А).

Ось 8 цапфы лапы с угловым смещением оси (УСО) и ее параллельным смещением (ПСО) должна быть установлена так, чтобы она совпадала с осью 12 шпинделя станка. Устройство для обработки цапфы лапы имеет основание 16, на стойках которого с помощью стопорных болтов 41 жестко закреплена крышка 17 (фиг.4). В верхней части окна, образованного крышкой 17, выполнена вогнутая сферическая поверхность 18 с радиусом R₁, внутри которой подвижно закреплен вкладыш 19 с ответной выпуклой сферической поверхностью 20 с радиусом R₂, равным R₁ (R₂≅R₁). В нижней части вкладыша 19 расположена призма 21 (фиг.4) с двухгранным углом для размещения и закрепления в нем выпуклого двухгранника лапы 1. Для регулирования перемещения лапы вдоль оси двухгранной призмы 21 перед ее закреплением на одной грани призмы установлен базовый регулирующий штифт 42, в свою очередь размещенный на валике 50 в отверстии 51 в теле вкладыша 19 параллельно оси призмы 21. Обе грани призмы 21 могут быть оснащены износостойкими пластинами 22. В одной из них предусмотрен паз для регулируемого перемещения штифта 42 с фиксацией его положения, например, болтом 43.

Вкладыш 19 с призмой 21 подвижно закреплен (подвешен) с помощью шпильки 23 с гайкой 24. Поджим вкладыша 19 к сферической поверхности 20 обеспечивается с помощью пружины 28, шайбы 25 с вогнутым козырьком 27 и направляющей частью 26. Вогнутая поверхность козырька обеспечивает равномерность прижима шайбы 25 к сферической поверхности крышки 29.

Для удобства установки, прижима и фиксации во время обработки заготовки лапы 1 к двум граням призмы 21 внутри основания 16 установлено амортизирующее подпружиненное (пружины не показаны) прижимное качающееся коромысло 30, имеющее поверхности для объемного контакта 31 и 32 с наружной криволинейной поверхностью вставляемой заготовки лапы, со стороны, противоположной двухгранному углу. Прижимное качающееся коромысло 30 опирается на ось 33, установленную в пазу косынок 34 с возможностью поворота вокруг оси 35. Выступы 36 на косынках 34 сопрягаются со впадинами штока 37 любого известного силового гидропатрона или пневмопатрона.

Для исключения биения во время механической обработки цапфы лапы устройство снабжено симметричным противовесом 38, равным по массе той части приспособления, в которой закреплена лапа 1.

Для регулирования положения оси цапфы поворотами вокруг осей координат X, Y и Z стопорные шпильки 39 с незажатыми гайками 44 с шайбами (фиг.6), завернутые в отверстия 40, обеспечены возможностью перемещения в пространстве вместе с вкладышем 19 и закрепленной на нем лапой 1 до совмещения оси цапфы 8 и оси 12 шпинделя станка благодаря круглой форме плавающих шайб 45 с удлиненным пазом 46, а также двойной сферической формой, выпуклой снаружи 47 и вогнутой 48 со стороны, контактирующей с плоским или сферическим дном отверстия 49 под плавающую шайбу на крышке 17 (фиг.6).

Предлагаемый способ использования устройства для обработки лапы бурового долота осуществляется следующим образом. Вначале на эталонной заготовке лапы бурового долота на базе ее математической модели программируют и обрабатывают начисто наружную поверхность цапфы 3 с шариковой беговой дорожкой 10, затем поверхность двухгранника с базовым отверстием 7 на одной из его плоскостей, устанавливают эту эталонную заготовку в полость устройства при ослабленных гайках и болте на стопорных элементах, подводят закрепленный на оси шпинделя центрирующий патрон 52 (фиг.9), разводные губки 53 которого смыкают до контакта вокруг шариковой беговой дорожки на цапфе эталонной заготовки, тем самым ориентируя ее в пространстве относительно осей координат X, Y, Z сферы крышки, а также устанавливают положение базового штифта 7 на плоскости 4 двухгранной призмы, затем полученное положение вкладыша с установочной двухгранной призмой и штифтом жестко фиксируют зажимными гайками и болтом, губки 53 центрирующего патрона 52 раздвигают, освобождают и вынимают эталонную заготовку, а вместо нее устанавливают уже обычную заготовку лапы, закрепляемую с помощью силового штока на призме вкладыша, и производят обточку цапфы лапы бурового долота с точной ориентацией положения оси цапфы. Захват центрирующим патроном цапфы лапы по шариковой беговой дорожке посредством симметрично расположенных губок для установления совпадения осей цапфы и шпинделя обрабатывающего станка предпочтителен по сравнению с вариантом захвата цапфы центрирующим патроном за малую или большую роликовую беговую дорожку, так как при захвате цапфы по роликовой беговой дорожке удержание ее в патроне происходит только за счет сил трения между губками центрирующего патрона и материалом цапфы. При предлагаемом варианте захвата цапфы по шариковой беговой дорожке уменьшается число степеней свободы детали и, как следствие, получается более быстрый и надежный захват цапфы и точное ориентирование ее в устройстве для обработки лапы бурового долота.

При закреплении остается только одна степень свободы - возможность вращения при обработке закрепленной заготовки лапы со шпинделем вокруг его оси 12.

При подготовке обработки лапы другого типоразмера перечень операций повторяется в той же последовательности.

Предлагаемый способ регулирования параметров установки лапы бурового долота в устройстве, как и само устройство, может применяться для механической обработки лапы как до химико-термической обработки, так и после нее. Внедрение способа полностью подтвердило возможность резкого уменьшения времени пусконаладки на одной из самых трудоемких и ответственных операций при изготовлении буровых долот. При этом значительно повышается точность обработки подшипниковой цапфы лапы бурового долота.

Источники информации

1. Патент США №5201795, кл. В23В 33/00, выдан 13.04.1993 г.

2. Патент США №4872379, кл. В23В 33/00, выдан 10.10.1989 г.

Изобретение относится к области технологии машиностроения, изготовлению буровых долот. Способ включает использование устройства, содержащего основание для установки на шпинделе обрабатывающего станка, в верхней части которого жестко закреплена крышка, а внутри последней на вогнутой поверхности подвижно установлен и закреплен вкладыш с ответной выпуклой поверхностью, включающий двухгранную призму с ограничительным базовым штифтом на одной из граней, приспособленную для установки и закрепления заготовки лапы. Для обеспечения быстрого и точного регулирования вначале на эталонной заготовке лапы обрабатывают начисто наружную поверхность цапфы с шариковой беговой дорожкой, затем поверхность двухгранника с базовым отверстием на одной из его плоскостей, устанавливают эту эталонную заготовку в полость устройства при ослабленных гайках и болте на стопорных элементах, подводят закрепленный на оси шпинделя центрирующий патрон, разводные губки которого смыкают до контакта вокруг беговой дорожки на цапфе эталонной заготовки для ориентирования ее в пространстве по сферической поверхности, выполненной на крышке, а также устанавливают линейное положение базового штифта на плоскости двухгранной призмы. Затем полученное положение вкладыша жестко фиксируют на упомянутой сферической поверхности. Губки центрирующего патрона раздвигают, освобождают и вынимают эталонную заготовку, а вместо нее устанавливают обычную заготовку лапы с необработанной цапфой, закрепляют ее и производят обточку цапфы. 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ регулирования параметров установки лапы бурового долота, включающий использование устройства, содержащего основание для установки на шпинделе обрабатывающего станка, в верхней части которого жестко закреплена крышка, а внутри последней на вогнутой поверхности подвижно установлен и закреплен вкладыш с ответной выпуклой поверхностью, включающий двухгранную призму с ограничительным базовым штифтом на одной из граней, приспособленную для установки и закрепления на двух-граннике заготовки лапы с помощью прижимного качающегося коромысла и силового штока, отличающийся тем, что вначале на эталонной заготовке лапы бурового долота с помощью ее математической модели программируют и обрабатывают начисто наружную поверхность цапфы с шариковой беговой дорожкой, затем поверхность двухгранника с базовым отверстием на одной из его плоскостей, устанавливают эту эталонную заготовку в полость устройства при ослабленных гайках и болте на стопорных элементах, подводят закрепленный на оси шпинделя центрирующий патрон, разводные губки которого смыкают до контакта вокруг шариковой беговой дорожки на цапфе эталонной заготовки для ориентирования ее в пространстве относительно осей координат X, Y, Z по сферической поверхности, выполненной на крышке, а также устанавливают линейное положение базового штифта на плоскости двухгранной призмы, затем полученное положение вкладыша с установочной двухгранной призмой и штифтом жестко фиксируют на упомянутой сферической поверхности зажимными гайками и болтом, губки центрирующего патрона раздвигают, освобождают и вынимают эталонную заготовку, а вместо нее устанавливают обычную заготовку лапы бурового долота с необработанной цапфой, закрепляют ее с помощью силового штока на призме вкладыша и производят обточку цапфы лапы бурового долота с точной ориентацией положения оси цапфы, достигнутой с помощью эталонной заготовки.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при установке в устройстве для обработки лапы бурового долота положения оси цапфы по эталонной заготовке производят захват цапфы лапы с помощью нескольких симметрично расположенных губок центрирующего патрона, имеющих поверхности контакта, ответные форме профиля беговой дорожки цапфы.