СПОСОБ ОБРАБОТКИ ЦАПФЫ ЛАПЫ БУРОВОГО ДОЛОТА Российский патент 2008 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 двугранника лапы, а также радиусом поворота цапфы - расстоянием от оси цапфы до оси базового отверстия на поверхности двугранника.

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 двугранника.

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.

Известны 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 двуграннику 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 двуграннику, 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 согласно способу обработки цапфы лапы бурового долота вначале на эталонной заготовке лапы на базе ее математической модели программируют и обрабатывают начисто наружную поверхность двугранника с базовым отверстием на одной из его плоскостей. Затем на торце цапфы выполняют центрирующее цилиндрическое отверстие с осью, точно совпадающей с осью цапфы лапы, устанавливают эталонную заготовку в полость устройства, позволяющего при ослабленных стопорных элементах изменять ее положение в пространстве относительно осей координат, вводят закрепленный в патроне базовый цилиндрический валик в ответное по форме центрирующее цилиндрическое отверстие для ориентирования эталонной заготовки в пространстве относительно осей координат X, Y, Z по сферической поверхности крышки упомянутого устройства и определяют линейное положение базового штифта на плоскости установочной двугранной призмы. Жестко фиксируют полученное положение подвижной части упомянутого устройства с помощью стопорных зажимных болтов и гаек, цилиндрический валик выводят из центрирующего цилиндрического отверстия, вынимают эталонную заготовку, а вместо нее устанавливают обычную заготовку лапы с необработанной цапфой, закрепляют ее в упомянутом устройстве с помощью силового штока на призме вкладыша и производят обточку цапфы лапы долота с точной ориентацией положения оси цапфы, достигнутой с помощью эталонной заготовки.

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

Для осуществления предлагаемого способа обработки лапы бурового долота необходимо устройство для ее закрепления на обрабатывающем станке. Ниже приведено описание одного из вариантов такого устройства.

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 варианта 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 эталонной заготовки с помощью центрирующего отверстия 52 в цапфе с направлением оси, точно совпадающим с направлением оси цапфы, базового цилиндрического валика 53, центрирующего патрона 54.

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 двугранник 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 двугранника служат ориентирами при последующей механической обработке лапы.

Правильное размещение в устройстве для обработки подшипниковой цапфы 3, как уже отмечалось выше, определяется пятью параметрами. Первый параметр - угол α между осью 8 подшипниковой цапфы 3 лапы и осью двугранного угла (двугранника) лапы. Второй параметр - высота 9 шариковой беговой дорожки 10 - расстояние между внутренним краем шариковой беговой дорожки 10 и осью двугранника (продолжением ребра 6). Третий параметр - радиус поворота 11 цапфы - расстояние а от оси 8 цапфы до оси базового отверстия 7 на плоскости 4 двугранника. 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 двугранника 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 двугранника 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. Вариант устройства 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, практически равным R₁ (R₂≅R₁).

В нижней части вкладыша 19 расположена призма 21 (фиг.4) с двугранным углом для размещения и закрепления в нем выпуклого двугранника лапы 1. Для регулирования перемещения лапы вдоль оси двугранной 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 двугранному 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 обработки лапы бурового долота осуществляется следующим образом.

Вначале на эталонной заготовке лапы бурового долота на базе ее математической модели программируют и обрабатывают начисто поверхность двугранника с базовым отверстием 7 на одной из его плоскостей, выполняют центрирующее цилиндрическое отверстие 52, устанавливают эталонную заготовку в полость устройства при ослабленных гайках и болте на стопорных элементах, подводят центрирующий патрон 54 (фиг.9), в котором закреплен на его оси базовый цилиндрический валик 53, вводят его в отверстие 52 в 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 двугранной призмы, затем полученное положение вкладыша с установочной двугранной призмой и штифтом жестко фиксируют зажимными гайками и болтом, валик 53 выводят из отверстия 52, 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.

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 обработки цапфы лапы бурового долота может применяться для обработки лапы как до химико-термической обработки, так и после нее. Внедрение способа использования образцов устройства для обработки лапы бурового долота 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 шарошечного 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 бурения скважин, изготовления буровых долот. Способ заключается в том, что вначале на эталонной заготовке лапы обрабатывают начисто наружную поверхность двугранника с базовым отверстием, затем на торце цапфы выполняют центрирующее цилиндрическое отверстие с осью, совпадающей с осью цапфы лапы. Устанавливают эталонную заготовку в полость устройства, позволяющего при ослабленных стопорных элементах изменять ее положение в пространстве. Вводят закрепленный в патроне базовый цилиндрический валик в ответное по форме центрирующее отверстие для ориентирования эталонной заготовки по сферической поверхности крышки устройства и определяют линейное положение базового штифта на плоскости установочной двугранной призмы. Жестко фиксируют полученное положение подвижной части устройства с помощью стопорных зажимных болтов и гаек. Цилиндрический валик выводят из центрирующего отверстия, вынимают эталонную заготовку, а вместо нее устанавливают обычную заготовку лапы с необработанной цапфой. Закрепляют ее в устройстве с помощью силового штока на призме вкладыша и производят обточку цапфы лапы долота с точной ориентацией положения оси цапфы. 9 ил.

Способ обработки цапфы лапы бурового долота, отличающийся тем, что вначале на эталонной заготовке лапы на базе ее математической модели программируют и обрабатывают начисто наружную поверхность двухгранника с базовым отверстием на одной из его плоскостей, затем на торце цапфы выполняют центрирующее цилиндрическое отверстие с осью, точно совпадающей с осью цапфы лапы, устанавливают эталонную заготовку в полость устройства, позволяющего при ослабленных стопорных элементах изменять ее положение в пространстве относительно осей координат, вводят закрепленный в патроне базовый цилиндрический валик в ответное по форме центрирующее цилиндрическое отверстие для ориентирования эталонной заготовки в пространстве относительно осей координат X, Y, Z по сферической поверхности крышки упомянутого устройства и определяют линейное положение базового штифта на плоскости установочной двухгранной призмы, жестко фиксируют полученное положение подвижной части упомянутого устройства с помощью стопорных зажимных болтов и гаек, цилиндрический валик выводят из центрирующего цилиндрического отверстия, вынимают эталонную заготовку, а вместо нее устанавливают обычную заготовку лапы с необработанной цапфой, закрепляют ее в упомянутом устройстве с помощью силового штока на призме вкладыша и производят обточку цапфы лапы долота с точной ориентацией положения оси цапфы, достигнутой с помощью эталонной заготовки.