Brevet FR2504589A1 — publié le 19821029

La présente invention se rapporte à un outil de forage monobloc rotatif, comprenant un corps sur lequel sont positionnés des éléments de coupe et des moyens d'irrigation, pour le forage des roches de dureté tendre à moyenne de type calcaire, argile indurée friable, ou évaporite. Dans un outil au diamant classique, la matrice enchâsse des diamants qui sont disposés à la surface extérieure destinée à être mise en contact avec la roche. Les surfaces diamantées sont divisées en secteurs séparés entre eux par des canaux pour l'irrigation. I1 existe également d'autres types de trépans monoblocs, ceux-ci sont constitués d'un corps en acier, ou d'un corps en acier recouvert de matrice, dont la surface frontale présente des logements permettant de rapporter par brasage des éléments de coupe qui servent à usiner les roches. Les éléments de coupe sont disposés de façon à attaquer la roche sur toute la surface du front de taille, pendant la rotation de l'coutil autour de son axe, depuis le voisinage de l'axe, jusqu'au voisinage du diamètre extérieur. La tenue de la jupe latérale de l'outil est assurée par des diamants enchâssés dans la matrice. Pour les outils présentant des éléments de coupe rapportés, le corps de l'outil est constitué de façon à faciliter la mise en place de ces éléments ; des trous cylindriques sont aménagés dans la surface frontale de l'outil, afin d'encastrer des tétons dont une partie, la partie tranchante, est en saillie par rapport au corps de l'outil. Les outils existants sont très nombreux et l'on fabrique le plus couramment actuellement des outils comportant un corps sur la face duquel sont enchâsses des éléments coupeurs répartis généralement de manière à former une spirale. Ces éléments coupeurs comportent des pastilles circulaires en diamant synthétique polycristallin présentant une arête formant le taillant et lesdits diamants synthétiques sont rapportés sur les extrémités extérieures des tétons lesquels sont répartis sur toute la face du corps de l'outil jusqu'à sa périphérie. Dans les outils à éléments de coupe rapportés, les taillants peuvent être réalisés de différentes manières. On utilise généralement des éléments de coupe constitués d'un téton cylindrique de carbure de tungstène fritté sur lequel est assemblée une pastille présentant une surface durcic par la présence de cristaux de diamants synthétiques. La fabrication de ces éléments de coue est très complexe et particulièrement la solidarisation du diamant synthétique sur l'extrémité extérieure du téton devant se faire à une température relativement basse compte tenu des caractéristiques techniques des éléments à associer, entrainant un coût de production très élevé. Un autre inconvénient majeur de ces éléments de coupe réside dans le fait que la partie utilisable des pastilles en diamants synthétiques est réduite entraînant une perte importante. Les pastilles sont généralement positionnées sur le téton de façon à présenter un angle de dépouille natif c l'arriè- re du taillant. Ceci permet de faire porter un maximum d'efforts sur la partie frontale dure du taillant. Cette disposition est très efficace lorsque le taillant est neuf ou peu usé. Un inconvénient de ce système est que dans certains terrains abrasifs, la partie dure du taillant peut s'user assez vite. L'usure se produit sur la partie tranchante faisant apparaître une surface de contact entre le support du taillant et la roche. Cette surface augmente avec l'usure de la face diamantée et fait disparaitre la dépouille aménagée dans la partie arrière du téton. L'efficacité du taillant est diminuée par l'augmentation de contact entre la pastille et la roche. L'apparition d'une surface lisse a l'arrière du taillant au fur et à mesure que ce dernier s'émousse provoque une réduction des contraintes appliquels sur la roche, il en résulte une diminution c l'avancement du trépan ou outil. L'outil objet de la présente invention permet d'obvier à ces inconvénients et apporte une amélioration aux performances en avancement et longévité par rapport aux outils actuels. Le corps de l'outil suivant la présente invention est constitué par un support en acier de forme presque cylindrique, creux, qui est relié aux tiges de forage. Autour du support, une carapace appelée matrice, très dure et très résistante, est obtenue par un procédé de fonderie propre à la métallurgie des poudres. Cela consiste à obtenir une pièce solide par assemblage de grains de carbure de tungstène, la liaison entre les grains est assurée par un lian métallique mis en place par infiltration de métal fondu. Le corps de l'outil a la face frontale plane avec un évidement concave (conique) au voisinage du centre et un profil arrondi vers le diamètre extérieur. La forme de l'outil, lisse et plate, dans la partie frontale est destinée à un meilleur nettoyage des déblais de roche, qui ont tendance à s'accumuler entre le front de taille et le corps dc l'outil. L'espace entre l'outil et la roche est balayé avec force par la boue de forage. Celle-ci est accélérée en passant par des orifices calibrés (buses) disposés dans le coros de l'outil. Le passage de la boue au travers des buses provoque un jet qui vient heurter le front de taille. Dans l'outil suivant invention, tous les jets sont orientés de façon a entraîner les particules de terrain vers la périphérie extérieure de l'outil. L'angle de balayage correspond à l'angle entre l'axe du jet et le plan perpendiculaire au front de taille au point d'impact du jet. Le milieu de la face frontale situé au voisinage de l'axe de rotation est irrigué par une buse orientée sensiblement parallèlement à l'axe de outil. L'angle de balayage pour la buse centrale est obtenu par une forme concave du front de taille. Pour les autres buses, l'angle de balayage est obtenu par inclinaison de l'axe des buses par rapport a l'axe de l'outil. Des éléments de coupe sont répartis et enchâssés sur toute la face frontale jusqu'à la périphérie. Lesdits éléments de coupe formant des tétons sont constitués en une seule pièce obtenue par métallurgie des poudres (frittage ou infiltration). Toute la partie dii téton qui doit émerger du corps de l'outil est diamantée non seulement sur toutes ses faces mais également par la présence de particules de diamants mélangés à la matiere à l'intérieur du taillant. Le taillant imprégné de diamants peut s'émousser, mais il conserve sur toute la surface de contact avec le terrain une aptitude à attaquer les roches, non seulement par des contraintes de compressions et de cisaillement mais également par abrasion sur la surface de contact taillant-roche. De nouveaux diamants sont exposés à la surface du taillant au fur et à mesure de son usure. Le renouvellement des diamants au contact de la roche ralentit l'usure du taillant. Le taillant devient une matière consommable dont l'usure ne porte pas préjudice à l'avancement du trépan. Les dessins annexés illustrent à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation du dispositif conforme à la présente invention. La figure 1 représente une partie en élévation et une partie en coupe, d'un outil de forage selon l'invention. La figure 2 représente un plan de la partie frontale de l'outil de forage, selon la droite AA portée sur la figure 1. La figure 3 représente une coupe longitudinale, partielle, de l'outil de forage, faisant apparaître le détail des buses, selon l'axe BB porté sur la figure 2. La figure 4 représente, en élévation, un élément de coupe avec le taillant en partie inférieure. La figure 5 représente, en plan, un élément de coupe côté taillant. La figure 6 représente en perspective un élément de coupe. Les figures 7 à 13 représentent schématiquement, suivant les plans A et B, portés sur la figure 6, des Iients de coupe dont le taillant est conçu avec des formes différentes selon la nature du terrain. Tel que représenté en figures 1, 2, 3, 4 et 5, l'outil comporte un support 1 en acier relie aux tiges 2 de forage et recouvert d'un matériau dur 3 ; lequel enrobe ledit support 1 à l'intérieur, sur la partie frontale 4 et à l'extérieur sur le pourtour 5 actif ou jupe. La face frontale 4 présente une surface plane et se prolonge par un profil arrondi 6 vers le diamètre extérieur. Une buse 7 centrale positionnée dans le support 1 débouche approximativement au centre de la partie frontale 4 formée par un évidement conique 8 et ladite buse 7 centrale est associée à trois buses 9 inclinées de manière à ce que les jets soient orientés vers le pourtour 5 ou jupe de l'outil. Les buses 9 sont positionnées selon un angle de balayage compris entre 20 et 45 . Le nombre de buses calibrées peut varier suivant la dimension de l'outil. Ce nombre est au minimum de trois et au maximum de 6. Le nombre de buses, en effet, ne peut être augmenté exagérément car, par suite de la diminution de chacun des orifices, il y aurait risque de bouchage des buses. Les buses calibrées peuvent être obtenues soit directement de fonderie dans le corps de l'outil, soit par fixation de pieces en matière à haute résistance à l'abrasion à l'extrémité des conduits. Pour les outils ayant des buses rapportées, celles-ci peuvent être fixées sur le corps de l'outil par divers procédées usuels : brasage, bouchon filleté, circlips, etc... Les éléments de coupe enchâssés sur la partie conique 8 et la face frontale 4 jusque sur le pourtour 5 sont constitués d'un téton 10 (voir figures 4 et 5) d'une seule pièce, dont la partie saillante 11 porte les diamants 12 sur toutes les faces et est également diamantée dans la masse. Ainsi l'outil peut travailler jusqu'à l'usure importante de la partie émergée du taillant sans variation d'efficacité mécanique et en conservant des angles constants. Sur la periphérie du pourtour 5 de l'outil sont enchâssés des diamants 13 intercalés avec des canaux 14. Comme représenté en figures 6 à 13, le téton ]0 peut être fabriqué dans sa partie 11 imprégnée de diamants formant le taillant avec des formes diverses. Les formes peuvent être étudiées de façon à exercer des contraintes différentes suivant la nature des roches. Les taillants peuvent présenter une partie frontale plane de façon à usiner les roches préféren- tiellement au cisaillement. L'angle de coupe du plan d'attaque peut être positif, nul ou négatif. Lorsque le taillant est neuf, il peut avoir un angle de dépouille. Le bord. d'attaque du taillant peut être plus large que la partie carrière de façon à présenter un angle de dépouille latéral. i'in'rorso est T La forme du taillant peut être étudiée en vue d'une cfficacité maximale des conditions d'utilisation. Toutes les formes de taillant peuvent être envisagées suivant l'effet à produire arrondie, anguleuse, etc...). A titre d'information, il est précisé que la forme particulière du matériau dur 3, apportant les avantages précitées, pourrait recevoir des diamants synthétiques polycristallins en vue d'une utilisation particulière. REVENDICATIONS 1) Outil de forage de roches, par rotation, à-de grandes profon deurs, comprenant un support en acier de forme presque cylin drique, creux, relié aux tiges de forage et ledit support est recouvert, par un procédé de fonderie consistant à l'assem blage de grains de carbure de tungstène par un lian métalli que, d'un matériau très dur, lequel porte des éléments de coupe, des diamants et les extrémités des buses d'irrigation, caractérisé en ce que le corps de l'outil a la face frontale plane avec un évidement conique au voisinage du centre et un profil arrondi vers le diamètre extérieur ; en ce que des tétons enchâssés sur la partie frontale et répartis jusqu'd la périphérie de la jupe, sont constitués en une seule pièce, dont les parties saillantes sont irriguées par des buses positionnées selon un angle de balayage compris entre 20 et 450 2) Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un matériau dur obtenu par fonderie recouvrant le support a la partie frontale plane jusqu'a la périphérie de la jupe. 3) Outil de forage selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'une buse placée dans le support et débouchant sur l'évidement est positionnée au voisinage de l'axe de rotation et orientée sensiblement parallèlement à l'axe de l'outil. 4) Outil de forage selon l'ensemble des revendications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que des buses débouchent sur la partie plane avec un angle compris entre 20 et 40. 5) Outil de forage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le téton en une seule pièce à la partie saillante dia mantée sur toute ses faces. 6) Outil de forage selon les revendications 1 et 5, caractérise en ce que le téton en une seule pièce à la partie saillante diamantée dans la masse. 7) Outil de forage selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que la partie saillante du téton en une seule pièce peut avoir des formes variables.