Brevet FR2646875A1 — publié le 19901116

Taillant roto-percutant de forage à élements d'attaque ultra-durs L'invention concerne les taillants rotopercutants de forage de roche comprenant un corps en métal dur, généralement en acier, qui est muni, sur sa face de travail, d'alvéoles de réception des éléments d'attaque dont au moins la zone en saillie hors du corps est en matériau ultra-dur, le côté opposé du taillant étant muni d'un moyen de fixation au dispositif rotopercutant. On utilise largement de tels taillants, en particulier pour le forage profond. Les éléments d'attaque sont constitués par des plaquettes à faces planes et extrémité biseautée, fixées au corps par brasage, ou par des pions à extrémité en forme de dôme, fixés au corps par sertissage. Le matériau ultra-dur de la zone en saillie est constitué généralement de carbure de tungstène avec, lorsqu'on recherche une tenue de longue durée, un renfort de diamant polycristallin (PCD) ou de nitrure de bore cubique (CBN). Suivant que les taillants sont destinés à des marteaux fonctionnant en fond de trou ou hors du trou, le sens de rotation est à droite ou à gauche. Sur les taillants traditionnels, l'axe du taillant et l'axe d'un élément d'attaque sont dans un meme plan. Si les éléments d'attaque sont des plaquettes, ces dernières sont en général encastrées de façon à ne présenter qu'une faible saillie, le plan médian entre leurs grandes faces dirigé radialement, et brasées. Lorsque, ce qui est le cas le plus fréquent à l'heure actuelle, les éléments d'attaque sont des pions, l'axe de l'élément d'attaque et celui du taillant peuvent être soit divergents (éléments inclinés), soit parallèles (éléments non inclinés) mais, dans un cas comme dans l'autre, la disposition des éléments d'attaque ne tient donc pas compte du sens de rotation. La pratique ci-dessus est constante en matière de taillants roto-percutants, alors qu'au contraire, dans un taillant purement rotatif, la disposition des éléments d'attaque tient compte du sens de rotation. La disposition, universellement adoptée sur les taillants roto-percutants, présente surtout l'avantage d'une fabrication simple. Mais l'obliquité de l'ef fort par rapport à la direction générale des éléments d'attaque a un effet défavorable sur leur tenue mécanique. L'invention vise à fournir un taillant du type ci-dessus défini, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il améliore la tenue et l'action des éléments d'attaque. Dans ce but, l'invention propose un taillant roto-percutant dont la plupart au moins des éléments d'attaque ont une inclinaison dans le sens de la rotation obtenue en déportant leur enracinement dans le sens opposé à la rotation. Grâce à cette disposition, les éléments d'attaque (constitués par des plaquettes ou par des pions à dômes) sont moins sollicités au moment de l'impact, la direction d'application de ce dernier se rapprochant de l'axe de l'élément ou de son plan de symétrie. L'acier du corps du taillant est mieux protégé contre l'érosion du terrain, qui tend à déchausser l'élément d'attaque à l'avant. Enfin, cette nouvelle disposition des pions fait que leur implantation dans le corps du taillant est possible dans des cas où elle ne le serait pas avec une disposition traditionnelle, sauf à utiliser des pions plus courts ou de plus faible diamètre, solutions préjudiciables à la solidité ou à la longévité du taillant.On peut par exemple, grâce à l'invention, placer deux pions de 14 mm de diamètre et de 20 mm de longueur à la même distance de l'axe sur un taillant de 38 mm seulement de diamètre car la double obliquité des éléments écarte leur enracinement de l'axe du taillant. La mise en oeuvre de l'invention permettant d'allonger la durée de vie des éléments d'attaque, il est souhaitable, pour améliorer la longévité de l'ensemble du taillant, d'allonger aussi la durée de vie du corps en acier. Donc, pour obtenir une usure homogène, l'invention propose également un taillant du type ci-dessus défini, dans lequel la surface du corps en acier est protégée dans ses parties les plus exposées à l'usure, notamment entre les éléments d'attaque, par une couche superficielle de dureté supérieure à celle de la partie profonde du corps. Cette protection peut être obtenue par divers procédés, par exemple par dépôt ou incrustation de poudre de produit ultra-dur, ou par incorporation, sur une faible profondeur, de diamant de fine granulométrie (éventuellement sous forme de saw grit) ou de CBN ou par apport de métal dur. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 montre schématiquement, en perspective, un taillant roto-percutant pour marteau du type dit "hors du trou", prévu pour tourner vers la gauche - les Figures 2, 3 et 4 montrent schématiquement un taillant roto-percutant pour marteau du type dit "hors du trou", respectivement en perspective, en vue de dessus et en coupe suivant la ligne IV-IV de la Figure 3 - la Figure 5 est une vue de dessus montrant schématiquement une fraction de taillant pour marteau "fond de trou", les éléments d'attaque étant représentés dans la partie A dans une disposition suivant l'invention et, dans la partie B, dans une disposition traditionnelle. Le taillant 10 montré schématiquement en Figure 1 se compose d'un corps 12 en acier sur lequel sont fixés des éléments d'attaque du type couramment appelé "pions à dômes" 14, constitués par des éléments cylindriques terminés par une portion sensiblement hémisphérique revêtue d'une couche polycristalline constituée de grains de matériau ultra-dur liés directement entre eux et avec le reste de l'élément. Chacun de ces "pions à dômes" 14 est fixé, par sertissage, dans un trou borgne du corps. Le taillant représenté comporte des éléments d'attaque répartis autour de l'axe 16 du taillant. La partie périphérique comprend six éléments, emboîtés dans des logements pratiqués dans des renflements du corps entre lesquels sont ménagés des passages pour l'évacuation des débris.Le côté du taillant opposé à la surface de travail présente un trou fileté 18 pour liaison avec les tiges qui transmettent la rotation par leurs filetages et la percussion par appui métal sur métal. Des trous de soufflage peuvent déboucher entre les éléments d'attaque. La disposition décrite jusqu'à présent est traditionnelle. Elle est notament applicable aux taillants pour marteaux dits "hors du trou" connus, et notamment ceux décrits dans "Le sondage roto-percutant marteau hors du trou" par G. Sabatier, Industrie minérale-mines et carrières, Avril 1987. Mais, conformément à l'invention, les axes de certains au moins des éléments d'attaque (les plus écartés de l'axe) ne sont pas contenus dans un plan comprenant l'axe 16 du taillant. Sur la Figure 1, l'axe de chaque élément d'attaque est au contraire incliné vers l'avant dans le sens f de la rotation (dans le cas du taillant montré en Figure 1, le sens de rotation est à gauche).L'angle d'inclinaison donné aux axes des éléments d'attaque dépend de la vitesse linéaire de chacun d'eux ; il est choisi de façon que l'impact sur chaque élément d'attaque se fasse suivant une direction se rapprochant de son axe : en d'autres termes, on cherche à aligner la direction des efforts appliqués avec l'axe des éléments d'attaque.Dans la pratique, dans le cas d'un taillant pour marteau hors du trou du type décrit ci-dessus, la disposition finale d'un pion périphérique sera celle résultant de deux mouvements qui lui seraient successivement appliqués à partir d'une position parallèle à l'axe du taillant : d'abord un déport du pied de I'élé- ment vers l'axe du taillant (inclinaison traditionnelle moyenne de 30 pour les pions périphériques) suivi, conformément à l'invention, d'un autre déport du pied de l'élément dans le sens opposé à la rotation, ce qui a pour effet d'écarter l'élément de sa position précédente avec laquelle il forme un angle pouvant atteindre 32". Pour les pions autres que périphériques, leur disposition ne correspond qu'au déport du pied dans le sens opposé à la rotation. Le taillant montré en Figure 2 est également destiné à un marteau hors du trou, mais il ne comporte que deux éléments d'attaque 14a, diamètralement opposés. Une telle disposition est utilisée sur les taillants de petit diamètre ou sur la tête de travail des fleurets pour le forage de galeries. Les deux pions 14a (périphériques) ont une double inclinaison du même mode que celui décrit dans l'exemple précédent, à savoir un déport du pied de chaque élément vers l'axe, combiné avec un déport du pied de chaque elément dans le sens opposé à la rotation. Il faut remarquer que l'implantation selon l'invention, en ecartant- l'enracinement des pions de l'axe du taillant, permet de disposer deux pions de grand diamètre sur un taillant de faible diamètre, ce qui ne serait pas possible dans le cas d'une implantation traditionnelle des pions, c' est--dire avec leur enracinement déporté seulement vers l'axe du taillant, car il y aurait alors interférence entre les deux éléments, comme il est facile de l'imaginer en observant les Figures 3 et 4. Le taillant montré schématiquement en Figure 5 a une -constitution générale couramment utilisée pour équiper des marteaux fond de trou qui attaquent directement le taillant (alors qu'un train d'allonges est interposé entre le taillant et un marteau hors du trou). Le corps 12b en acier est percé de trous borgnes destinés à recevoir des pions à sommet en forme de dôme. Dans un taillant traditionnel (partie B), la couronne externe est constituée de trous 20 (huit dans l'exemple) régulièrement répartis et dont l'axe est incliné de 30 par rapport à l'axe du taillant. Une seconde couronne peut être constituée de trous 22 (quatre dans l'exemple, répartis à 90 ) orientés parallèlement à l'axe 16b du taillant. Une troisième couronne peut être constituée de trous 23 en petit nombre. Une quatrième couronne comporte des trous 24 régulièrement répartis, inclinés eux aussi de 30 par rapport à l'axe, mais cette fois vers l'intérieur. Un trou supplémentaire 26 est quelquefois prévu pour recevoir un pion isolé à proximité de l'axe. Conformément à l'invention, chacun des pions est incliné vers l'avant dans le sens de rotation f. Cette inclinaison se combine à l'inclinaison éventuelle dans le sens radial et conduit, pour chacun des pions 20b, 22b et 24b de la Figure 5, à une orientation résultante indiquée par une flèche. On voit que les orientations résultantes a et F des éléments 20b et 24b sont divergentes par rapport à la direction tangentielle. Comme indiqué plus haut, l'implantation suivant l'invention réduit l'usure des éléments d'attaque. Pour réduire, dans des proportions à peu près équivalentes, l'usure de la face avant du corps 12b, il est souhaitable de protéger ce dernier soit par un revêtement superficiel de matériau dur, soit par une dispersion de produit ultra-dur sur une profondeur limitée, par exemple en mettant en oeuvre le procédé aéja décrit dans le brevet FR-A-2 568 933 de la Société Industrielle de Combustible Nucléaire. REVENDICATIONS 1. Taillant roto-percutant de forage de roche, comprenant un corps en métal dur (12, 12a, 12b) qui est muni, sur sa face de travail, d'alvéoles ou de trous borgnes de réception des éléments d'attaque (14, 14a, 20b, 22b, 23b, 24b) dont au moins la zone en saillie hors du corps est en matériau ultra-dur, et qui est muni, sur le côté opposé, de moyens de fixation au dispositif roto-percutant, caractérisé en ce que la plupart au moins des éléments d'attaque ont une inclinaison dans le sens de la rotation, obtenue en déportant leur enracinement dans le sens opposé à la rotation. 2. Taillant selon la revendication 1, caractérisé en ce que les éléments d'attaque ont une orientation qui est la résultante d'une inclinaison dans le sens de la rotation du taillant (déport du pied de l'élément dans le sens opposé à la rotation) et d'une inclinaison éventuelle dans le sens radial. 3. Taillant selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la partie superficielle du corps (12, 12a, 12b) est renforcée par un matériau ultra-dur ou est constituée d'un tel matériau. 4. Taillant selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'obliquité des éléments d'attaque par rapport à l'axe du taillant est telle que la contrainte engendrée par la roto-percussion soit orientée sensiblement suivant l'axe de l'élément. 5. Taillant selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison des éléments d'attaque dans le sens circonférentiel est au plus égal à 32". 6. Taillant selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments d'attaque sont constitués par des plaquettes brasées ou des pions sertis dans des logements ou des trous borgnes du corps du taillant.