Brevet FR2710686A1 — publié le 19950407

La présente invention concerne un trépan rotatif et monobloc de forage dans le sol constitué, d'une part d'une pluralité de taillants en diamant polycristallin servant à attaquer les roches, d'autre part de surfaces latérales de frottement servant à centrer et à guider le trépan. Pendant le forage les trépans sont soumis à des à-coups longitudinaux ou latéraux, ainsi qu'à des oscillations de torsion ou de pivotement provenant du train de tiges. Ces perturbations, qui provoquent un déséquilibre des forces de coupe, tendent à mettre l'outil en vibration. D'autre sollicitations de vibrations peuvent provenir du terrain lui-même. Sous l'effet d'une sollicitation les vibrations peuvent, soit s'atténuer, soit s'amplifier, selon que les impulsions sont contrariées ou accordées avec une symétrie du trépan. Un phénomène de résonnance se produit lorsque, par une suite de ricochets, le mouvement prend un appui itératif sur les mêmes taillants. La perturbation s'entretient alors d'elle-même suivant un mode vibratoire propre à la structure de l'outil. Lors de vibrations auto-alimentées, les forces dynamiques provenant des masses excentrées provoquent un élargissement du diamètre du trou foré. Le trépan déplacé latéralement, prend appui sur la paroi du sondage en une série de centres instantanés de rotation qui se déplacent à la périphérie de l'outil. Ce phénomène appelé en anglais "whirl" est parfois traduit par précession; lorsqu'il se produit, les taillants subissent des forces d'impact anormalement élevées qui peuvent détruire rapidement les éléments de coupe. Pour assurer une meilleure longévité d'un trépan, il convient d'intégrer à la conception un dispositif de prévention contre l'amplification des vibrations. L'outil objet de la présente invention est conçu de manière à empêcher l'amplification des vibrations d'autoexcitation développées par le trépan lui-même. I1 est connu que le principal facteur d'amplification des vivrations est lié à l'agressivité de la structure de coupe dans la zone d'approche du diamètre. C'est en effet à la périphérie de l'outil que se déplace, de rebond en rebond, le centre instantané de rotation. Par ailleurs, le déplacement latéral caractérise le mode vibratoire. L'outil objet de la présente invention est réalisé de manière à ne présenter aucune agressivité de coupe par cisaillement dans la zone du diamètre extérieur. Ceci est obtenu par une forte inclinaison des pastilles diamantées qui réalisent l'approche du diamètre ainsi que des pastilles qui garantissent le diamètre. Selon la présente invention la table diamantée des taillants situés dans la zone du diamètre extérieur et de son approche, est fortement inclinée vers le terrain de façon à écraser la roche plutôt qu a la couper. Par ailleurs les taillants situés à la périphérie sont disposés symétriquement de façon à produire un équilibre des forces dans différentes directions, ce qui limite le déplacement latéral. Pour une meilleure compréhension de l'invention nous séparerons la structure de coupe en deux zones distinctes: - une zone frontale F occupant tout le centre et presque toute la partie proéminante du front de taille, à l'exception de la zone latérale définie ci-aprés; - une zone latérale L, située à la périphérie du trépan, servant à réaliser l'approche du diamètre et à en garantir le maintien, définie de telle sorte que, à l'intérieur de cette zone, toute droite normale à la surface de révolution du corps de trépan forme par rapport à l'axe de rotation un angle (a) compris entre 50 et 90 degrés. Dans la zone frontale F, les taillants ont leur table diamantée disposée de façon à présenter un angle de dépouille négative usuel, favorable à la coupe des roches, compris entre 10 et 30 degrés. Dans la zone latérale L, les taillants ont leur table diamantée disposée de façon à présenter un angle inhabituel de dépouille négative compris entre 40 et 55 degrés. Les taillants disposés dans la zone latérale L sont rectifiés dans l'alignement de la jupe. Les surfaces de frottement de jupe étant rectifiées lisses pour présenter le moins d'accrochage possible. Suivant un mode de réalisation préférentiel mais non limitatif de la présente invention, la partie frontale du trépan comportant les taillants a sensiblement la forme d'un dôme aplati, dont le sommet se trouve sur l'axe de rotation. Cette forme a pour objet de minimiser l'effet de levier provoqué par une sollicitation de pivotement. 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 demi-silhouette d'un trépan selon l'invention. La figure 2 représente l'action d'un taillant disposé sur la zone frontale F. La figure 3 représente l'action d'un taillant disposé sur la zone latérale L. Selon une forme de réalisation, préférentielle mais non limitative, représentée par les figures, 1, 2, et 3, l'outil comporte un corps ou support (1), ayant une forme de révolution, se terminant, à une extrémité par un filetage de raccordement (2), et à l'autre extrémité par une structure de coupe constituée d'une pluralité de taillants (3) dont la partie coupante est une table diamantée. L'outil comporte également des surfaces de frottement formant une jupe de centrage (4). La structure de coupe est divisée en deux zones, l'une frontale, est située au centre et sur la partie proéminente du trépan, l'autre, latérale, est située à la périphérie. La zone latérale L est définie'de telle sorte que toute normale (5) à la surface de révolution du corps de trépan (6) forme avec l'axe du trépan (7) un angle (a) compris entre 50 et 90 degrés. Les taillants disposés dans la zone frontale F présentent une table diamantée (8) inclinée d'un angle (b), usuel, compris entre 10 et 30 degrés en avant du sens de rotation (9) par rapport a une normale (5). Tout ou partie des taillants disposés dans la zone latérale L présentent une table diamantée (8) inclinée d'un angle (c) compris entre 40 et 55 degrés en avant du sens de rotation (9) par rapport à une normale (5). La surface de révolution (6) du corps (1) dans la zone frontale F a la forme d'un dôme aplati dont le sommet se trouve sur l'axe de rotation (7). Les taillants émergeant de la partie latérale L sont rectifiés en alignement de la jupe (4). Les surfaces portantes de celle-ci sont lisses pour ne pas offrir d'accrochage. Les taillants de la zone latérale L sont disposés suivant un arrangement symétrique permettant de réaliser un équilibre des forces de couple. REVENDICATIONS 1) Trépan rotatif et momobloc de forage des roches dont la structure de coupe est composée de taillants (3) présentant une table en diamant polycristallin, caractérisé en ce que la structure de coupe se divise en une partie frontale F et une partie latérale L, cette dernière étant définie comme le secteur dans lequel une normale (5) à la surface de révolution (6) du corps de trépan (1) forme, avec l'axe de rotation (7), un angle (a) compris entre 50 et 90 degrés; cette partie latérale L se distingue comme étant munie de taillants dont la table diamantée (8) est inclinée de façon à présenter un angle de dépouille négative (c) compris entre 40 et 55 degrés. 2) Outil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les taillants de la zone latérale L sont disposés suivant un arrangement symétrique produisant un équilibre des forces de couple. 3) Outil selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que les surfaces portantes de jupe (4) sont lisses.