СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОЕДИНЕНИЯ РЕЗЦОВ К КОРПУСУ БУРОВЫХ КОРОНОК
MANUFACTURING METHOD OF ATTACHMENT OF CUTTERS TO HOUSING OF DRILL CROWNS

Изобретение относится к машиностроительной и горной промышленности, в частности к пазовым соединениям с натягом, и может быть использовано при креплении пластинчатых резцов к корпусу буровых коронок.
Известен способ соединения твердосплавных резцов к корпусу буровых коронок пайкой при температуре 950-970°C [1]. Достоинством соединения резцов пайкой является возможность крепления резцов к корпусу кольцевой коронки с минимальной шириной. При этом в самозатачивающихся коронках резцы могут быть использованы почти на 100%. Однако существенным недостатком способа соединения пайкой является нагрев твердосплавных резцов и стального корпуса коронки, коэффициент теплового расширения которых отличается почти в два раза. Вследствие этого температурные напряжения в зоне пайки вызывают преждевременный выход из строя резцов буровых коронок.
Известен способ соединения твердосплавных вставок с корпусом шарошечных и ударных долот запрессовкой в цилиндрические гнезда [2]. Благодаря механическому креплению этих вставок термические напряжения во вставках отсутствуют. Механические напряжения в твердосплавных вставках от их запрессовки в стальные корпуса долот незначительны, ввиду высокого модуля упругости твердого сплава по сравнению со сталью. Однако существенным недостатком способа прессового соединения в породоразрушающих инструментах является то, что оно приемлемо только для цилиндрических вставок, работающих в условиях осевого давления или удара. В условиях значительных тангенциальных сил резания и узкого кольцевого забоя прессовое соединение малоприменимо из-за невозможности обеспечения надежной работы соединения.
Наиболее близким по технической сути и достигаемому эффекту является способ соединения двух листов методом холодной обработки давлением и устройство для его осуществления [3]. Суть способа соединения заключается в том, что два листа соединяются путем надрезки одного из листов и продавливания материала другого в надрезы первого с выдавливанием материала за надрезы с образованием закраин. Положительной особенностью этого способа соединения являются возможность придания необходимой формы (закраин) выдавленному материалу для соединения деталей, чем достигается надежное соединение без вспомогательных элементов и операций. Если сравнить с точечной сваркой, то нет теплового действия, вызывающего коробления листов. Недостаток - узкая область применения, ограниченная тонкими листами, что делает невозможным его применение во многих областях техники, например, в креплении резцов в буровых коронках. Однако более тщательный анализ положительных качеств данного способа позволяет принять его как прототип предлагаемого нового способа соединения резцов к буровой коронке.
Таким образом, может быть поставлена задача значительного уменьшения внутренних напряжений в буровых резцах кольцевых коронок путем применения некоторых операций способа соединения двух листов. При решении этой задачи достигается определенный технический результат, выражающийся в повышении проходки на буровую коронку или нагрузки на коронку с целью бурения ею более крепких пород.
Поставленная задача решается тем, что сначала буровую коронку снабжают охватывающим и внутренним кольцами, устанавливают их во встречные углубления корпуса коронки, а пластинчатые резцы устанавливают впритык к набегающей стороне радиального промывочного паза, заводя хвостовик резцов между охватывающим и внутренним кольцами, далее с помощью наружных и внутренних пуансонов задавливают до середины ширины радиального паза корпуса коронки охватывающее и внутреннее кольца до взаимного контакта и выдавливают материал охватывающего и внутреннего кольца из-под торца пуансонов до силового контакта с хвостовиком резцов, при этом хвостовик прижимается к набегающей стороне радиального паза, а образовавшиеся впадины соединяются в одну полость с наружными и внутренними промывочными каналами.
Дальнейшие возможные варианты осуществления следуют из зависимых пунктов 2-4 формулы изобретения.
В соответствии с п.2 изобретения, пуансоны приводятся в периодический ударный контакт.
В соответствии с п.3 изобретения, для упрощения установки внутренний диаметр охватывающего кольца берут равным или большим наружного диаметра коронки, а высоту охватывающего и внутреннего колец и глубину углублений на корпусе коронки берут равными и рассчитывают по формуле
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>n</mi><mi>h</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>+</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
, где
n - число пазов;
h - ширина радиального паза.
Далее по изобретению для облегчения установки внутреннего кольца перед сборкой предварительно деформируют по внутреннему диаметру и радиальным пазам корпуса кольцевой буровой коронки.
Продавливание охватывающего и внутреннего колец в радиальные пазы, вызывает натяг по внешней и внутренней стороне хвостовика резцов, а выдавливание материала охватывающего и внутреннего колец приводит к прижатию хвостовика резцов к стенке паза корпуса коронки. Таким образом, предлагаемый способ изготовления соединения резцов к коронке обеспечивает их надежное крепление к корпусу коронки.
Предлагаемый способ изготовления пазового соединения, несмотря на многооперационность, технологичен при осуществлении и обладает высокой точностью. Высокоамплитудное циклическое тепловое и механическое действие на резец в узлах крепления во время бурения не вызывает его разрушения из-за внутренних напряжений, так как исключена пайка. Изготовление данного соединения продавливанием охватывающего и внутреннего кольца в радиальные пазы корпуса коронки не только фиксирует резцы, но и восстанавливает сообщение между внутренними и внешними промывочными каналами. Таким образом, предлагаемый способ изготовления соединения позволяет применять его для крепления резцов в буровых коронках и в некоторых случаях отказаться от пайки, вызывающей внутренние напряжения в резцах и их преждевременный выход из строя. В силу вышесказанного считаем, что наше предложение обладает новизной и изобретательским уровнем.
Предлагаемый способ изготовления соединения резцов к коронке имеет следующие преимущества по сравнению с известными:
- по сравнению с пайкой крепление резцов осуществляется без наведения внутренних термонапряжений, что приводит к увеличению стойкости резцов при бурении;
- расширена область применения пазового соединения, а именно, возможно его применение в креплении резцов к корпусу буровой кольцевой коронки;
- надежно решает задачу крепления резцов к кольцевой буровой коронке охватывающим и внутренним кольцами с формированием ими же промывочного канала.
Суть изобретения иллюстрируется на примере кольцевой буровой коронки на фиг.1…6. На фиг.1 изображен общий вид пазового соединения резцов к корпусу буровой коронки, изготовленного по предлагаемому способу; на фиг.2 - разрез фиг.1 по А-А; на фиг.3 - фрагмент соединения в разрезе; на фиг.4 - схема расчета высоты охватывающего кольца, обеспечивающего возможность сборки без его разреза; на фиг.5 - внутреннее кольцо, подготовленное к сборке; на фиг.6 - схема продавливания и выдавливания материала охватывающего и внутреннего колец из-под торца пуансонов.
Буровая коронка содержит соединяемые детали корпус коронки 1 и пластинчатые резцы 2 с хвостовиком 3, вспомогательные детали охватывающее кольцо 4 и внутреннее кольцо 5 (фиг.1 и 2). Впадины 6, образованные охватывающим и внутренним кольцами, сообщаются с промывочными каналами 7 и радиальными пазами 8 (фиг.1, 2 и 3). Хвостовик резцов обрабатывается под «ласточкин хвост» или может иметь прямоугольные пазы на боковых сторонах. Для размещения охватывающего и внутреннего кольца на корпусе коронки по его внешнему и внутреннему диаметру изготавливают встречные углубления (прямоугольные или трапециевидные пазы), контуры которых совпадают с контуром хвостовика резцов. Для ограничения движения пластинчатых резцов в продольном направлении хвостовик контактирует верхними и нижними заплечиками своих пазов с охватывающим и внутренним кольцами, при этом торец хвостовика резцов взаимодействует с дном радиального паза корпуса коронки.
Предлагаемый способ осуществляют следующим способом.
<mrow><mfrac><mi>h</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mi>h</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>−</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>t</mi></mrow><mi>n</mi></mfrac></mrow>
Хвостовик резцов обрабатывают под «ласточкин хвост» или изготавливают прямоугольные пазы на боковых сторонах. На корпусе коронки делают встречные углубления так, чтоб их контуры совпадали с контуром хвостовика резцов, и также изготавливают охватывающее и внутреннее кольца с возможностью их установки в эти углубления. Для удобства сборки охватывающее кольцо делают с внутренним диаметром равным или немного более внешнего диаметра коронки R, тогда длина его периметра будет больше на Δℓ, чем нужно для установки в кольцевое углубление с глубиной t, равной высоте охватывающего кольца (фиг.4). Тогда Δℓ, как разница длины окружностей (2π(R+t)-2πR) составит 2πt. Следовательно, чтобы реализовать данное крепление, не разрезая охватывающее кольцо, его объем, соответствующий длине дуги Δℓ, должен быть перемещен в соответствующий радиальный паз 8 корпуса коронки на половину его ширины
. Тогда перемещаемый объем должен разместиться по двум сторонам паза (фиг.4, заштрихованный участок), длина которых выразится формулой через параметры паза
. При этом на каждый паз приходится перемещаемый деформированием объем, соответствующий длине дуги, равной
, где n - число пазов. Приравняв полученные выражения, получим высоту кольца или глубину выемки:
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>n</mi><mi>h</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mi>π</mi><mo>+</mo><mi>n</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac></mrow>
Для ширины торца коронки h=9 мм и количества пазов n=3 получим выссоту кольца или глубины кольцевого паза:
<mrow><mi>t</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>3</mn><mo>×</mo><mn>9</mn></mrow><mrow><mn>2</mn><mo stretchy="false">(</mo><mn>3.14</mn><mo>+</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>2.2</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>м</mi></mrow>
При изготовлении внутреннего кольца, чтоб он проходил во внутрь корпуса коронки, предел деформирования материала кольца может быть превышен при задавливании его пуансоном в радиальный паз корпуса коронки. Поэтому кольцо изготавливают с большим диаметром, исходя из возможности деформирования без разрыва. Для этого внутреннее кольцо предварительно деформируют по внутреннему диаметру и радиальным пазам коронки и устанавливают во внутреннее углубление корпуса коронки.
После установки охватывающего и внутреннего колец в кольцевые углубления корпуса коронки резцы хвостовиком заводят между ними и прижимают к набегающей стороне радиального паза. При этом резцы имеют возможность перемещения только в окружном направлении против вращения коронки, т.е. в сторону радиального паза корпуса коронки. Затем, внешним и внутренним пуансонами продавливают охватывающее и внутреннее кольца до середины радиального паза корпуса коронки до их взаимоконтакта. Для окончательной жесткой фиксации резцов выдавливают материал из-под торца пуансонов до силового контакта с хвостовиком резцов с их прижатием к набегающей стороне радиального паза, образуя прессовую посадку. При этом выдавливание осуществляют 5-10 кратным увеличением давления или приложением ударных нагрузок на пуансоны.
Источники информации
1. Бурение разведочных скважин. Учеб. для вузов [Текст] / Н.В. Соловьев, В.В. Кривошеев, Д.Н. Башкатов и др.; Под общ. Ред. Н.В. Соловьева. - М.: Высш. шк., 2007. - 904 с.; ил.
2. Крылов, К.А. Повышение долговечности и эффективности буровых долот [Текст] / К.А. Крылов, О.А. Стрельцова. - Москва: Недра, 1983. - 208 с.
3. А.с. 1286099 СССР, B21D 39/03. Способ соединения двух листов и устройство для его осуществления [Текст] / Г.Ю. Экольд, X. Маасс. (СССР). - №3868330/25-27; заявл. 21.03.85; опубл. 30.04.1989, Бюл. №16. - 6 с.: ил.