Буровая коронка с пайкоклиновым разъемным креплением пластин-резцов

Полезная модель относится к горному делу, а именно к буровым коронкам со сменными пластинами-резцами, предназначенным для проходки геологоразведочных скважин на месторождениях твердых полезных ископаемых и воды в породах различной крепости, в том числе и перемежающихся по твердости.
Известна буровая коронка, пластины-резцы которой снабжены стальным хвостовиком и прикреплены свароклиновым способом [1]. При этом пластины-резцы установлены и зажаты клином в сквозных пазах по схеме скважино- и кернообразующих резцов, а хвостовик приварен к корпусу бурового инструмента с возможностью последующего прорезания на сварном шве узких щелей для съема пластин-резцов. Достоинством этой коронки является уменьшение усилия зажима клином при сохранении резцеудерживающей способности крепления коронки. Известно, что усилие зажима понижает прочность пластин-резцов, следовательно, и допустимые усилия резания. В этом способе сварка принимает на себе дополнительные нагрузки от резца. А с другой стороны сварной шов не может быть достаточно большим, чтобы нести всю нагрузку на резец, так как его размер ограничен размером хвостовика. Таким образом, несущие способности клинового зажима и сварного шва хвостовика совместно работают на повышение надежности крепления резцов. Однако существенным недостатком данного свароклинового способа крепления является возможность перегрева сверхтвердого слоя, так как при сварке температура сварной ванны достигает до 1600-1750°С. При этом температура неконтролируема и зависит только от квалификации сварщика, кроме того безопасное от сварочной ванны расположение резца ограничивается размерами корончатого кольца. Кроме того, при выпиливании вдоль коронки приваренного хвостовика резцов попутно пропиливается также корпус коронки, и, тем не менее, остается некоторая часть сварочного шва не допиленной.
Известна также буровая коронка со скважино- и кернообразующими пластинами-резцами, установленными с отрицательным передним углом к торцевой поверхности забоя скважины и отрицательным передним углом в плане к боковой внутренней и внешней поверхностям в глухие прямоугольные пазы, и зажимными клиньями, установленными за пластинами-резцами в клинообразные пазы [2].
Достоинством коронки является возможность переустановки резцов на новые неизношенные кромки посредством многократного расклинивания и последующего многократного заклинивания, что повышает ресурс отработки коронки. Положительной особенностью данной коронки является и то, что возникающие силы резания компенсируются в узле крепления резцов не только силами трения, но и ответными реакциями корпуса коронки, благодаря наличию у резцов опорных поверхностей по направлению действия сил резания.
Недостаток - незначительная деформация корпуса инструмента даже в пределах упругости при бурении трещиноватых пород может вызвать местное ослабление усилия зажима пластин, их смещение от занимаемого положения и даже выпадение. И при этом напряжение от усилия зажима пластины складывается с тангенциальной составляющей силы резания, которая в силу неоднородности породы, а также из-за подклинивания бурового снаряда носит динамический характер. Все это ограничивает практическое применение данной коронки для бурения геологоразведочных скважин. Данная коронка принята за прототип.
1. Таким образом, может быть поставлена задача повышения надежности крепления резцов путем дополнительного крепления, работоспособность которого не зависит от деформации корпуса коронки. Поставленная задача может быть решена, если в коронке с разъемным креплением пластин-резцов, установленных в глухие прямоугольные пазы по схеме скважино- и кернообразующих резцов, с возможностью обеспечения необходимого выпуска боковых калибрующих и режущих кромок, включающей многократный клиновой зажим пластин-резцов и их многократное расклинивание, пластина-резец установлена в пазы с возможностью многократной некапиллярной пайки к задней стенке паза и многократного пропила по шву пайки механическим способом, при этом припой выполнен в виде пластины, толщиной равной ширине зазора между задней стенкой паза и примыкающими друг к другу пластиной-резцом и боковой опорной стенкой.
Возможные варианты осуществления полезной модели следуют из зависимых пунктов 2-4 формулы. В соответствии с п. 2 полезной модели в качестве резца принята пластина-резец, выполненная со сверхтвердым режущим слоем и твердосплавной подложкой, например, алмазно-твердосплавная пластина (АТП) и прикреплена к задней стенке паза твердосплавной подложкой некапиллярной пайкой припоем ТП-1М; с п. 3 пластина-резец выполнена монолитной, например, из нанокомпозита кристаллического нитрида бора; с п. 4 принята глубина пропила на 2-3 мм более глубины дна паза.
Таким образом, представленная новая коронка отличается от прототипа тем, что резец дополнительно имеет задней стороной крепление некапиллярной пайкой со стенкой паза. Причем для пайки выполнен зазор порядка 0,7-0,9 мм для размещения листового припоя и последующего пропила пилой по металлу шва пайки. Полученная шероховатость стенок паза после пиления отвечает требованиям пайки трехслойным припоем, например, ТП-1М (шероховатость Rz40-20, температура пайки 920°С), а при капиллярной пайке требуется шлифовка паяемых поверхностей (Ra=1,6 - 6,3 мм). Следует также иметь в виду, что в этой коронке паяный слой, как и пластина-резец воспринимает усилие зажима клинового крепления. Благодаря этому оказывается необходимое фиксирующее пластину-резец давление на припой при пайке, кроме того клиновой зажим также выступает фактором, ограничивающим деформацию и разрушение пластины-резца, так как создаются при бурении и зажиме условия объемного сжатия.
По сравнению с известными аналогами предложенная коронка имеет также ряд преимуществ. Отсутствие хвостовика и необходимости сварки вносит существенное упрощение в технологию крепления пластин-резцов и устраняет возможный перегрев пластин-резцов от высокой температуры сварки.
Реализации в этой коронке способов механического и термического соединения увеличивает надежность крепления пластины-резца. При ослаблении механического зажима вследствие деформации корпуса коронки припаянная сторона резца удерживает пластину-резец в фиксированном состоянии. С другой стороны нагрев стенок паза при пайке позволяет при клиновом зажиме поверхности стенок паза деформироваться согласно рельефу (вогнутость и вогнутость) сверхтвердого режущего слоя и твердосплавной подложки, что устраняет концентрацию напряжений в зоне контакта пластины-резцов со стенками паза. При этом крепление, как и крепление пластин-резцов прототипа, является разъемным, так как пластину-резец можно освободить от клинового зажима и пропилить в радиальном направлении сварочный шов. Возможность разъема крепления позволяет при выходе из строя одной-двух пластин заменять их на новые, а изношенные кромки заточить и эксплуатировать дальше. Таким образом, решением поставленной задачи достигнут определенный технический результат, выражающийся в повышении надежности крепления пластин-резцов в корпусе буровой коронки.
Суть модели иллюстрируется на примере кольцевой буровой коронки, пластины-резцы которой закреплены некапиллярной пайкой и клином. На фиг. 1 изображен вид спереди на кольцевую буровую коронку с двухслойными пластинами-резцами, закрепленными некапиллярной пайкой; на фиг. 2 - вид снизу на фиг. 1. Коронка имеет корпус 1 с корончатым кольцом 2, скважинообразующие пластины-резцы 3 в контакте с опорной боковой стенкой 4, клинья 5, кернообразующие пластины-резцы 6 с опорой на боковую стенку 7, заклиненные в пазу 8 клинья 9, промывочные каналы и радиальные пазы 10. Все пластины-резцы имеют сверхтвердый режущий слой 11 и прикреплены к задней стенке паза некапиллярной пайкой посредством листового трехслойного припоя 12, к примеру, марки ТП-1М, толщиной 0,8 мм, и зажаты в пазу клином. Особенность пайки заключается в следующем. При нагреве собранного для пайки резца до 300-400°С, когда материал передней стенки паза со стороны сверхтвердого слоя пластины-резца становится пластически деформируемым, клином дополнительно поджимают резец. При этом материал стенки паза заполняет все углубления на поверхности сверхтвердого слоя, и тем самым обеспечивается полный контакт вогнутых и выпуклых поверхностей и плотное зацепление их шероховатостей. Это уменьшает локальные напряжения на пластине-резце от усилия зажима клином, и, с другой стороны, увеличивается сопротивление сдвигу пластины-резца в пазу. С задней стороны пластины-резца неровности твердосплавной подложки и задней стенки паза заполняются припоем, который при расплавлении растекается и адсорбируется контактной плоскостью подложки и задней стенки паза. Окончательный клиновой зажим пластин резцов с целью повышения резцеудерживающей способности крепления проводится после окончания пайки и последующего отпуска на холодной коронке. Все клинья зафиксированы в положении зажима стопорами 13. Промывочные каналы и пазы 10 также принципиально не отличаются от прототипа. Конструктивное отличие заключается в наличии радиального щелевидного паза, который изготавливается пилой по металлу толщиной равной толщине листового припоя, например, ТП-1М.
При переустановке или замене разъем пластин-резцов обеспечивается удалением клина, предварительно отбив прихваченный сваркой стопор 13 с последующим прорезанием радиального щелевидного паза по контуру задней поверхности твердосплавной подложки пластины-резца. Таким образом, весь припой выпиливается в виде стружки, освобождая пластину-резец от крепления и образуя паз для последующего размещения припоя для повторной пайки. Причем щели можно прорезать как вручную, так и резаками с электроприводом, а и также миниболгарками.
Источники, принятые во внимание.
1. Патент Российская Федерация №2631 756 МПК Е21В 10/46 (2006.01) Е21В 10/633 (2006.01) Способ разъемного крепления пластин-резцов с двумя или тремя сверхтвердыми слоями и твердосплавной подложкой / Федоров Л.Н., Ермаков С.А., Иванов И.И., Ткаченко В.В., Шипков А.Н.; заявитель Федер. гос. бюдж. учреждение науки, Инс-т горн, дела Севера им. Н.В. Черского Сиб. отд-ния Рос.акад. наук; заявл. 31.05.2016; опубл. 26.09.2017 Бюл. №27
2. Патент Российская Федерация №2574091 МПК Е21В 10/48 Буровая коронка с клиновым зажимом резцов / Федоров Л.Н., Ермаков С.А.; заявитель Федер. гос. бюдж. учреждение науки, Инс-т горн, дела Севера им. Н.В. Черского Сиб. отд-ния Рос.акад. наук.; заявл. 11.11.2014; опубл. 10.02. 2016.