Способ разъемного крепления двух- и трехслойных пластин-резцов со сверхтвердыми слоями и твердосплавной подложкой
METHOD FOR DETACHABLE FASTENING OF TWO- AND THREE-LAYERED PLATES-CUTTERS WITH SUPER-HARD LAYERS AND SOLID HARD ALLOY SUBSTRATE

Изобретение относится к горной промышленности и может быть использовано при разработке буровых инструментов, оснащенных двух- и трехслойными пластинами-резцами и применяемых в глубоком, геологоразведочном и шпуровом бурении. Изобретение может быть использовано также при креплении монолитных пластин-резцов, надежно соединяемых термическим или иным способом со сталью.
Известен способ соединения двухслойных алмазно-твердосплавных пластин (АТП) к корпусу буровых коронок пайкой при температуре 950-970°С [1]. Достоинством соединения резцов пайкой является его компактность и возможность крепления резцов к корпусу кольцевой коронки с минимальной шириной. Однако существенным недостатком способа соединения пайкой является наведение термических напряжений в твердосплавных резцах из-за двукратного и более различия коэффициентов теплового расширения твердого сплава и стали. Вследствие этого температурные напряжения в зоне пайки на 30% уменьшают прочность резцов. Недостатком пайки является неразъемность крепления АТП, что не позволяет затачивать изношенные режущие кромки, сменить резцы, если произошел скол режущих кромок. Из-за этого приходится преждевременно, когда еще большинство резцов работоспособно, снимать с работы целиком инструмент. Это приводит к нерациональному использованию и большому расходу дорогостоящего алмазного материала в буровых коронках.
Известен способ соединения пластин-резцов методом зажима клиньями, конусность которых обеспечивает их самоторможение [2]. Суть способа соединения заключается в том, что резцы устанавливают в пазы с боковой подпорной стенкой так, что реакции стенок паза уравновешивают силы резания, и при этом дополнительно поджимают их клином, который в свою очередь заклинивается подклинком. Достоинством механического соединения является возможность переустановки пластин на неизношенные режущие кромки или заточки изношенных кромок и замены всей пластины после ее излома. Недостаток - незначительная деформация корпуса инструмента при бурении трещиноватых пород может вызвать местное ослабление усилия зажима пластин и их 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 снаряда носит динамический характер. Все это ограничивает усилие зажима клином. Следует также отметить, что паз с боковой подпорной стенкой, т.е. глухой паз, технологически сложнее изготовить. Данная коронка принята за прототип.
Таким образом, может быть поставлена задача значительного повышения надежности крепления резцов при механической деформации корпуса коронки, применения допустимого усилия клинового зажима, следовательно, предотвращения опасных внутренних напряжений в буровых пластинах-резцах и в корпусе коронки, а также исключения технологически трудоемкой операции изготовления глухого паза.
Поставленная задача решается тем, что в буровом инструменте, оснащенном двух-трехслойными пластинами-резцами, состоящими из сверхтвердых слоев и твердосплавной подложки и закрепленными механическим зажимом по схеме скважино- и кернообразующих резцов, на корпусе инструмента изготавливают прямоугольные пазы под пластины-резцы сквозными, а к боковой стороне подложки пластины-резца крепят хвостовик из свариваемой стали с возможностью обеспечения необходимого выпуска боковых калибрующих кромок, затем после установки пластин-резцов в пазы их предварительно зажимают клином, а хвостовик приваривают к корпусу бурового инструмента с возможностью последующего прорезания на сварном шве узких щелей, оконтуривающих хвостовик по всем плоскостям прилегания пластин-резцов к стенкам паза, затем, после остывания узла сварки, производят дополнительный зажим пластин-резцов.
Дальнейшие возможные варианты осуществления следуют из зависимых пунктов 2-4 формулы изобретения. В соответствии с п. 2 изобретения хвостовик крепят к подложке пайкой; с п. 3 - хвостовик крепят к подложке спеканием совместно с пластиной-резцом; с п. 4 - приваривают передней набегающей стороной к корпусу инструмента, а задняя сторона вместе с подложкой пластины зажимается клином. В последнем случае, благодаря установке пластин под определенным (10-15 градусов) углом относительно радиуса, хвостовик с передней стенкой паза образует двугранный угол, удобный для наложения сварочного шва и несколько удаленный от края сверхтвердого слоя. Сварка по передней грани хвостовика применяется, когда между пазами под пластину-резец и клин нет промежуточной стенки.
В нашем предложении пластина-резец своей наиболее твердой малосжимаемой частью воспринимает усилие зажима клинового соединения, а стальной хвостовой частью крепится сваркой без наведения внутренних напряжений в режущей части пластины, паяный шов хвостовика при работе пластины-резца находится в условиях объемного сжатия, что значительно повышает ее сопротивление деформации, следовательно, разрушению. Возможное плавление припоя в паяном слое в условиях зажима не приведет к отторжению хвостовика, а после сварки остынет и снова припаяется. Припой также не вытечет, так как он при пайке образует тонкий адгезионный слой, удерживаемый молекулярными силами.
Такая комбинация способов механического и термического соединения в соответствии со свойствами разных частей пластины-резца увеличивает надежность крепления. При ослаблении механического зажима вследствие деформации корпуса коронки приваренный хвостовик удерживает пластину-резец в фиксированном состоянии. Между тем, крепление является разъемным, так как можно пропилить сварочный шов по плоскости контакта режущей части с корпусом инструмента, а режущую часть освободить от зажима и затем после заточки и установки пластин-резцов с определенным выпуском в пазы снова зажать, приварить хвостовую часть и дополнительно зажать клином. Последняя операция вызвана тем, что при нагреве узла механического крепления происходит релаксация напряжения зажима за счет пластической деформации. Поэтому, когда узел крепления остынет, необходимо дополнительно зажать пластину-резец клином. Возможность разъема крепления позволяет при выходе из строя одной-двух пластин заменить их на новые, а изношенные кромки заточить и эксплуатировать дальше. Следует заметить, что при бурении разведочных скважин на твердые полезные ископаемые до 500-1000 м коронки с двухслойными пластинами почти не применяются из-за невозможности замены сколотой пластины-резца или заточки изношенных режущих кромок. В силу этого коронка, содержащая еще много алмаза, снимается с работы. Только при бурении глубоких нефтяных скважин в осадочных породах используются АТП в лопастных долотах. В этих долотах устанавливается много резцов, поэтому редкие повреждения АТП при бурении осадочных пород на работу долота оказывают мало влияния.
Каждая операция в отдельности не может дать такого результата, так как при действии определенных механических сил зажима может сдеформироваться и стать сильно напряженным корпус коронки, а это при непрогнозируемых динамических ударах коронки о стенки забоя, инициируемых неравномерным сопротивлением пород забоя или вывалами породы, может привести к ослаблению зажима пластин-резцов и их выпадению. В этом случае сварка хвостовика не только удерживает пластину-резец в пазу, но и частично упрочняет корпус коронки. С другой стороны, локализованный характер сварки ограничивает ее термическое воздействие на сверхтвердый слой, особенно на его режущую часть, и позволяет делать по сварному шву узкие щели, оконтуривающие хвостовик по плоскостям прилегания пластин-резцов к стенкам паза. Благодаря этому хвостовик восстанавливается, только становится наварным, а крепление становится разъемным. При решении этой задачи достигается определенный технический результат, выражающийся в повышении надежности крепления пластин-резцов при их возможной смене или переустановке. При креплении трехслойных скважино- и кернообразующих пластин-резцов появляется возможность их перестановки местами, при этом неизношенный задний сверхтвердый слой становится передним, т.е. режущим, износ которого вместе с подложкой, в свою очередь, вызывает обнажение изношенного слоя и как бы его заточку в процессе бурения независимо от абразивности буримых пород.
Предлагаемый способ крепления двух-трехслойных пластин к корпусу буровой коронки, несмотря на многооперационность, технологичен при осуществлении и обеспечивает при применении соответствующей оснастки высокую точность установки пластин-резцов благодаря легкой фиксации пластин-резцов клином крепления. Высокоамплитудное циклическое механическое и тепловое действия на резец в узлах крепления во время бурения не вызывают его разрушения из-за внутренних напряжений, так как сваривается сталь к стали, а паяный шов хвостовика с подложкой находится в условиях всестороннего давления, что ограничивает его деформацию, т.е. разрушение. Усилие механического зажима тоже может быть оптимизировано, так как общая прочность крепления зависит также от прочности сварного шва.
Предлагаемый способ крепления пластин-резцов к коронке имеет следующие преимущества по сравнению с известными:
- по сравнению с пайкой крепление пластин-резцов приваркой хвостовика из стали и механический зажим режущей части не вызывает наведения внутренних термонапряжений в последней, что приводит к эксплуатационной прочности резцов при бурении;
- увеличивается надежность крепления пластин благодаря комбинации положительных качеств способов термического и механического соединения в соответствии со свойствами материалов режущей и хвостовой частей пластины.
- повышается проходка инструмента за счет возможности компенсации износа боковых кромок многократной приваркой хвостовика к корпусу коронки.
- комбинация сварки и механического зажима в комплексе с другими существенными признаками делает предложенное крепление разъемным, тем самым сохраняются существенные свойства механического крепления.
Таким образом, общий анализ предлагаемого способа крепления позволяет считать, что наше предложение обладает новизной и изобретательским уровнем.
Суть изобретения иллюстрируется на примере оснащенной двухслойными пластинами-резцами кольцевой буровой коронки на фиг. 1 - 6. На фиг. 1 изображен сквозной паз на торце корпуса кольцевой коронки под кернообразующую пластину-резец; на фиг. 2 изображена установленная и зафиксированная в рабочее положение в сквозном пазу торца корпуса коронки пластина-резец с прикрепленным хвостовиком; на фиг. 3 изображен вид сбоку на приваренный к корпусу коронки хвостовик кернообразующего двухслойного пластины-резца; на фиг. 4 - вид на фиг. 3; на фиг. 5 - схема контура оконтуривающих хвостовик пластины-резца узких щелей по сварным швам; на фиг. 6 - вид сверху на фиг. 5.
Предлагаемый способ осуществляют следующим способом. На торце корпуса кольцевой коронки 1 по схеме скважино- и кернообразующих резцов изготавливают под пластины-резцы сквозные пазы 2 (фиг. 1). Паз 3 под зажимные клинья, промежуточная стенка 4 и промывочные каналы 5 принципиально не отличаются от прототипа. Дополнительно к этому к боковой стороне двухслойного пластины-резца, состоящего из твердосплавной подложки 6 и сверхтвердого слоя 7, крепят хвостовик 8 из свариваемой стали, затем пластины устанавливают в рабочее положение и предварительным зажимом клина 9 фиксируют его. После этого стальной хвостовик 8 приваривают сварным швом 10 к корпусу коронки 1 и промежуточной стенке 4 пазов 2 и 3 (фиг. 2 и 3). Затем, когда остынет узел крепления, пластину-резец окончательно поджимают клином и фиксируют его стопором 11. До сварки зажимать клином пластину-резец рабочим усилием не имеет смысла, так как нагрев клинового соединения при сварке вызывает релаксацию напряжения зажима и усилие зажима неконтролируемо ослабнет. Сварные швы 10 обрабатывают абразивным инструментом. Благодаря тому, что приваривается только хвостовик, размеры которого не могут превышать половины ширины торца коронки, появляется возможность прорезать по контуру хвостовика узкие щели 12 по плоскостям контакта хвостовика со стенками паза (фиг. 5 и 6). Причем щели можно прорезать как вручную, так и резаками типа мини-болгарок, бормашин и т.д. Для окончательного разъема пластины резца его зажатую рабочую часть освобождают от клина, предварительно отбив прихваченный сваркой стопор 11.
Заметим, что, когда режущая пластина зажимается клином в общем пазу без промежуточной стенки, следует приваривать хвостовик только с набегающей стороны.
Источники информации
1. Патент РФ №2359103, МПК Е21В 10/48. Кольцевая буровая коронка [Текст] / Третьяк А.Я., Трещев С.Л., Литкевич Ю.Ф и др. // заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет. - Заяв. 11.12. 2007; опубл. 20.06.2009, Бюл. №17.
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.