RU2066729C1

RU2066729C1 - Bit for rotary drilling

Info

Publication number: RU2066729C1
Authority: RU
Inventors: Вячеслав Григорьевич Красник; Евгений Викторович Дабижа; Игорь Аркадьевич Свешников; Борис Андреевич Олейников; Петр Васильевич Петрига; Алексей Алексеевич Свечников; Владимир Иванович Бибер
Original assignee: Институт сверхтвердых материалов им. В.Н.Бакуля АН Украины
Priority date: 1991-07-04
Filing date: 1991-07-04
Publication date: 1996-09-20

Abstract

FIELD: tools for rotary drilling of holes in coal industry in driving of mine workings by drilling and blasting. SUBSTANCE: bit for rotary drilling has working surfaces of diamond- hard alloy inserts 7 and 8 which are made of two-layer metal material 9. Inner layer 10 is made of metal adhesively apt to diamond polycrystalline material. Outer layer 11 is made of metal with high ductility and impact strength. Total thickness of layers 10 and 11 is 0.03-0.15 of the thickness of diamond layer 12. All outer surface of working head 3 with wings 4 and 5 may be made of two-layer metal material. Outer surface of wings 4 may be made of molybdenum or titanium, and that of wings 4, of two-layer metal material 9. Inner surface of recesses 6 may be made of metal adhesively apt to diamond polycrystalline material. EFFECT: higher efficiency. 4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к инструменту для вращательного бурения шпуров и скважин и может быть использовано в угольной промышленности при проходке горных выработок буровзрывным способом. The invention relates to a tool for rotary drilling of holes and boreholes and can be used in the coal industry during tunneling using a blasting method.

Известны долота для вращательного бурения (см. Европейскую заявку N 0084418, МКИ Е 21 В 10/50, опубл. 27.07.83 г.), содержащие хвостовик, выполненную за одно целое с хвостовиком рабочую головку с двумя центральными и двумя периферийными перьями с установленными на перьях алмазно-твердосплавными пластинами. Known bits for rotary drilling (see European application N 0084418, MKI E 21 10/50, publ. 07.27.83), containing a shank, made in one piece with the shank working head with two central and two peripheral feathers with installed on feathers with diamond carbide inserts.

Недостатком данных долот является низкая стойкость периферийных пластин, что приводит к быстрой потере наружного диаметра. The disadvantage of these bits is the low resistance of the peripheral plates, which leads to a rapid loss of the outer diameter.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому техническому решению является долото для вращательного бурения по заявке N 4699545/03 (М.кл. Е 21 В 10/46, решение о выдаче а.с. от 26.04.90 г.). The closest in technical essence and the achieved result to the claimed technical solution is a bit for rotary drilling according to application N 4699545/03 (M.cl. E 21 B 10/46, the decision on the issuance of AS from 04/26/90).

Данное долото для вращательного бурения содержит хвостовик с двумя калибрующими выступами, выполненную за одно целое с хвостовиком рабочую головку с двумя центральными и двумя периферийными перьями с установленными в имеющихся в них пазах алмазнотвердосплавными пластинами. Оснащение периферийных и центральных перьев износостойкими алмазно-твердосплавными пластинами повышает стойкость известных долот, однако при бурении крепких и трещиноватых горных пород ввиду повышенных динамических нагрузок периферийные перья на данных долотах интенсивно разрушаются путем скалывания алмазного поликристаллического слоя. Поэтому известные долота эффективно работают лишь в ограниченной области по породам крепостью f 6-10 ед. по шкале проф. М.М. Протодьяконова, не содержащих трещин или присечек более крепких пород. This rotary drilling bit contains a shank with two calibrating protrusions, a working head integral with the shank, with two central and two peripheral feathers with diamond carbide inserts installed in the grooves that are present in them. Equipping the peripheral and central feathers with wear-resistant diamond carbide inserts increases the resistance of the known bits, however, when drilling strong and fractured rocks, due to the increased dynamic loads, the peripheral feathers on these bits are intensively destroyed by cleaving the diamond polycrystalline layer. Therefore, the known bits work effectively only in a limited area with rocks with a strength of 6-10 units. on the scale of prof. M.M. Protodyakonov, not containing cracks or notches of stronger breeds.

Целью заявляемого изобретения является расширение технологических возможностей долота за счет бурения крепких и трещиноватых горных пород. The aim of the invention is to expand the technological capabilities of the bit by drilling strong and fractured rocks.

Поставленная цель достигается тем, что в долоте для вращательного бурения, содержащем хвостовик с двумя калибрующими выступами, выполненную за одно целое с хвостовиком рабочую головку с двумя центральными и двумя периферийными перьями с установленными в имеющихся в них пазах алмазно-твердосплавными пластинами, согласно изобретению на поверхность алмазно-твердосплавных пластин нанесено демпфирующее двухслойное металлическое покрытие, внутренний слой которого выполнен из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому слою, а наружный из металла с повышенной пластичностью и ударной вязкостью, при этом суммарная толщина покрытия составляет 0,03-0,15 от толщины алмазного слоя алмазно-твердосплавной пластины. This goal is achieved by the fact that in the bit for rotary drilling, containing a shank with two calibrating protrusions, a working head made in one piece with the shank with two central and two peripheral feathers with diamond carbide inserts installed in their grooves, according to the invention, to the surface diamond-carbide plates applied damping two-layer metal coating, the inner layer of which is made of metal, adhesive to polycrystalline diamond y layer and the outer metal of high ductility and toughness, wherein the total coating thickness is 0.03-0.15 of the thickness of the diamond layer, diamond-carbide plate.

Более предпочтительным является долото, у которого демпфирующее двухслойное металлическое покрытие нанесено на всю рабочую головку с перьями, на которых установлены алмазно-твердосплавные пластины или долото, у которого на два центральных пера нанесен слой из молибдена или титана, а на периферийные перья нанесено демпфирующее двухслойное металлическое покрытие. More preferred is a bit in which a damping two-layer metal coating is applied to the entire working head with feathers on which diamond carbide plates or a bit are installed, in which a layer of molybdenum or titanium is applied to two central feathers and a damping two-layer metal is applied to the peripheral feathers coating.

Кроме того, долото может быть выполнено таким образом, что внутренний слой покрытия предварительно нанесен под пазы на перьях рабочей головки, на которых установлены алмазно-твердосплавные пластины. In addition, the bit can be made in such a way that the inner coating layer is pre-applied under the grooves on the feathers of the working head, on which diamond carbide inserts are mounted.

Отличительные признаки заявляемого изобретения установлены на основании исследований работоспособности долот вращательного бурения в лабораторных и производственных условиях. При этом заявляемая конструкция долота позволяла эффективно разрушать крепкие и трещиноватые горные породы за счет изменения характера износа алмазно-твердосплавных пластин. Distinctive features of the claimed invention are established on the basis of studies of the operability of rotary drilling bits in laboratory and industrial conditions. At the same time, the claimed design of the bit made it possible to effectively destroy strong and fractured rocks by changing the wear pattern of diamond carbide inserts.

При бурении крепких и трещиноватых горных пород вследствие высоких динамических нагрузок на режущих кромках алмазно-твердосплавных пластин образуются сколы и микровыколы. В результате сразу же изнашивается незащищенный участок твердосплавной подложки, изготавливаемой из сплава с повышенным содержанием кобальта (ВК15, ВК20), и долото интенсивно теряет размер по наружному диаметру, что приводит к его быстрому выходу из строя. Поэтому область применения данных долот ограничена породами средней крепости. When drilling hard and fractured rocks due to high dynamic loads on the cutting edges of diamond carbide chips, chips and microcrystals are formed. As a result, an unprotected portion of a carbide substrate made of an alloy with a high content of cobalt (VK15, VK20) immediately wears out, and the bit intensively loses its outer diameter, which leads to its rapid failure. Therefore, the scope of these bits is limited by rocks of medium strength.

Нанесение износостойких покрытий, например, нитрида титана на поверхность режущих пластин не дает положительного результата, т.к. в этом случае не изменяется характер износа алмазно-твердосплавных пластин. Поскольку износостойкость последних на порядок и более превышает износостойкость известных покрытий, то стойкость долота как и до нанесения покрытия будет определяться износостойкостью алмазно-твердосплавных пластин. The application of wear-resistant coatings, for example, titanium nitride on the surface of the cutting inserts does not give a positive result, because in this case, the wear pattern of diamond carbide inserts does not change. Since the wear resistance of the latter is an order of magnitude or more higher than the wear resistance of known coatings, the bit resistance, as before coating, will be determined by the wear resistance of diamond carbide inserts.

В то же время нанесение демпфирующего двухслойного металлического покрытия, наружный слой которого выполнен из металла с повышенной пластичностью и ударной вязкостью, резко изменяет характер изнашивания алмазно-твердосплавных пластин. В этом случае динамические нагрузки и удары воспринимаются демпфирующим покрытием, которое, деформируясь, защищает режущую кромку от сколов и выкрашиваний, поэтому алмазно-твердосплавная пластина начинает работать в режуще-истирающем режиме, характерном для нее при разрушении мягких пород. Поэтому стойкость долото резко возрастает. At the same time, the application of a damping two-layer metal coating, the outer layer of which is made of metal with increased ductility and impact strength, dramatically changes the wear pattern of diamond carbide inserts. In this case, dynamic loads and impacts are perceived by the damping coating, which, when deformed, protects the cutting edge from chips and chipping, therefore, the diamond carbide plate begins to work in the cutting-abrasive mode, characteristic of it when soft rocks are destroyed. Therefore, the resistance of the bit increases sharply.

Указанный эффект достигается лишь в случае прочного удержания слоя с повышенной пластичностью и ударной вязкостью на поверхности алмазного слоя. Это может обеспечиваться если внутренний слой выполнен из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому слою. Одновременно данное покрытие, диффундируя в межзеренное пространство поликристалла залечивает микротрещины на поверхности АТЦ и прочность последнего повышается. При этом суммарная толщина покрытия должна составлять 0,03-015 от толщины алмазного слоя, т.е. 10-50 мкм. Уменьшение толщины покрытия ниже указанного предела не защищает поликристаллический алмазный слой от динамических нагрузок, в результате чего на поверхности АТП возникают сколы и микротрещины. Превышение указанного максимального значения толщины покрытия влияет на процесс стружкообразования, поскольку при этом увеличивается отрицательный передний угол пластины, и образование стружки затруднено. This effect is achieved only in the case of strong retention of the layer with increased ductility and toughness on the surface of the diamond layer. This can be achieved if the inner layer is made of metal, adhesive to the diamond polycrystalline layer. At the same time, this coating, diffusing into the intergranular space of the polycrystal, heals microcracks on the surface of the ATC and the strength of the latter increases. In this case, the total coating thickness should be 0.03-015 of the thickness of the diamond layer, i.e. 10-50 microns. Reducing the coating thickness below the specified limit does not protect the polycrystalline diamond layer from dynamic loads, resulting in chips and microcracks on the surface of the ATP. Exceeding the specified maximum value of the thickness of the coating affects the chip formation process, since this increases the negative rake angle of the plate, and chip formation is difficult.

Демпфирующее двухслойное металлическое покрытие может наноситься также на всю рабочую головку с перьями, на которых установлены алмазно-твердосплавные пластины. В этом случае покрытие защищает от динамических нагрузок и ударов не только алмазнотвердосплавные пластины, но и корпус долота, что позволяет его эксплуатировать при более жестких режимах бурения. A damping two-layer metal coating can also be applied to the entire working head with feathers on which diamond carbide inserts are installed. In this case, the coating protects against dynamic loads and impacts not only diamond carbide inserts, but also the body of the bit, which allows it to be used under more severe drilling conditions.

Поскольку центральные и периферийные перья долота работают в различных условиях (разные скорости бурения, нормальные и осевые усилия, а также динамические нагрузки), то и состав покрытия может отличаться на центральных и периферийных перьях. Отсутствие ударов на режущих кромках центральных перьев позволяет ограничиться нанесением на них лишь первого (внутреннего) слоя из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому слою, который может быть выполнен из молибдена или титана. Since the central and peripheral feathers of the bit operate in different conditions (different drilling speeds, normal and axial forces, and also dynamic loads), the coating composition may differ on the central and peripheral feathers. The absence of blows on the cutting edges of the central feathers allows one to limit oneself to applying only the first (inner) layer of metal on them, adhesive to the diamond polycrystalline layer, which can be made of molybdenum or titanium.

Кроме того, предварительное нанесение внутреннего слоя под пазы на перьях рабочей головки, на которых установлены алмазнотвердосплавные пластины обеспечивает лучшую смачиваемость поверхностей корпуса и подложки АТП при пайке, что повышает прочность соединения алмазно-твердосплавной пластины с корпусом и, соответственно, позволяет эксплуатировать указанные долота на более жестких режимах, т. е. технологические возможности долота при этом также расширяются. In addition, the preliminary application of the inner layer under the grooves on the feathers of the working head on which the diamond carbide plates are mounted provides better wettability of the surfaces of the body and the ATP substrate during soldering, which increases the bond strength of the diamond carbide plate with the body and, accordingly, allows these bits to be used for more hard modes, i.e., the technological capabilities of the bit also expand.

Некоторые элементы заявляемого изобретения являются известными, однако используются они по другому назначению. Например, согласно патенту ФРГ N 3030010 от 8.08.90 г. кл. Е 21 В 10/45 на поверхность долота наносится защитное износостойкое покрытие, толщина которого устанавливается в соответствии с абразивностью, имеющей место в различных условиях при бурении. Т.е. нанесение износостойких покрытий на корпус долота в этом случае используется по прямому назначению для защиты от абразивного износа элементов корпуса. В то же время в заявляемом изобретении демпфирующее двухслойное покрытие не защищает от абразивного износа (поскольку, как показано выше, алмазные режущие элементы обладают значительно более высокой износостойкостью, чем известные покрытия), а изменяют характер взаимодействия АТП с горной породой, что расширяет технологические возможности долота за счет бурения трещиноватых и более крепких пород по сравнению с породами, которые могут разрушать известные долота. Some elements of the claimed invention are known, but they are used for another purpose. For example, according to the patent of Germany N 3030010 from 08.08.90, class. E 21 B 10/45 a wear-resistant protective coating is applied to the surface of the bit, the thickness of which is set in accordance with the abrasiveness that occurs in various conditions during drilling. Those. the application of wear-resistant coatings to the body of the bit in this case is used for its intended purpose to protect against abrasive wear of the elements of the body. At the same time, in the claimed invention, the damping two-layer coating does not protect against abrasive wear (since, as shown above, diamond cutting elements have significantly higher wear resistance than known coatings), but they change the nature of the interaction of ATP with rock, which extends the technological capabilities of the bit due to the drilling of fractured and stronger rocks compared to rocks that can destroy known bits.

Cущность изобретения поясняется чертежами,
где на фиг.1 изображена проекция долота в основной плоскости (вид спереди),
на фиг.2 вид сбоку,
на фиг.3 вид сверху,
на фиг.4 перо долота с алмазно-твердосплавной пластиной, на которую нанесено двухслойное покрытие.The invention is illustrated by drawings,
where figure 1 shows the projection of the bit in the main plane (front view),
figure 2 side view
figure 3 is a top view
in Fig.4 a feather bit with a diamond carbide plate, on which a two-layer coating is applied.

Долото содержит хвостовик 1 с двумя калибрующими выступами 2 и выполненную за одно целое с хвостовиком рабочую головку 3 с двумя центральными 4 и двумя периферийными 5 перьями. В перьях 4, 5 выполнены пазы 6, в которых установлены алмазно-твердосплавные пластины 7, 8. На поверхность алмазно-твердосплавных пластин 7, 8 нанесено демпфирующее двухслойное металлическое покрытие 9. Внутренний слой 10 данного покрытия выполнен из металла, адгезионно активного к алмазному поликристаллическому слою, а наружный 11 из металла с повышенной пластичностью и ударной вязкостью. Суммарная толщина покрытия составляет 0,03-0,15 от толщины алмазного слоя 12 алмазно-твердосплавной пластины 7, 8. The bit contains a shank 1 with two calibrating protrusions 2 and a working head 3 made in one piece with the shank with two central 4 and two peripheral 5 feathers. In feathers 4, 5, grooves 6 are made, in which diamond carbide plates 7, 8 are installed. A damping two-layer metal coating 9 is applied to the surface of diamond carbide plates 7, 8. The inner layer 10 of this coating is made of metal adherent to polycrystalline diamond layer, and the outer 11 is made of metal with increased ductility and impact strength. The total coating thickness is 0.03-0.15 of the thickness of the diamond layer 12 of the diamond carbide plate 7, 8.

Покрытие 9 может быть нанесено на алмазно-твердосплавные пластины 7, 8 или одновременно на всю рабочую головку 3. Кроме того, на два центральных пера 7 может быть нанесен слой из титана или молибдена, а на периферийные перья 5 нанесено демпфирующее двухслойное металлическое покрытие 9. Внутренний слой 10 покрытия может быть предварительно нанесен под пазы 6 на перьях 4, 5 рабочей головки 3, на которых установлены алмазно-твердосплавные пластины 7, 8. Coating 9 can be applied to diamond carbide inserts 7, 8 or simultaneously to the entire working head 3. In addition, a layer of titanium or molybdenum can be applied to two central feathers 7, and a damping two-layer metal coating 9 is applied to the peripheral feathers 5. The inner layer 10 of the coating can be pre-applied under the grooves 6 on the feathers 4, 5 of the working head 3, on which are mounted diamond carbide inserts 7, 8.

Долото работает следующим образом. В процессе бурения на долото передаются осевая нагрузка и крутящий момент, под действием которых алмазно-твердосплавные пластины 7, 8 с демпфирующим покрытием 9 разрушают породу. Динамические удары, приходящиеся на алмазно-твердосплавные пластины 7, 8 сначала воспринимаются покрытием 9, которое, деформируясь, передает на алмазно-твердосплавные пластины 7, 8 распределенную нагрузку и режущая кромка пластин 7, 8 не скалывается, а остается постоянно острой, что обеспечивает работу пластин в режуще-истирающем режиме. Это дает возможность эксплуатировать долота при более жестких режимах, в том числе при бурении крепких и трещиноватых горных пород. The bit works as follows. During drilling, the axial load and torque are transmitted to the bit, under the influence of which diamond carbide plates 7, 8 with a damping coating 9 destroy the rock. Dynamic impacts occurring on diamond carbide inserts 7, 8 are first perceived by coating 9, which, being deformed, transfers distributed load to diamond carbide inserts 7, 8 and the cutting edge of inserts 7, 8 does not chip, but remains constantly sharp, which ensures operation plates in cutting abrasion mode. This makes it possible to operate bits under more severe conditions, including when drilling strong and fractured rocks.

При создании заявляемого инструмента были разработаны и изготовлены различные варианты конструкции долота, позволив обосновать существенность заявляемого диапазона толщины покрытия, наносимого на поверхность алмазно-твердосплавных пластин. Были изготовлены долота типа РШ-140, на поверхность АТЦ которого наносились двухслойные покрытия различной толщины. Испытания заявляемых долот проводились в Институте сверхтвердых материалов АН Украины на специальном стенде при вращательном бурении шпуров в абразивном песчанике с прочностью на сжатие 140 МПа (f 14 ед. по шкале проф. М.М. Протодьяконова) при частоте вращения 300 об/мин и постоянном усилии подачи равном 5000 Н. Критерием эффективности работы долот являлась их износостойкость, определявшаяся по интенсивности изменение наружного диаметра, а также наличие сколов и микротрещин на поверхности алмазно-твердосплавных пластин, которые определялись визуально под микроскопом МБС-2. When creating the inventive tool, various design options for the bit were developed and manufactured, making it possible to substantiate the materiality of the claimed range of coating thickness applied to the surface of diamond carbide inserts. Chisels of the RSh-140 type were manufactured, on the surface of which they applied two-layer coatings of various thicknesses. Tests of the claimed bits were carried out at the Institute of Superhard Materials of the Academy of Sciences of Ukraine on a special bench during rotary drilling of holes in abrasive sandstone with a compressive strength of 140 MPa (f 14 units on the scale of Prof. MM Protodyakonov) at a speed of 300 rpm and a constant the feed force is equal to 5000 N. The criterion for the performance of the bits was their wear resistance, determined by the intensity of the change in the outer diameter, as well as the presence of chips and microcracks on the surface of diamond carbide plates, which were determined in under the microscope MBS-2.

В каждом эксперименте осуществлялось бурение пяти шпуров диаметром 43 мм и длиной 0,75 м. В качестве прототипа использовалось долото РШ-140 без покрытия. In each experiment, five holes were drilled with a diameter of 43 mm and a length of 0.75 m. As a prototype, the RSh-140 bit without coating was used.

Результаты испытаний долот диаметром 43 мм при различных толщинах покрытий на поверхности алмазно-твердосплавных пластин приведены в табл.1. The results of testing bits with a diameter of 43 mm at various coating thicknesses on the surface of diamond carbide inserts are given in Table 1.

Как видно из результатов испытаний, долота с двухслойными демпфирующими покрытиями на поверхности алмазно-твердосплавных пластин изнашиваются менее интенсивно по сравнению с прототипом и на их режущих кромках отсутствуют сколы и микротрещины. Это говорит о возможности эксплуатации заявляемых долот при более жестких режимах бурения, когда возникают сильные вибрации и динамические удары, а также при бурении крепких и трещиноватых пород, что подтверждено результатами производственных испытаний. As can be seen from the test results, bits with two-layer damping coatings on the surface of diamond carbide plates wear less intensively compared to the prototype and there are no chips and microcracks on their cutting edges. This suggests the possibility of operating the inventive bits under more severe drilling conditions, when strong vibrations and dynamic shocks occur, as well as when drilling strong and fractured rocks, which is confirmed by the results of production tests.

Использование предложенного технического решения вместо известных долот позволяет на 20-70% повысить стойкость долот, расширить область их применения и технологические возможности буровых установок типа БУЭ-IM. Using the proposed technical solution instead of the known bits allows you to increase the durability of the bits by 20-70%, expand the scope of their application and technological capabilities of drilling units such as BUE-IM.

Claims

1. A bit for rotary drilling, comprising a shank with two calibrating protrusions, a working head connected to the shank with two central and two peripheral feathers with grooves, and diamond carbide inserts installed in the grooves of the feathers, characterized in that, in order to expand technological capabilities of the bit due to the drilling of hard and fractured rocks, the working surfaces of diamond carbide plates are made of a two-layer metal material, the inner layer of which of metal, is adhesively reactive with the polycrystalline diamond material, and an outer metal with high ductility and toughness, and the total thickness of the two-layer metallic material is 0.03 0.15 of the thickness of the diamond layer, diamond-carbide plate.

2. The bit according to claim 1, characterized in that the outer surface of the working head with feathers is made of a two-layer metal material.

3. The bit according to claim 1, characterized in that the outer surface of the central feathers is made of molybdenum or titanium, and the outer surface of the peripheral feathers is made of a two-layer metal coating.

4. The bit according to claim 1, characterized in that the inner surface of the grooves on the central and peripheral feathers is made of metal, adhesive to the polycrystalline diamond material.