巖石鑽頭及其製造方法
2023-10-20 04:09:07
專利名稱：巖石鑽頭及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種鑽巖機，特別涉及一種巖石鑽頭。本發明還涉及一種將可拆卸的切削頭固定到鑽頭的鑽杆上的方法。
所有的巖石鑽頭均包括兩個部件，即切削頭和鑽杆，二者可成一體或不成為一體。切削頭的功能是將巖石破碎並引導碎屑脫離工作面，具體地說，是固定嵌入切削頭工作面的碳化鎢球頭或鑿齒執行上述功能。切削頭所用材料必須堅韌耐磨，以便抵抗連續的擊打和破碎巖石的研磨。適合做切削頭的材料可以是穿透淬火工具鋼，如A2、A8和D2號鋼;至少含1.8%鎳的穿透淬火合金鋼;加工硬化鋼，例如奧氏體高錳鋼或含有0.15～0.25%的碳和含有至少1.8%鎳的表面硬化鋼。上述材料具有優良性能，當然也可以採用其它材料。鑽杆的功能主要是將衝擊能量從錘體傳遞到鑽頭的切削頭。使用時鑽頭也旋轉，並產生扭矩。鑽杆所用材料中可含有1.8%或更多的鎳。
如果切削頭和鑽杆分別製造，要根據技術經濟的要求為這兩個部件選擇最佳材料。另外，對於製造每個部件的坯料直徑應僅根據其相應部件來加以選定，以減少廢料和降低造價。再有將切削頭連接到鑽杆上時，應保證鑽杆對切削頭施加足夠的握緊力，以便在使用時切削頭不會從鑽杆上脫落下來。但同時又要允許切削頭拆下而不會對每個部件、特別是鑽杆造成損壞。顯然，要滿足上述的要求，是不允許使用焊接和其它永久粘接的方法的。如果兩個部件是用壓入配合方式裝配在一起，則該裝配件在使用過程中承受錘體擊打是不可靠的，另外，過分地壓入配合會損壞部件的表面，有可能使鑽杆無法繼續使用。
本發明人發現冷縮配合是一種特別適合的組裝方法，特別是當部件截面不一致時。因此本發明提供裝配和拆卸鑽頭部件的方法，其中部件之間按0.15%壓配合。
本發明的目的在於提供一種巖石鑽頭，該鑽頭具有更長的壽命和更優良的性能。
本發明的另一個目的在於通過減少所規定的庫存量及簡化鑽頭裝配步驟來降低鑽頭成本。還有一個目的是通過在製造過程中減少廢料和通過減少鑽杆清理頻率，來減少資源消耗。
上述目的及其它目的可通過製造具有鑽杆和更換切削頭的巖石鑽頭的方法來實現，該方法包括以下步驟製造帶有端部的鑽杆，該端部有外表面;製造切削頭，該切削頭的一端設有工作面，另一端設有凹槽，該凹槽截面形狀與上述鑽杆端部的截面形狀相對應，凹槽的尺寸比鑽杆端部的尺寸小0.012%～0.38%;用液氮或其它低溫流體對鑽杆進行冷卻以減小其尺寸;將切削頭安裝在鑽杆端部;使上述部件溫度恢復至周圍溫度，從而在切削頭和鑽杆之間形成冷縮配合。
圖1是本發明鑽頭的局部剖視分解圖，表示構成鑽頭的兩個部件相互的裝配位置。
圖2與圖1類似，表示構成鑽頭的兩個部件已裝配好的狀態。
圖3為沿垂直於鑽頭軸向的剖面線3-3的放大剖面圖。
圖4～圖7為本發明其它實施例的非圓形剖面形狀。
圖8為鑽頭拆卸裝置的局部剖面示意圖。
如圖1所示，本發明的鑽頭包括基本呈柱狀的鋼鑽杆10，該鑽杆端部12的端面為切削頭端面14，該端面14與鑽杆的軸16相垂直。鑽杆端部的側面18最好與上述端面14相垂直，兩者之間的非垂直度小於14″，這就是說該鑽杆端部12基本上無錐度。當然，該端部也可呈稍有傾斜的倒錐狀(即其底端尺寸稍大)以便將切削頭更好地固定住。圖中所示鑽杆端部12的直徑稍大於鑽杆其它部份的直徑，以便於用工具機進行加工和磨光處理，該鑽杆端部的表面拋光範圍最好為30～50微英吋。通孔20沿鑽杆軸向從切削頭端面14延伸至擊打端面22(見圖8)。在下面將要描述的拆卸過程中，向該通孔通入液氮時，該孔可使鑽孔用液體正常通過。
切削頭30安裝在鑽杆端部上，該切削頭包括柱狀體22，其直徑大於鑽杆直徑，切削頭的切削麵34表面有普通的淬硬切削部件36，該部件位於切削麵邊緣38附近。上述切削麵帶有多個孔40(至少需要一個這樣的孔)，該孔穿過柱狀體32，並相交於鑽頭的軸線上。上述孔40與切削頭尾部開設的凹槽42連通。該凹槽形狀與鑽杆端部相似，其表面拋光範圍最好也為30～50微英吋。凹槽的側面44最好與其底面44保持垂直，兩者之間的非垂直度小於14″。從而保證在裝配時，該切削頭與鑽杆緊密貼合。凹槽的深度可根據鑽頭連接所需的強度而定。顯然，較深的凹槽可加強連接的牢固度。為了得到最大的強度，可在凹槽底部再開設凹槽或將凹槽底部製成帶圓角狀，而鑽杆端部也相應地製成帶圓角狀或帶有凸緣，以避免邊角處相互牴觸。
凹槽和鑽杆端部兩者均可為柱狀體，即截面為圓形。但是，為了加強固定，防止兩個部件相對旋轉，也可採用非圓形截面。這種非圓形截面可採用圖3所示的帶鍵槽或暗銷48的截面形式，或者鑽杆和切削頭的截面均為如圖4-7所示的橢圓形或多邊形。
鑽杆的截面尺寸應比其嵌入的凹槽大0.012～0.38%，以便在兩者間形成壓配合。在這裡，如果截面形狀為圓形，則「尺寸」是「直徑」的意思，如果截面形狀為多邊形或非規則形狀，則「尺寸」是「寬度」的意思。當壓配合值為0.15%時，因為至少需要繼續使用鑽杆，故不能通過壓力直接將兩個部件連接在一起，否則切削部分會受到損壞。因此，最好用冷縮配合的方式將兩個部件裝配在一起。實現冷縮配合的一種方式是將鑽杆浸在沸點為-321°F的液氮中一段時間。
在-300°F時，鋼的線膨脹係數為0.0000054，因此將鋼從室溫冷卻至-300°F以下則可產生約0.2%的收縮率，該值大大高於0.15%的壓配合值，一旦冷卻後，可將鑽杆迅速嵌入到凹槽中，並伸至凹槽底。再使兩個部件恢復到周圍溫度時，兩者便牢固地連接在一起，而不受到任何機械力的作用，機械力會造成可見的損壞或看不見的裂紋。
之後鑽頭便可投入使用，當切削部件磨損後，可將鑽頭拆卸下來，更換新的。當然無須將整個鑽頭廢棄，因為鑽杆的磨損量比切削頭的磨損量低2～3倍，即前者大大低於後者。因此，鑽杆本身仍可使用一、二次。上述更換工作首先必須將磨損的切削頭拆卸下來，顯然，如果用機械方式將鑽杆與切削頭拉開會對鑽杆造成損壞，使其無法再使用。因此，可採用熱差收縮的方法來拆卸部件，但採用這種方法也較為困難，因為部件會由於溫度變化形成緊密接觸。但我們發現了一種可實現熱差收縮的方法，該方法可用很輕的力即可將部件拉開。實現該方法時，可把鑽頭放在固定架50(圖8)上來拆卸切削頭30，在通孔底部設置密封件52，向孔中注入液氮54。當鑽杆冷卻時，監測位於切削頭附近的鑽杆溫度，當上述鑽杆部位的溫度降低到-100°F或更低時，可採用熱感應裝置56對切削頭迅速加熱。該電感應裝置可採用由Westinghouse公司生產的型號為MFC-2的感應爐，該爐具有監測鑽杆溫度的傳感器。於是可以實現足夠的熱量差，從而可利用液壓缸58很容易地將部件拉開。
對於上述裝配方法，該領域普通技術人員很容易知道，也可採用加熱切削頭而不是冷卻鑽杆的方式來獲得所需的溫度差，上述變換也屬於本發明的一部分。
另外，本發明還可以使用除液氮以外的低溫流體，這裡，低溫流體是一般性術語。
對於本發明可以改進或變換，而所給出的附圖及上述描述僅僅是本發明的一種形式。
權利要求
1.一種製造巖石鑽頭的方法，該鑽頭包括鑽杆和可更換的切削頭。其步驟包括製作鋼鑽杆，該鑽杆帶有端部，該端部的外表面截面為預定的形狀；製作鋼切削頭，該切削頭一端有工作面，另一端有凹槽，該凹槽的截面形狀與鑽杆端部的截面形狀相對應，當鑽杆和切削頭處於同一溫度時，上述凹槽尺寸比鑽杆端部的尺寸至少小0.012～0.38%；用低溫流體冷卻鑽杆，使鑽杆尺寸減小到小於凹槽的尺寸；在鑽杆端部安裝切削頭，使這兩個部件的溫度恢復至周圍溫度，從而在鑽杆和切削頭之間形成冷縮配合。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於對鑽杆端部外表面和切削頭凹槽內表面進行表面拋光，拋光範圍為30～50微英吋左右。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於鑽杆端部和切削頭凹槽具有相應的非圓形截面。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在裝配時鑽杆和切削頭均不帶有表面潤滑劑。
5.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於在鑽杆和切削頭裝配之前，凹槽的尺寸比鑽杆端部尺寸小0.15%。
6.一種由權利要求1所述方法製造的巖石鑽頭，它包括鑽杆和可更換的切削頭。
7.一種巖石鑽頭的拆卸方法，該鑽頭包括空心鑽杆和與鑽杆分離的切削頭，該切削頭經冷縮裝配在鑽杆上，其步驟包括將鑽杆固定在一固定架上;向鑽杆中注入低溫流體以減小鑽杆尺寸;監測切削頭附近鑽杆的溫度;當上述溫度降至-100°F時，用電感應線圈迅速加熱切削頭，使切削頭膨脹;最後從鑽杆上拉下切削頭。
8.一種製造巖石鑽頭的方法，該鑽頭包括鑽杆和可更換的切削頭，其步驟包括製作鋼鑽杆，該鑽杆帶有端部，該端部的外表面的截面為預定的形狀;製作鋼切削頭，該切削頭的一端有工作面，另一端設有凹槽，該凹槽截面形狀與鑽杆端部截面形狀相對應，凹槽尺寸比鑽杆端部尺寸至少小0.15%;至少改變上述兩個部件中的一個的溫度，使鑽杆溫度低於切削頭溫度，低到足以使鑽杆端部能順利地裝配到上述凹槽中;將切削頭安裝在鑽杆端部，使上述兩個部件的溫度恢復到周圍溫度，從而在切削頭和鑽杆之間形成冷縮配合。
9.一種製造巖石鑽頭的方法，該鑽頭包括鑽杆和可更換的切削頭，其步驟包括製作鋼鑽杆，該鑽杆用來將錘體的衝擊能量傳遞到切削頭上，鑽杆包括擊打端面和鑽杆端部，該端部有切削頭端面，在上述鑽杆的擊打端面與切削頭端面之間設有沿杆軸向的通孔，上述鑽杆端部的側壁基本與切削頭端面垂直，鑽杆端部有預定的截面形狀和直徑;製作切削頭，該切削頭的切削麵有淬硬切削部件，切削頭具有與該切削麵位置相對的凹槽，切削麵與凹槽之間有通孔，凹槽的截面形狀與鑽杆端部的截面形狀相對應，凹槽與鑽杆端部處於同一溫度時，凹槽的直徑比鑽杆端部的直徑小0.012～0.38%;在切削頭和鑽杆端部之間形成溫度差，使鑽杆端部的直徑小於凹槽的直徑;將鑽杆端部插入凹槽中;使切削頭和鑽杆端部處於相同溫度，從而切削頭牢固地連接在鋼鑽杆上。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於通過對鑽杆端部冷卻來形成溫度差。
11.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於鑽杆端部有外表面，凹槽有內表面，上述外表面和內表面均進行拋光，其範圍為30～50微英吋。
12.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於當切削頭和鑽杆端部處於同一溫度時，凹槽在連接之前的直徑比鑽杆端部的直徑小0.15%。
13.一種根據權利要求9所述方法製造的巖石鑽頭，該鑽頭包括鑽杆和可更換的切削頭。
14.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於通過將鑽杆浸入液氮中對鑽杆進行冷卻。
15.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於將鑽杆端部冷卻到至少-320°F。
16.根據權利要求10所述的方法，其特徵在於還包括下列步驟將鑽杆裝到固定架上，向鑽杆中注入低溫流體以減小鑽杆的尺寸;監測鑽杆端部的溫度;當鑽杆端部的監測溫度降低到至少-100°F時，採用電感應線圈對切削頭迅速加熱，使切削頭膨脹;從鑽杆端部上拉下切削頭。
17.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於還包括下列步驟，即在鑽杆內孔中切削頭端面處設置密封件，將鑽杆內孔與切削頭通孔隔開，以避免低溫流體流入切削頭中。
18.根據權利要求16所述的方法，其特徵在於利用液壓缸將切削頭從鑽杆端部上拉下來。
全文摘要
一種製造巖石鑽頭的方法，該鑽頭包括鑽杆和可更換的切削頭。其步驟包括製作鋼鑽杆，使鑽杆端部的外表面具有預定形狀；製作鋼發削頭，其一端有工作面，另一端有凹槽，凹槽截面形狀與鑽杆端部的截面形狀相對應，且比鑽杆端部尺寸小大約0.15％；用低溫流體冷卻鑽杆，使其尺寸減小到小於凹槽的尺寸；在鑽杆端部安裝切削頭，使二個部件的溫度恢復至周圍溫度。鑽杆和切削頭之間形成冷縮配合。
文檔編號E21B17/04GK1074267SQ92108830
公開日1993年7月14日 申請日期1992年6月27日 優先權日1991年6月28日
發明者T·E·希爾 申請人:勞登企業有限公司