一種寬頂加強齒的製作方法

2023-06-08 08:51:41 3

本實用新型涉及一種用於石油、地質鑽探鑲齒牙輪鑽頭或具有牙輪結構的鑽頭或破巖工具用的牙齒。

背景技術：

鑽頭牙齒的結構是影響鑽頭鑽進效率的關鍵因素之一。在現有技術中，鑲齒牙輪鑽頭及具有牙輪結構的鑽頭常用的牙齒齒型(或「齒形」)有勺形齒、楔形齒、錐球齒、球形齒等。針對不同的地質條件，應使用不同齒型的牙齒(也可稱切削齒)，以提高鑽頭對地層的適應性。

現有技術中，用於鑲齒牙輪鑽頭或具有牙輪結構的鑽頭或破巖工具上的牙齒的下部齒柱部分為圓柱形，上部齒冠部分由下部圓柱向牙齒軸線逐漸收縮過渡，多為楔形或錐形，牙齒的齒頂寬度均明顯小於下部齒柱部分的直徑，以形成較尖銳的衝擊頭部。在礦山、油田鑽頭用硬質合金齒的中華人民共和國國家標準(GB/T2527-2008)中，規定的全部齒型中牙齒的兩側斜角均大於等於13°(如兩側斜角最小的楔型齒和勺形齒的斜角均大於等於13°，其他齒型的兩側斜角均明顯大於13°)，牙齒的齒頂寬度小。牙輪鑽頭以衝擊壓碎方式破碎巖石，即牙齒通過對巖石的衝擊、擠壓和伴有少量的滑移刮切來破碎巖石，其缺點是能量利用率不高，破巖效率較低，且鑽頭工作過程中，軸承受到的衝擊大，動載係數大。

針對硬地層鑽進，本領域技術人員提出了一種大寬度硬質合金橫鑲牙齒(參考專利：一種盤式鑲齒牙輪鑽頭，專利申請號：CN201310063619.2)。該牙齒的齒刃寬度大，齒刃尖銳易於侵入巖石，將其橫向鑲裝到鑽頭的牙輪上，牙齒將以滾動碾壓、劈裂的方式作用於井底巖石，以接近於靜壓的方式壓碾、劈裂破巖，牙齒受的動載小，特別適合於硬脆性巖層的鑽進。但其強度較低，工作時易出現斷齒、碎齒現象。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為了有效提高現有較寬牙齒的強度，提供一種寬頂加強齒，這種牙齒具有齒刃寬度大強度高等優點。

為了達到上述目的，本實用新型採用以下技術方案：一種寬頂加強齒，包括齒柱和齒冠，其特徵在於：所述齒冠呈扁楔形，齒冠在齒寬方向的兩側的斜角α1和α2的範圍是0°≤α1≤10°，0°≤α2≤10°，且齒冠在齒厚方向的至少一個側面設有加強筋。

本專利寬頂加強齒的主要參數有寬頂加強齒的齒高H、齒冠高度h、齒柱高度h』、加強筋頂端距齒頂的高度h1、寬頂加強齒在齒厚方向的齒頂輪廓線的過渡半徑R及齒冠在齒寬方向的兩側的斜角α1和α2(參考圖1、圖2所示)。

寬頂加強齒的齒高H是指寬頂加強齒的總高度，齒冠高度h是指寬頂加強齒冠部的高度，齒柱高度h』是指寬頂加強齒齒柱的高度，其中H＝h』+h。寬頂加強齒的齒寬是指寬頂加強齒的齒頂區域在垂直於寬頂加強齒軸線的平面內的最大橫向尺寸，寬頂加強齒的齒厚是指寬頂加強齒齒頂區域在垂直於寬頂加強齒寬度方向上的最大橫向尺寸。寬頂加強齒在齒厚方向的齒頂輪廓線的過渡半徑R及齒冠在齒寬方向的兩側的斜角α1和α2是表徵寬頂加強齒橫向尺寸的兩個重要參數。寬頂加強齒的齒頂輪廓線的過渡半徑R越小，寬頂加強齒的厚度越小；寬頂加強齒兩側的斜角α1和α2越小，寬頂加強齒的寬度越大。寬頂加強齒寬度越大且厚度越小，寬頂加強齒越鋒利，越容易吃入巖石，但也越容易發生強度失效。

冠頂位置線是指過寬頂加強齒在齒厚方向的齒頂輪廓線的中心點且沿齒高方向的線。齒柱的橫截面的中心線是指過齒柱的橫截面的幾何中心且沿齒高方向的線。對於軸對稱或旋轉對稱結構的齒柱，齒柱的橫截面的中心線即是齒柱的中心軸線。

齒頂偏轉角是指齒頂線(平行於寬頂加強齒的齒頂寬度方向，通過齒頂最高點或最高區域的中心，且與寬頂加強齒軸線相垂直的直線)與寬頂加強齒所在牙輪的輪錐母線的夾角g(如圖3所示)，一般指齒頂線與輪錐母線所成的銳角或直角。本說明書中規定：從齒頂沿寬頂加強齒軸線方向向牙輪體看，齒頂線相對牙輪的輪錐母線逆時針偏轉時為正偏轉，反 之則為負偏轉。現有大多數牙輪鑽頭牙輪上的寬頂加強齒的齒頂無偏轉(即齒頂偏轉角g為0°)，或有少量鑽頭的部分齒圈的寬頂加強齒齒頂有偏轉，偏轉角g一般在50°以內。當偏轉角g範圍在70°≤|g|≤90°中時，寬頂加強齒為橫鑲寬頂加強齒，當橫鑲的寬頂加強齒與非橫鑲的寬頂加強齒位於同一個牙輪上時，兩種鑲嵌方式的寬頂加強齒將各自發揮不同的破巖機理作用，及其兩種不同破巖方式的協同作用。圖4所示的複合鑽頭與圖5所示的三牙輪鑽頭均採用本專利一種寬頂加強齒以偏轉角g＝90°的方式橫向鑲裝於鑽頭的牙輪上。

本實用新型與現有技術相比，其有益效果是：

1、本專利寬頂加強齒的齒冠呈扁楔形，齒冠在齒寬方向的兩側分別有斜角α1和α2，其中斜角範圍是0°≤α1≤10°，0°≤α2≤10°，寬頂加強齒的齒刃寬度大，有助於增大寬頂加強齒對井底巖石的損傷作用區域，進而提高鑽頭的破巖效率；且寬頂加強齒的齒冠在齒厚方向的至少一個側面設有加強筋，因此寬頂加強齒具有強度高、不易折斷的優點。而且加強筋的設置將明顯提高寬頂加強齒的耐磨性。

2、寬頂加強齒齒冠在齒厚方向的側面設有加強筋，提高了齒刃部分的強度，寬頂加強齒承受衝擊載荷的能力進一步增強，有較強的抗斷齒能力，寬頂加強齒及鑽頭的使用壽命長。

3、寬頂加強齒吃入地層後，加強筋的存在會對齒側巖石產生擠壓作用，促使巖石內部微裂紋的產生和擴展，產生擴張效應，使巖石表面更容易崩裂破碎。

4、寬頂加強齒齒刃寬度大，則寬頂加強齒刮切時掃過的面積較大，刮切破巖的效果更明顯。

5、本實用新型寬頂加強齒可為鑲齒，因此可選擇硬度及耐磨性較優的硬質合金牙齒，立方碳化硼齒，陶瓷齒，金剛石複合齒，聚晶金剛石複合齒，或是用金剛石或耐磨合金做表面加強的硬質合金齒、孕鑲金剛石齒等。這些牙齒的耐磨性和硬度等均明顯高於普通銑齒牙輪鑽頭的切削齒，本實用新型的切削齒壽命和鑽頭壽命將明顯提高。該方案使得其在破巖方式具有明顯優勢的同時，進一步有利於對硬、極硬、研磨性地層和深井、小井眼的鑽進。

6、採用本專利寬頂加強齒橫向鑲裝到鑲齒牙輪鑽頭或具有牙輪結構的複合鑽頭或破巖工具上時，牙輪同齒圈上相鄰橫鑲牙齒之間的間隔大大減小，減小了齒圈的不連續性。對於每一橫鑲牙齒，及多個連續橫鑲牙齒的聯合而言，其在井底的工作模式為近似純滾動的碾壓、劈裂，利用橫鑲牙齒對巖石的大的接觸應力和擠壓來破碎巖石，即以接近靜壓的方式壓碾、劈裂破巖，能明顯改善牙齒的受力狀況和磨損，提高牙齒的壽命，特別適宜於在研磨性強的硬地層鑽進。

作為選擇，所述寬頂加強齒在齒寬方向的齒頂輪廓線為直線形、圓弧形或波浪形。

上述方案中，直線形的齒頂輪廓線有利於寬頂加強齒吃入巖石。圓弧形的齒頂輪廓線使得寬頂加強齒鑲裝到牙輪上後，齒圈的齒頂輪廓更接近於圓形，有利於齒圈牙齒以滾動碾壓、劈裂的方式破碎巖石。波浪形的齒頂輪廓線可使牙齒對巖石產生較大的局部接觸應力，進而使得巖石更容易發生崩裂破碎，提高破巖效率。齒頂輪廓線為波浪形時，波浪形可以由直線段與圓弧連接形成，也可以由多段圓弧連接形成。

作為選擇，所述寬頂加強齒在齒厚方向的齒頂輪廓線的過渡半徑R≤1.5mm。

上述方案中，寬頂加強齒在齒厚方向的齒頂輪廓線的過渡半徑小，齒厚較薄，齒刃尖銳，使得寬頂加強齒易於侵入巖石。

作為選擇，所述加強筋頂端相距齒頂的高度小於等於齒冠高度的一半。

作為優選，所述加強筋頂端與齒頂齊平。

上述方案中，寬頂加強齒的加強筋頂端相距齒頂的高度小於等於齒冠高度的一半，才能有效提高寬頂加強齒的強度。

作為選擇，所述齒柱的橫斷面的長度和寬度不相等。作為優選，所述齒柱的橫斷面為橢圓形。

上述方案中，所述齒柱的橫斷面為橢圓形，有利於寬頂加強齒齒柱的加工成型和牙輪上 相應齒孔的加工，橢圓形齒孔也便於實現現代數字機加工，加工可操作性強。同時，當齒柱的長度增加時，寬頂加強齒的齒寬可以進一步加大，有助於增大寬頂加強齒對巖石的損傷作用區域。

作為選擇，所述齒柱的橫斷面為橢圓形，且寬頂加強齒在齒寬方向的齒頂輪廓線為波浪形。

上述方案中，齒柱的橫斷面為橢圓形，使得寬頂加強齒的齒寬可以進一步加大；同時波浪形的齒頂輪廓線可提高寬頂加強齒與巖石互作用時的局部應力，使得巖石更容易產生崩裂破碎。

作為選擇，所述寬頂加強齒的冠頂位置線與齒柱的橫截面的中心線不重合。

上述方案中，將寬頂加強齒鑲裝到牙輪上接近規徑的區域，寬頂加強齒的齒側將與井壁巖石產生互作用，寬頂加強齒的冠頂位置線與齒柱的橫截面的中心線有偏移，可提高寬頂加強齒齒側的耐磨性。

作為選擇，所述寬頂加強齒用於鑲齒牙輪鑽頭或具有牙輪結構的鑽頭或破巖工具。

作為選擇，所述寬頂加強齒偏轉鑲裝在鑽頭的牙輪上，偏轉角g的範圍：0°≤|g|≤20°或70°≤|g|≤90°。

上述方案中，由於寬頂加強齒的寬度大，當寬頂加強齒以0°≤|g|≤20°的偏轉角度鑲裝到牙輪上時，寬頂加強齒刮切時掃過的面積較大，刮切破巖的效果更明顯。當寬頂加強齒以70°≤|g|≤90°的偏轉角度鑲裝到牙輪上時，牙輪同齒圈上相鄰橫鑲牙齒之間的間隔大大減小，減小了齒圈的不連續性，牙齒以接近靜壓的方式壓碾、劈裂破巖，能明顯改善牙齒的受力狀況和磨損，提高牙齒的壽命，特別適宜於在研磨性強的硬地層鑽進。

作為選擇，不同齒冠形狀的寬頂加強齒可以組合布置在同一個牙輪上，且相鄰寬頂加強齒的偏轉角可不同。

上述方案中，不同齒冠形狀或不同偏轉角度的寬頂加強齒組合布置在同一個牙輪上，在工作中將各自發揮不同的破巖機理作用，及其多種不同破巖方式的協同作用。

作為選擇，所述寬頂加強齒為硬質合金牙齒，立方碳化硼齒，陶瓷齒，金剛石複合齒，聚晶金剛石複合齒，或齒頂區域乃至齒冠表面用聚晶金剛石或耐磨合金做表面加強的複合材料牙齒等。

上述方案中，寬頂加強齒採用硬度及耐磨性較優的硬質合金齒，或齒頂區域乃至齒冠表面用聚晶金剛石做表面加強的複合材料牙齒，能明顯提高牙齒的使用壽命。

作為優選，寬頂加強齒的加強筋的頂端與寬頂加強齒的齒冠輪廓相切或接近相切過渡，加強筋兩側與寬頂加強齒以較大半徑的圓角過渡，且寬頂加強齒上所有的稜邊均以較小半徑的圓角過渡。

上述方案中，寬頂加強齒上所有的稜邊均以圓角過渡，避免了寬頂加強齒上的應力集中，能有效提高寬頂加強齒的強度和使用壽命。

前述的所有方案中，前述本實用新型主方案及其各進一步選擇方案可以自由組合以形成多個方案，均為本實用新型可採用並要求保護的方案；以及本實用新型的各非衝突選擇之間以及和其他選擇可以任意組合，本領域技術人員在了解本實用新型方案後根據現有技術和公知常識可明了有多種組合，均為本實用新型所要保護的技術方案，在此不做窮舉。

附圖說明

圖1是本實用新型一種寬頂加強齒在齒寬方向的結構示意圖，圖中對寬頂加強齒的齒高H、齒冠高度h、齒柱高度h』、寬頂加強齒的齒冠在齒寬方向的兩側的斜角α1和α2進行了說明。

圖2是本實用新型一種寬頂加強齒在齒厚方向的結構示意圖，圖中對寬頂加強齒在齒厚方向的齒頂輪廓線的過渡半徑R進行了說明。

圖3是本實用新型寬頂加強齒的齒頂以較小偏轉角(0°≤|g|≤20°)偏轉鑲裝在牙輪上 的示意圖。

圖4是採用本實用新型寬頂加強齒偏轉鑲裝在複合鑽頭的牙輪上的結構示意圖(其中偏轉角g＝90°)。

圖5是採用本實用新型寬頂加強齒偏轉鑲裝在三牙輪鑽頭的牙輪上的結構示意圖(其中偏轉角g＝90°)。

圖6是本實用新型一種寬頂加強齒的齒頂在齒厚方向的輪廓線為圓弧形，且圓弧半徑R＝0.5mm的結構示意圖。

圖7是本實用新型一種寬頂加強齒的齒頂在齒厚方向的輪廓線為圓弧形，且圓弧半徑R＝1.5mm的結構示意圖。

圖8是本實用新型一種寬頂加強齒的齒頂在齒厚方向的輪廓線為直線形的示意圖。

圖9是本實用新型一種寬頂加強齒的齒頂在齒寬方向的輪廓線為圓弧形的結構示意圖。

圖10是本實用新型一種寬頂加強齒的齒頂在齒寬方向的輪廓線為由多段圓弧連接形成的波浪形的結構示意圖。

圖11是本實用新型一種寬頂加強齒的齒頂在齒寬方向的輪廓線為由直線段與圓弧連接形成的波浪形的結構示意圖。

圖12是本實用新型一種寬頂加強齒的加強筋頂端相距寬頂加強齒齒頂的高度h1為齒冠高度h的四分之一的示意圖。

圖13是本實用新型一種寬頂加強齒的齒柱的橫斷面為橢圓形的示意圖。

圖14是圖13中齒柱的剖視圖。

圖15是本實用新型一種寬頂加強齒的齒柱的橫斷面為橢圓形，且寬頂加強齒在齒寬方向的齒頂輪廓線為波浪形的結構示意圖。

圖16是圖15的俯視圖結構示意圖。

圖17是本實用新型一種寬頂加強齒的齒冠在齒厚方向的兩個側面加強筋數量相等且對稱放置時的結構示意圖。

圖18是本實用新型一種寬頂加強齒的齒冠在齒厚方向的兩個側面加強筋數量相等但間錯放置時的結構示意圖。

圖20和圖19是本實用新型一種寬頂加強齒齒冠在齒厚方向的兩個側面加強筋數量不相等的結構示意圖。

圖21是本實用新型一種寬頂加強齒的冠頂位置線與齒柱的橫截面的中心線不重合的示意圖。

圖22是本發明一種寬頂加強齒的縱向剖視圖，圖中所述寬頂加強齒為齒頂區域表面用聚晶金剛石或耐磨合金做表面加強的複合材料牙齒。

圖23是本發明一種寬頂加強齒的縱向剖視圖，圖中所述寬頂加強齒為齒冠表面用聚晶金剛石或耐磨合金做表面加強的複合材料牙齒。

圖中：1.齒柱，2.齒冠，3.加強筋，4.冠頂位置線，5.齒柱的橫截面的中心線，6.聚晶金剛石或耐磨合金。

具體實施方式

下列非限制性實施例用於說明本實用新型。

實施例1：

一種寬頂加強齒，包括齒柱1和齒冠2，所述齒冠2呈扁楔形，齒冠2在齒寬方向的兩側的斜角α1和α2的範圍是0°≤α1≤10°，0°≤α2≤10°，且齒冠2在齒厚方向的至少一個側面設有加強筋3(參考圖1、圖2所示)。作為選擇，齒冠2在齒寬方向的兩側的斜角相等(即α1＝α2)。作為優選，齒冠2在齒厚方向的兩個側面各設有一個加強筋3相對齒冠2對稱 放置。作為選擇，寬頂加強齒的齒頂在齒厚方向的輪廓線為直線形(參考圖8所示)。作為選擇，寬頂加強齒的齒頂在齒寬方向的輪廓線為直線形、圓弧形(參考圖9所示)或波浪形，其中波浪形可以由多段圓弧連接形成(參考圖10所示)或直線段與圓弧連接形成(參考圖11所示)。作為選擇，齒柱1的橫斷面為圓形。作為選擇，所述寬頂加強齒可以為硬質合金牙齒，立方碳化硼齒，陶瓷齒，金剛石複合齒或聚晶金剛石複合齒，或齒頂區域表面用聚晶金剛石或耐磨合金6做表面加強的複合材料牙齒(參考圖22所示)，或齒冠2表面用聚晶金剛石或耐磨合金6做表面加強的複合材料牙齒(參考圖23所示)。作為優選，所述寬頂加強齒的加強筋3的頂端與寬頂加強齒的齒冠2輪廓相切或接近相切過渡，加強筋3兩側與寬頂加強齒以較大半徑的圓角過渡，且寬頂加強齒上所有的稜邊均以較小半徑的圓角過渡。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：所述寬頂加強齒的齒冠2在齒寬方向的兩側的斜角α1和α2的範圍是0°≤α1≤5°，0°≤α2≤5°。作為選擇，所述寬頂加強齒的齒冠2在齒寬方向的兩側的斜角相等且為0°(即α1＝α2＝0°)，參考圖18所示。

實施例3：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：所述寬頂加強齒的齒冠2在齒寬方向的兩側的斜角不相等(即α1≠α2)，其中斜角α1和α2的範圍是0°≤α1≤5°，5°≤α2≤10°。

實施例4：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：寬頂加強齒的齒頂在齒厚方向的輪廓線為圓弧形，且齒頂輪廓線半徑R≤1.5mm。參考圖6所示，齒頂輪廓線的過渡半徑R＝0.5mm。參考圖7所示，齒頂輪廓線的過渡半徑R＝1.5mm。

實施例5：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：加強筋3頂端相距寬頂加強齒齒頂的高度h1小於等於齒冠高度h的一半。參考圖12所示，寬頂加強齒的加強筋3頂端相距寬頂加強齒齒頂的高度h1為齒冠高度h的四分之一。作為優選，加強筋3頂端與寬頂加強齒齒頂齊平(即h1＝0)。

實施例6：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：齒柱1的橫斷面的長度和寬度不相等。作為優選，所述齒柱1的橫斷面為橢圓形，參考圖13、14所示。

實施例7：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：所述齒柱1的橫斷面為橢圓形，且寬頂加強齒在齒寬方向的齒頂輪廓線為波浪形，參考圖15、圖16所示。

實施例8：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：所述齒冠2在齒厚方向的兩個側面均設有加強筋3，其中兩個側面的加強筋3的數量相等且均≥2。作為選擇，加強筋3對稱放置，參考圖17所示。作為選擇，加強筋3間錯布置，參考圖18所示。

實施例9：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：所述齒冠2在齒厚方向的兩個側面上的加強筋3數量不相等。參考圖19所示，齒冠2在齒厚方向的一個側面設有加強筋3，另一個側面沒有加強筋3。參考圖20所示，齒冠2在齒厚方向的兩個側面上均有加強筋3但數量不相等。

實施例10：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：寬頂加強齒的冠頂位置線4與齒柱1的橫截面的中心線5不重合，參考圖21所示。

實施例11：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：寬頂加強齒以一定的偏轉角g偏轉鑲裝到 牙輪上。作為選擇，寬頂加強齒的偏轉角g的範圍為0°≤|g|≤20°，參考圖3所示。作為選擇，寬頂加強齒的偏轉角g的範圍為70°≤|g|≤90°。作為優選，當寬頂加強齒用於複合鑽頭或是鑲齒牙輪鑽頭的牙輪上時，寬頂加強齒將以偏轉角g＝90°的方式橫向鑲裝到牙輪上，參考圖4、5所示。作為選擇，寬頂加強齒在同一個牙輪上的偏轉角g不同。作為選擇，寬頂加強齒用於具有牙輪結構的破巖工具。

實施例12：

本實施例與實施例1基本相同，其區別在於：不同齒冠2形狀的寬頂加強齒可以組合布置在同一個牙輪上，且相鄰寬頂加強齒的偏轉角g可不同。

需要強調的是：以上僅是本實用新型的較佳實施例而已，並非對本實用新型作任何形式上的限制，凡是依據本實用新型的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改，等同變化與修飾，均仍屬於本實用新型技術方案的範圍內。