SE459876B - Slaepande borrkrona - Google Patents

Description

459 876 2 plana (även om utåt konvexa spânytor är kända). Skärelementen kan monteras på borrkronan, så att de plana spånytorna har viss grad av lutningsvinkel och/eller spånvinkel. Varje given borrkrona är konstruerad att skära markformationen till en önskad tredimensionell "profil", vilken i allmänhet är paral- lell med formen hos borrkronans arbetande ände. Lutnings- vinkeln kan tekniskt definieras som komplementvinkeln till vinkeln mellan 1) en given spånyta och 2) en vektor i spånytans rörelseriktning under användningen, varvid vinkeln mätes i ett till markformationsprofilen tangentiellt plan vid närmaste intillvarande punkt. I praktiken har en spånyta en viss grad av lutningsvinkel, om den icke är inställd i en strikt radiell riktning i förhållande till borrkronans ändyta i dess helhet utan snarare har både radiella och tangentiella riktningskomponenter. Spânvinkeln kan tekniskt definieras som vinkeln mellan l) spånytan och 2) normalen till markfor- mationsprofilen vid den närmaste intillvarande punkten, mätt i ett plan, som innehåller skärelementets rörelseriktning, dvs ett mot både spånytan och den intillvarande delen av mark- formationsprofilen vinkelrätt plan (varvid antages en lut- ningsvinkel av 0°. Om ovannämnda normal faller inom skär- elementet, är spånvinkeln negativ, och om normalen faller utanför skärelementet, är spånvinkeln positiv. I praktiken kan spånvinkeln betraktas vara en lutning av spånytan i för- hållande till intillvarande del av markformationsprofilen, dvs den “lokala profilen", varvid spånvinkeln är negativ, om skär- eggen är hela spånytans släpande egg vid användningen, och positiv, om skäreggen är den främre eggen.

Avsevärda positiva spånvinklar har sällan om någonsin begag- nats. Sålunda betecknas på facksprâket en negativ spânvinkel som relativt "stor" eller "liten" med avseende på dess abso- luta värde. Exempelvis skulle en spånvinkel av -20° betraktas vara större än en spånvinkel lika med 0, och en spånvinkel av -30° skulle anses vara ännu större.

Korrekt val av spånvinkeln är särskilt betydelsefullt vid anpassningen av en borrkrona och dess skärelement för den mest 459 876 effektiva borrningen i en given typ av markformation. Vid 3 mjuka formationer kan relativt små skärkrafter användas, så att skärskadeproblemen minimeras. Det blir sålunda möjligt och är i själva verket att föredraga att utnyttja en relativt liten spånvinkel, dvs en mycket liten negativ spånvinkel, en spånvinkel lika med O eller t.o.m. en något positiv spån- vinkel, eftersom sådana vinklar tillåter snabb borrning och optimerar den specifika energin. I hårt berg är det emellertid nödvändigt att använda en relativt stor spånvinkel, dvs en avsevärd negativ spånvinkel, för undvikande av alltför stort slitage i form av bräckning eller flisning av skärelementen till följd av de högre skärkrafter, som blir nödvändiga.

Problem uppstår vid borrning genom stratifierade formationer, i vilka olika strata varierar i hårdhet, liksom vid borrning genom formationer, vilka, medan de i huvudsak består av rela- tivt mjukt material, innehåller "ådror“ av hårt berg. Tidigare har ett av de mest försiktiga sätten att söka lösa detta problem varit att utnyttja en i huvudsak negativ spånvinkel, exempelvis -200, för hela borrningsoperationen. Detta skulle tillförsäkra, att om eller när hårt berg påträffades detta skulle borras utan att skada skärelementen. Denna lösning är emellertid oacceptabel, särskilt då man vet, att en avsevärd del och närmare bestämt den översta delen av den formation, som skall borras, är mjuk, eftersom den avsevärda negativa spånvinkeln i alltför stor mån begränsar borrningshastigheten i den mjuka formationen.

Ett annat sätt, som är tillämpligt, då formationen är strati- fierad, är att utnyttja en borrkrona, vars skärelement har mindre spânvinklar eller spånvinklar lika med O för borrning genom den mjuka formationen, och därefter byta borrkrona och borra genom den hårda formationen med en borrkrona, vars skärelement har större spånvinklar, exempelvis -200 eller mer. Detta sätt är olämpligt på grund av tiden och kostnaden för en speciell "trip" för borrstången i syfte att byta borr- krona. 459 876 4 Om formationen förmodas vara likformigt mjuk, är ett något djärvt sätt att utnyttja den relativt lilla spånvinkeln för maximering av genomträngningshastigheten.Onlemellertid en härd åder påträffas, kan katastrofal förstörelse bli följden.

Exempelvis ökar allvarlig flisning av endast ett enda skär- element belastningen på intillvarande skärelement och förkortar deras livslängd, vilket leder till en alltför tidig "ring out", dvs ett tillstånd, vid vilket borrkronan är effektivt inoperativ.

Ett annat vanligt problem är att monteringskroppen brister innanför spånytan till följd av höga operationskrafter.

Enligt uppfinningen åstadkommes en borrkrona med en borrkron~ kropp, som är anordnad för rotationsrörelse i en på förhand bestämd riktning under användningen och som är försedd med en verksam ändyta, samt ett flertal självvässande skärelement som är monterade i borrkronkroppen och är anordnade att skära en markformation till en önskad tredimensionell profil, varvid varje skärelement har en tapp, som är anordnad i ett urtag i borrkronkroppen obh som bildar skärelementets ínnerände, och en spånyta i huvudsak intill dess ytterände och vänd utåt genom borrkronkroppens ändyta samt avslutad med en yttersta skäregg, varvid tappens centrumlinje lutar bakåt från ytter- änden till inneränden med avseende på nämnda rörelseriktning vid användning - tagen vid skäreggens mittpunkt - under en första vinkel av från 80 till 300, varvid spånytan är så orienterad, att tangenten till spånytan vid skäreggens mitt- punkt och i skärelementets centrala plan är anordnad under en andra vinkel av från l8 till 75° med avseende på tappens centrumlinje, och varvid spånytorna bildar ytor med spän- vinklar, vilka blir mer negativa med ökande avstånd från profilen.

Vid borrkronan enligt föreliggande uppfinning bildar skär- elementen således spånytor, som har spånvinklar, vilka blir mer negativa med ökande avstånd från markformationsprofilen.

Uttrycket "mer negativ" skall icke innebära, att spånvinkeln 5 459 876 närmast profilen är negativ. I själva verket är en av för- delarna med uppfinningen, att den gör användningen av vinklar lika med 0 eller något positiva vinklar mera möjlig. Uttrycket skall därför helt enkelt innebära, att vinklarnas värden varierar i den negativa riktningen - med ökande avstånd från profilen - oavsett om början sker med ett positivt eller negativt värde eller ett värde lika med 0.

Denna effekt kan åstadkommas genom åtminstone två grund- läggande metoder. Enligt en sådan metod finnes åtminstone två uppsättningar skärelement, varvid den ena uppsättningen med sina spânytor är anordnade närmare borrkronkroppens arbetande ändyta än den andra uppsättningens spânytor. Spånvinklarna hos spânytorna hos den ena eller den innersta uppsättningen är mer negativa än spånvinklarna hos den andra eller den yttersta uppsättningens spånytor. Då borrkronan börjar arbeta, kommer endast den yttersta uppsättningen skärelement, som har mindre negativa spånvinklar, i kontakt med och bearbetar formationen.

Sålunda kan borrkronan arbeta snabbt genom den mjuka formationen, som i typfallet befinner sig överst. Om en hård åder påträffas eller om borrkronan når slutet av ett mjukt stratum och börjar komma in i ett hårt stratum, flisas eller brytes den yttersta uppsättningen skärelement, så att den innersta uppsättningen, som har mer negativa spånvinklar, kommer i kontakt med markformationen och börjar borra. Denna andra uppsättning skärelement kan med sina relativt stora spänvinklar borra det hårda berget utan alltför stort slitage eller utan att skadas. Om senare mjuk formation åter på- träffas, kan den andra uppsättningen skärelement alltjämt fortsätta borrningen på acceptabelt sätt, även om så sker med lägre hastighet än för den första uppsättningen.

En andra grundläggande metod för åstadkommande av ovan nämnda varierande spänvinklar är att utforma varje individuellt skär- elements spånyta på så sätt, att den definierar ett antal olika spånvinklar från sin yttersta till sin innersta kant.

Exempelvis kan spänytan bilda en krökt, konkav yta eller en följd av plana ytor, som närmar sig en sådan kurva. Denna 459 876 6 metod ger väsentligen alla den första, ovan beskrivna metodens fördelar och erbjuder därtill lättare ett större antal potentiella spånvinklar. Systemet är självjusterande i den meningen, att då hårt berg påträffas skärelementen slites snabbt endast till den punkt, där de företer en tillräckligt negativ spänvinkel för att effektivt skära formationen ifråga.

Vid denna punkt upphör flisningen eller det snabba slitaget, och skärelementen fortsätter att borra formationen väsentligen som om deras spånvinklar från början hade anpassats till den speciella typ av berg, som påträffats.

Användningen av sådana konkava spånytor på de individuella skärelementen har flera andra fördelar, som ytterligare kan förstärkas genom komplementära konstruktionssärdrag vad gäller borrkronkroppen. Exempelvis kan spånytornas form förstärka hydrauliken tvärs borrkronans arbetande ändyta och kan även ha en “spänbrytar"-effekt. Själva borrkronkroppen kan konstru- eras för att ytterligare samverka vad gäller förstärkningen av hydrauliken liksom för att erbjuda maximalt stöd för skär- elementet intill och motsatt dess spånyta.

En annan fördel, särskilt vid de former av uppfinningen, vid vilka konkava spånytor på de individuella skärelementen utnyttjas, är, att vid allvarligt slitage den extremt negativa spånvinkel, som företes för formationen, effektivt stoppar borrkronans genomträngning i tid för att förhindra bildandet av skrot genom massiv förstörelse av borrkronan.

Det inses lätt, att föreliggande uppfinning dramatiskt kan förlänga en borrkronans livslängd, eller om förlängd livslängd (eller förbättrad tillförlitlighet) icke erfordras,' kan tillverkningskostnaden minskas genom anordnandet av färre skärelement på en borrkrona för ernâende av samma livslängd som för en konventionell borrkrona.

En annan aspekt av uppfinningen avser ytterligare förbätt- ringar i utformningen av det individuella skärelementet och dess orientering i förhållande till borrkronkroppen. Denna 7 459 sve aspekt av uppfinningen minskar de skadliga verkningarna av de krafter, som pålägges skärelementet under användningen. Aven om denna aspekt av uppfinningen är tillämplig ensam, för- stärkes skyddet av skärelementet mot skada än mer, då den kombineras med ovan nämnda aspekter av uppfinningen, särskilt användningen av den konkava spânytan, då de två aspekterna av uppfinningen samverkar med varandra, varvid den krökta ytan självjusterar sitt eget slitage ooh minskningen av de menliga verkningarna av borrkrafterna ytterligar skyddar elementet allmänt.

Ovan nämnda skärutbildning eller spånyta avslutas med en yttersta skäregg, som direkt kommer till ingrepp med mark- formationen, och det är lämpligt i detta sammanhang att mäta rörelseriktningen vid denna skäreggs mittpunkt. Under borr- ningen utövas större krafter på skärelementets ytterände i två riktningar, uppåt i. huvudsak vinkelrätt mot markformationen och bakåt i förhållande till rörelseriktningen, medan borr- kronan roteras. Kraftresultanten har således både uppâtriktade och bakåtriktade komponenter, och en vektor, som representerar kraftresultanten, lutar bakåt och inåt i förhållande till borrkronan.

Skärelementets monteringskropp kan sägas ha en tapp, nämligen den del av monteringskroppen, som direkt införes i respektive urtag eller ficka i borrkronkroppen. Enligt föreliggande uppfinning lutar tappens mittlinje bakåt från ytteränden till inneränden i förhållande till rörelseriktningen vid använd- ningen, tagen vid skäreggens mittpunkt, under en första vinkel, som kan uppgå till från 80 till 30°, företrädesvis från 65 till 50°. På detta sätt lutar tappen i huvudsak i samma riktning som de ovan nämnda större krafternas resultant.

Följaktligen minskas de riskablare böjnings- ooh skjuvnings- krafterna genom att den mer tolerabla kompressionskraften ökas. Detta bidrager i hög grad till att förhindra bräckage och förstöring av skärelementet. 1459 876 8 Genom orientering av spânytan (närmare bestämt tangenten till spånytan vid skäreggens mittpunkt och i skärelementets cen- trala plan) under en andra vinkel i förhållande till tappens mittlinje, vilken vinkel kan vara från 18 till 75°, företrä- desvis frän 25 till 600, kan vidare önskvärda spånvinklar anordnas, medan ovan nämnda lutning hos tappen tillgodoses.

Ett huvudsyfte med uppfinningen är följaktligen att erbjuda en förbättrad släpande borrkrona.Uppfinningen erbjuder vidare ett förbättrat, självvässande skärelement för en sådan borrkrona. Vidare åstadkommer uppfinningen en sådan borrkrona, vid vilken skärelementens spânytor bildar ytor med spån- vinklar, som blir mera negativa med ökande avstånd från markformationsprofilen. Ytterligare föremål för uppfinningen är att erbjuda ett förbättrat, självvässande skärelement med en inåt konkav spånyta. Ännu ett syfte med uppfinningen är att erbjuda en borrkrona och ett skärelement för denna, där skadorna vid användningen minimeras genom att lutningen för skärelementets tapp i borrkronkroppen och/eller tappens lut- ning i förhållande till spånytan.

Uppfinningen förklaras närmare i det följande med hänvisning till bifogade ritningar.

Fig. l är en sidovy av en borrkrona enligt en första ut- föringsform av uppfinningen, fig. 2 är en planvy från planet 2 - 2 i fig.l, fig. 3 är en detaljvy i större skala, som visar ett snitt genom en av borrkronkroppens flänsar, varvid ett av skärelementen visas i sidovy, fig. 4 är en detaljsnittvy från planet 4 - 4 i fig. 3. fig. 5 är en vy liknande fig.3 i ett annat plan, 9 459 876 fig. 6 är en vy liknande fig. 3 och visar anpassningen till en mindre spånvinkel vid påträffandet av hårt berg, fig. 7 är en vy liknande fig. 3 och visar en andra ut- föringsform av skärelementet, fig. 8 är en vy från planet 8 -8 i fig. 7, fig. 9 är en vy framifrån av en tredje utföringsform av skär- elementet, fig. 10 är en sidovy av skärelementet enligt fig. 9. fig. ll är en schematisk vy av en borrkrona enligt en annan utföringsform av uppfinningen, fig. 12 är en detaljvy av ett av den första uppsättningen skärelement vid utföringsformen enligt fig. ll från planet l2 - 12 i sistnämnda figur, fig. 13 är en detaljvy av ett av en andra uppsättning skär- element vid utföringsformen enligt fig. 11,frân planet 13 - 13 i denna figur, fig. 14 är en detaljvy av en annan utföringsform och visar skärelementet i sidovy och intillvarande del av borr- kronkroppen i snitt i skärelementets centrala plan, och fig. 15 är en vy framifrån, från planet 15 - 15 i fig. 14.

Fig. 1 och 2 visar en borrkrona av den typ, i vilken före- liggande uppfinning kan ingå. Uttrycket "borrkrona“ skall här innefatta 'både fullständiga borrhuvuden och borrkronor.

Borrkronkroppen 10, som är formad av wolframkarbidmatris infiltrerad med en bindmedelslegering, har en gängad tapp 12 vid den ena änden för koppling till borrstången samt en verksam ändyta 14 vid den motsatta änden. Den "verksamma 459 876 10 ändytan" avses här innefatta icke endast den faktiska änden eller den axiellt vända del, som visas i fig. 2, utan även närgränsande ytor, som sträcker sig uppåt längs borrkronans nedre sidor, dvs hela den nedre del av borrkronan, som bär de nedan beskrivna verksamma skärelementen. Närmare bestämt korsas borrkronans verksamma ändyta 14 av ett antal vulster i form av flänsar eller vingar 16, som strålar ut från borr- kronans nedre centrala område och sträcker sig över undersidan samt uppåt längs borrkronans nedre sidoytor. Flänsarna 16 bär skärelement 18, vilka skall beskrivas utförligare nedan.

Omedelbart ovanför flänsarnas 16 övre ändar har borrkronan 10 ett passnings- eller stabiliseringsavsnitt med stabiliserings- flänsar eller stötelement 20, som vart och ett utgör en fortsättning på var sin skärelementbärande fläns 16. Flänsarna 16 kommer till beröring med väggarna hos det borrhål, som borrats av den verksamma ändytan 14, så att borrkronan centreras och stabiliseras, samt bidrager till att reglera borrkronans vibrationer.

Mellan det stabiliseringsavsnitt, som begränsas av flänsarna 20 och tappen 12, finnes en nacke 22 med plana skruvnyckelytor 24, som kan gripas för anbringning och borttagning av borr- kronan vid respektive från borrstângen.Borrkronkroppens 10 undersida, se fig. 2, har ett antal cirkulära öppningar eller mynníngar 26, som är belägna nära dess centrumlinje och vilka kommunicerar med de mellan flänsarna 16 infällda områdena, vilka under användningen tjänar som fluidströmningsutrymmen.

Borrkronkroppen 10, se fig. 3 jämte fig. 1 och 2, är avsedd att roteras moturs sett såsom i fig. 2. Sålunda har varje fläns 16 en främre kantyta 16a och en bakre kantyta l6b såsom bäst framgår av fig. 3. Såsom visas i fig. 3 och 4 består varje skärelement 18 av en monteríngskropp 28 -- i form av en ståndare av sintrad wolframkarbid och ett skikt 30 av polykristallinisk diamant eller annat mycket hårt material, som bäres på tappens 28 främre yta och bildar skärelementets spånyta 30a.Uttrycket "mycket hård" avser här material, som är väsentligt hårdare än kiselkarbid, som har en Knoop-hårdhet 11 459 876 av 2470, dvs material med en Knoop-hårdhet, som är större än eller lika med 2500. Skärelementen 18 är med sina monte- ringskroppar 28 monterade i urtag 29 i flänsarna 16, så att deras spånytor är friliggande genom de främre kantytorna l6a.

Den del av monteringskroppen 28, som omedelbart är innesluten i ett urtag 29 betecknas här "tappdelenfi Skiktet 30, den underliggande delen av kroppen 28, och den spånyta, som bildas av skiktet 30, är alla inåt konkava i ett plan, i vilket deras spånvinkel kan mätas, exempelvis planet i fig. & Såsom nämnts är spånytan 30a friliggande genom den främre kantytan l6a hos den fläns 16, i vilken skärelementet är monterat, och i själva verket är spånytan 30a skär- elementets främre yta. Såsom visas i fig. 2 är den krökta spånytan 30a en yta med ett antal olika spånvinklar, vilka blir mera negativa med ökande avstånd från markformationens 32 profil, dvs vinklarna blir mer negativa från spånytans 30a yttersta till dess innersta kanter ("avståndet“ mätes här från den närmaste punkten på profilen). Exempelvis bildar ytans 30a ursprungliga yttersta kant initialskäreggen vid användningen.

Man ser, att en tangent tl till ytan 30a vid dess kontaktpunkt 'med markformationen 32 í huvudsak sammanfaller med en normal till denna yta vid samma punkt. Sålunda är spånvinkeln vid ytans 30a ursprungliga yttersta kant eller skäregg 0°.

Fig. 6 visar samma skärelement 18 och den därmed förbundna flänsen 16 efter avsevärt slitage. Det steg, som bildats mellan kroppen 28 och skiktet 30 genom den självvässande effekten, visas överdrivet. Man ser, att efter slitaget tangenten tz till spânytan 30a vid dess kontaktpunkt med markformationen 32 bildar en vinkeloCmed normalen n till mark- profilen vid kontaktpunkten. Man ser även, att en förlängning av normalen l skulle falla inom skärelementet 18. En avsevärd spånvinkel företes nu för markformationen, och eftersom normalen n faller inom skärelementet, är vinkeln negativ.

Närmare bestämt är spånvinkelnvßungefär -lO°, såsom visas. 459 876 12 Under användningen kan ofta relativt mjuka formationer borras först, varvid hårdare berg påträffas i lägre strata och/eller små "ådror". Då borrningen börjar företes skärelementet 18 för markformationen 32 med den i fig. 3 visade konfigurationen.

Den verksamma delen av ytan 30 har sålunda en spånvinkel av ungefär 0°. Med denna spånvinkel kan borrkronan relativt snabbt borra genom den översta, mjuka formationen utan avsevärt eller alltför stort slitage av skärelementen. Om och när hårdare berg påträffas, slites skärelementet inklusive både det mycket hårda skiktet 30 och kroppen 28 utomordentligt snabbt, till dess den spånvinkel, som företes för mark- formationen, är en lämplig vinkel för den typ av berg, som borras. Exempelvis kan apparaten snabbt flisas, till dess den når den i fig. 6 visade formen, vid vilken tidpunkt slit- hastigheten sjunker till en acceptabel nivå för ifrågavarande typ av berg. Skärelementet är sålunda med sina varierande spånvinklar självjusterande i den negativa riktningen.

Sedan den i fig. 6 visade formen nåtts, och den negativa spån- vinkeln är relativt stor och lämpad för den lokala forma- tionen, fortsätter därefter skärelementet 18 och de övriga skärelementen på borrkronan, vilka förslitits på liknande sätt, att borra det nya hårda berget utan ytterligare alltför stort slitage eller alltför stor skada. Om senare mjuk for- mation âter påträffas. kan skärelementen 18 ändock fortsätta att borra, även om de till exempel slitits till den i fig. 6 visade formen. Även om de inte kan borra med den höga has- tighet, som tillåtes av den ursprungliga formen enligt fig. 3, kommer de åtminstone att ha borrat den översta delen av formationen med den maximalt möjliga hastigheten samt kan alltjämt fortsätta att borra lägre delar med en långsammare men icke desto mindre acceptabel hastighet.

En med skärelementen 18 utrustad borrkrona tenderar således att optimera såväl borrningstakten som borrkronans livslängd.

Den totala tiden för borrning av en given brunn blir mycket mindre, än om skärelement med i huvudsak negativa spånvinklar hade begagnats från början. Samtidigt förekommer ingen onödig 459 876 kostnad för en speciell "trip" för byte av borrkrona, då olika 13 typer av formationer påträffas. Likaledes föreligger ingen risk för katastrofal förstörelse, som då skär med små negativa eller positiva spånvinklar eller spånvinklar lika med 0 hade begagnats hela tiden. Det påpekas särskilt, att om alltför starkt slitage uppträder, kommer det visade skärelementets yta 30a och de övriga liknande skärelementens på borrkronans ytor att förete så stora negativa spânvinklar för formationen, att borrkrongenomträngningen effektivt stoppas i tid för för- hindrande av bildandet av skrot genom massiv förstörelse.

Spänytans 30a krökning har dessutom andra fördelar, särskilt tillsammans med relaterade konstruktionssärdrag hos hela skärelementet 18 och den fläns 16, i vilken det är monterat.

Såsom visas i fig. 3 och 4 är spånytan 30a, även om den är krökt i plan, i vilka spånvinkeln kan mätas, icke krökt utan snarare rak i vinkelräta plan, exempelvis planet för fig. 4.

Närmare bestämt definierar ytan 30a en del av en cylinder.

Härigenom kan flänsens 16 främre kantyta l6a formas på så sätt, att den är i huvudsak parallell med spånytan 30a liksom ytterligare spånytor på andra på samma fläns monterade skär- element. Denna "sammansmältníng" av krökningarna hos flänsens främre kant och de olika genom denna friliggande spånytorna förbättrar hydrauliken för borrslammet över borrkronan.

Monteringskroppen 28, som har formen av pluggliknande tapp, har en centrumlinje C (fig. 3), som allmänt bestämmer skär- elementets längdriktning. Skiktet 30 och den därav bildade spånytan 30a är förskjutna i sidled eller excentriska i för- hållande till den yttersta änden hos den kropp 28, på vilken de bäres. Emellertid skäres ytan 30a av centrumlinjen C såsom visats. Detta särdrag tillsammans med den parallella krök- ningen hos ytan 30a och den främre kantytan l6a hos respektive fläns medger maximalt stöd för skärelementet i flänsen 16.

Såsom visas i fig. 3 är den del av kroppen 28, som i huvudsak befinner sig mittför spånytan 30a, praktiskt taget helt inbäddad i och understödd av flänsens 16 material. Såsom visas i fig. 5 omslutes likaledes i huvudsak de sidodelar av den 459 876 14 yttersta änden av tappen 28, som i huvudsak befinner sig intill spänytan 30a, av flänsens 16 material, samt under- stödjes av detta. Detta kraftiga stöd bidrager till att för- hindra att skärelement under användningen skadas eller för- loras. Av en jämförelse av fig. 3 och 5 framgår, att i det närmaste hela kroppen 28 är inbäddad i och understödjes av flänsen l6, medan samtidigt hela spånytan 30a är friliggande för potentiell kontakt med markformationen. Ännu en fördel med spånytans 30a krökta form är, att den har en “spânbrytande" effekt. I korthet sagt tenderar, om ett spån av markformationen börjar byggas upp framför spânytan 30a, denna ytas krökning att rikta det under bildning varande spånet uppåt och över spånytan, så att det brytes av och faller bort snarare än samlas på spånytans främre sida.

I fig. 7 och 8 visas en annan form av skärelement, som kan begagnas på en borrkronkropp liknande den som visas i fig. l och 2. Liksom den första utföringsformens skärelement 18 innefattar skärelementet 34 enligt fig. 7 och 8 en plugg- liknande kropp 36 av sintrad wolframkarbid, som bildar monte- ringskroppen för skärelementet, samt ett skikt 38 av mycket hårt material, exempelvis polykristallinísk diamant, som bäres på kroppens 36 yttersta ände och bildar spånytan 38a.

Likaledes är spånytan 38a krökt, så att den bildar ett flertal spånvinklar, vilka blir mer negativa med ökande avstånd från markformationsprofilen under användningen. Emellertid är i olikhet med skiktet 30a vid den första utföringsformen skiktet 38 vid utföringsformen enligt fig. 7 och 8 anordnat symmetriskt på kroppens 36 ände. En annan skillnad är, att skiktet 38 och den spånyta 38a det bildar är krökta i tvärplan, närmare bestämt bildar de en del av en sfär. Fig. 7 visar det sätt, på vilket vinkeln för monteringen av kroppen 36 i borrkronkroppens fläns l6' är varierad (i jämförelse med vinkeln vid den föregående utföringsformen) för att ge rum åt det symmetriska arrangemanget av skiktet 38 på kroppen 36 och erbjuda maximalt flänsstöd för kroppen 36 med samtidigt tillåtande av full exponering av spànytan 38a. 15 459 876 Fig. 9 och 10 visar ännu en utföringsform av skärelementet 40 enligt föreliggande uppfinning. Elementet 40 innefattar en monteringskropp i form av en ståndare 42 av sintrad wolfram- karbid. Kroppen 43 bär ett skikt 46 av mycket hårt material, icke direkt men medelst en mellanliggande bärardyna 44, likaledes av sintrad wolframkarbid. Skiktet 46 av mycket hårt material och den spånyta det bildar är liksom vid de tidi- gare utföringsformerna konkava inåt. I stället för att bilda en enda mjuk kurva består emellertid spånytan av en följd av intillvarandra belägna plana ytor 46a, 46b och 46c, som var Qch en är anordnad i vinkel i förhållande till nästa intill- varande plana yta eller plana ytor, varjämte var och en bildar en särskild, successivt mer negativ spånvinkel. Utförings- formen enligt fig. 9 och 10 innefattar sålunda en konkav spånyta, som approximerar den första utföringsformens krökta spånyta men som bildar endast tre spånvinklar snarare än ett oändligt antal spånvinklar.

Fig. ll - 13 visar ett sätt, medelst vilket vissa principer för föreliggande uppfinning tillämpas med utnyttjande av konventionella skärelement med plana spånytor. Pig. ll visar schematiskt en borrkronkropp 50, vars profil i huvudsak är parallell med markformationens 66 profil 64, när anordningen är i arbete och på konventionellt sätt. Borrkronkroppen 50 bär en första uppsättning skärelement 54 och en andra uppsättning skärelement 52. De båda uppsättningarnas skärelement är anordnade alternerande på borrkronkroppen. Såsom bäst framgår av fig. 13 består varje skärelement 54 av en monteringskropp 60 och ett skikt 62 av mycket hårt material, som bildar en plan spänyta. Såsom visas i fig. 12 består likaledes varje skärelement 52 av en monteringskropp 56 och ett skikt 58 av mycket hårt material, som bildar en plan spänyta. Emellertid skiljer sig de båda uppsättningarnas skärelement från varandra i två grundläggande avseenden. Den första uppsättningens element 54 har sina spånytor anordnade närmare borrkronkrop- pens verksamma ändyta än spånytorna hos skärelementens 52 andra uppsättning. Såsom framgår av en jämförelse mellan fig. 12 och 13 skiljer sig de båda uppsättningarna i det att 459 876 16 den första eller innersta uppsättningen med sina spånytor är anordnad under i huvudsak negativa spånvinklar, medan skär- elementen 52 i den första uppsättningen med sina spânytor är anordnade under en spånvinkel lika med 0°. Även om de indi- viduella spånytorna är plana, bildar sålunda spånytorna på de olika skärelementen på borrkronkroppen, tillsammans ytor med spånvinklar, som blir mera negativa med ökande avstånd från markformationens 66 profil 64.

Följaktligen börjar vid användningen borrkronan enligt fig. ll att borra i mjuk formation såsom visas, varvid endast de yttersta skärelementen 52 kommer till beröring med och borrar markformationen. Dessa yttersta skärelement har spånvinklar lika med O, vilka är lämpliga för snabb borrning av den översta, mjuka formationen. Om och när hårt berg påträffas, kommer elementen 52 att snabbt brytas eller flisas bort, till dess elementen 54 kan komma till beröring med och börja borra markformationen. På grund av sina avsevärda negativa spån- vinklar kan elementen 54 borra det hårda berget utan alltför starkt slitage eller skada.

Fig. 14 och 15 visar en annan utföringsform av skärelementet och dess relation till en borrkronkropp jämte vektorer och konstruktionslinjer, som är användbara vid beskrivningen av ytterligare en aspekt av föreliggande uppfinning. Speciellt visas en del av en borrkronkropp 100, som på sin verksamma ändyta har en vulst eller en fläns 102, i vilken en ficka eller ett urtag 104 är utformat. Urtaget 109 mynnar genom flänsens 102 främre kant 106. I övrigt kan givetvis borrkron- kroppen 100 mer eller mindre likna borrkronkroppen i fig. 1 och 2 och särskilt kan flänsen l02 ha en avsevärd radiell riktningskomponent, kan det finnas andra sådana flänsar på borrkronkroppens ändyta, samt kan åtminstone en del av dessa flänsar ha ett antal urtag 104.

Fig. 14 och 15 visar vidare ett skärelement, som består av en monteringskropp lO8 av sintrad wolframkarbid, en bärare llO, likaledes av sintrad wolframkarbid, samt ett tunt skikt ll2 av 459 876 17 polykristalliniskt diamantmaterial, som bildar en plan skär- formation eller spånyta 1l2a, som i sin tur avslutas med en skäregg ll2b. Monteringskroppen l08 innefattar en innersta, i huvudsak cylindrisk tapp l08a, vilken omslutes av och är fäst fickan 104. Tappen lO8a kan monteras i fickan 104 genom presspassning, särskilt om borrkronkroppen 100 är av stål.

Alternativt kan, särskilt om en wolframkarbidmatrisborrkron- kropp begagnas, tappen l08a hårdlödas i fickan 104, i vilket fall vad gäller denna beskrivning monteringskroppens tapp alltjämt betraktas ligga mot fickans väggar, även om det kan förekomma ett mellanliggande tunt skikt av lod.

Monteringskroppen 108 innefattar vidare en yttersta del l08b. som är orienterad i vinkel i förhållande till tappen l08a.

Bäraren 110 är fäst vid delens lO8b ytterändes yta, och skärskiktet 112 är i sin tur fäst vid bärarens 110 ytteryta.

Då spânytans ll2a skäregg ll2b kommer till beröring med och skär markformationen 114, definierar den förflyttning eller rörelse, som förorsakas av borrkronans rotation, en riktning framåt. Rörelseriktningen för alla punkter på spånytan är parallella eller i det närmaste parallella, beroende på spån- ytans form, men med avseende på en noggrann definition i denna beskrivning hänföras till rörelseriktningen för skäreggens ll2b mittpunkt X. Punkten X ligger i skärelementets centrala plan P, vilket plan även går genom tappens l08a mittlinje L och delar skärelementet i två identiska, symmetriska halvor.

Punktens X rörelseriktning anges av vektorn V.

Då skäreggen ll2b kommer till beröring med och skär mark- formationen 114, utövas höga krafter på skärelementet i två huvudriktningar. På grund av vikten av den borrstång, som tynger ned på borrkronan och dess skärelement, utövas en kraft Fl i huvudsak uppåt vinkelrätt mot markformationen. På grund av skäreggens ll2b rörelse framåt och dess skrapning mot markformationen 114 föreligger en kraft F2, som utövar sin riktning bakåt. Resultanten av de två krafterna representeras 459 876 18 av vektorn FR, som lutar uppåt (dvs inåt i förhållande till borrkronan) samt bakåt.

Enligt föreliggande uppfinning är likaledes mittlinjen L för tappen 108a och för dess densamma passande ficka 104 bakåt- lutande i förhållande till rörelseriktningen eller rörelsen V, från tappens ytterände till dess innerände, under en första vinkelß . (I denna beskrivning betraktas om inget annat anges vinkeln mellan tvâ linjer vara den mindre av de två kom- plementärvinklar, som bildas av skärningen mellan dessa lin- jer).

På grund av denna lutning med vinkelnßminskas kraftens FR böjnings- och skjuvningseffekter, medan dess sammanpressande effekt ökas. Även om vektorns FR exakta lutning kan variera under borrkronans användning, är den alltid bakåt- och inåt- lutande av skäl som förklarats tidigare. Om sålunda linjens L lutning i förhållande till vektorn V likaledes är bakåt och inåt, placeras skärelementet alltid mer under kompression och mindre under skjuvning i jämförelse med tidigare kända arrangemang, vid vilka monteringskropparnas tappar i allmänhet är anordnade vinkelrätt mot markformationens profil.

Vidare lutar spånytan ll2a i förhållande till tappens l08a centrumlinje L under en andra vinkel, vilken företrädesvis skiljer sig från de vinklar, som tillämpas vid standard- eller konventionella skärelement. Eftersom den visade spânytan ll2a är plan, är ovan nämnda andra vinkel konstant för alla punkter på spänytan för den visade speciella utföringsformen. Emel- lertid hänvisas för den specifika och noggranna definitionens skull och för förklaring av variationer i spânytans krökning såsom beskrivits ovan, till en andra vinkelïfmellan centrum- linjen L och en tangent T till spånytan ll2b vid punkten X i det centrala planet P.

Genom lämpligt val av och korrelatíon mellan den första och den andra vinkelnßoch det möjligt att placera skärelemen- tet så mycket som möjligt under kompression med kvalificerade 459 876 19 uppskattningar av riktningen för den genomsnittliga kraft- resultanten FR, medan samtidigt önskvärda spånvinklar för spånytan ll2a erhålles.

För ernående av de båda ovan nämnda syftena, dvs att placera skärelementet närmare under kompression vid användningen medan även en önskvärd spånvinkel åstadkommas, bör den första vinkeln/S företrädesvis hållas från 80 till 30° och helst från 65 till 500. Den andra vinkelnf bör företrädesvis hållas från 18 till 750, 'helst från 25 till 60°. Populära spånvinklar för plana spånytor uppgår till -20, -10 och OO. Om spånvinkeln skall vara ungefär -20°, bör den andra vinkeln fvara från 38 till 750, företrädesvis från 45 till 600. Om spånvinkeln skall vara -100 eller däromkring, börïvara från 28 till 650, företrädesvis från 35 till 500. Om spånvinkeln skall vara ungefär Oo, börfvara från 18 till 55°, företrädesvis från 25 till 400.

Då spånytan är krökt eller på annat sätt konkav såsom beskri- vits ovan, ändras spånvinkeln med avståndet från markforma- tionsprofilen. För ovan nämnda parametrars för vinkelnfskull är det sålunda med sådan konkava spånytor lämpligt att avse spånvinkeln vid den förhanden varande skäreggen. Då under användningen skärelementet förslites, ändras läget för skär- eggen och därmed skäreggens spånvinkel. Under normalt arbete avslutas emellertid borrningen, när slitaget högst fortskridit inåt halvvägs över spånytan. Genom lämpliga val av vinkeln Yi förhållande till den ursprungliga skäreggen, då skäl-elementet är nytt, är det möjligt att hålla vinkeln finom det önskade området av 18 till 75° och även det föredragna området 25 till 60° under åtminstone en större del av den förväntade skär- elements livslängden.

Av fig. 14 och 15 och en jämförelse mellan dessa figurer framgår, att de föredragna valen av vinklarnaß och futnyttjats med erbjudande av avsevärt stöd bakåt och sidostöd för skär- elementet. Speciellt framgår, att avsevärt borrkronkropps- material inom flänsen eller vulsten 102 understödjer eller 459 876i' 20 ligger bakom spånytan ll2a över en större del av spänytans ut- sträckning. Genom eliminering av monteringskroppens vinklade del (l08b), se fig. 3, kan, med tillåtande av att urtaget 29 delvis mynnar genom flänsens 16 ytteryta liksom genom dess främre ändyta 16a, ett stort område för vinklarnaßoch fbere- das utrymme, medan borrkronkroppens material i än större mån omsluter monteringskroppens 28 ytterände.

Det ovanstående representerar endast några få exemplifierande utföringsformer av föreliggande uppfinning, och givetvis erbjuder sig för fackmannen många modifikationer. Exempelvis är förutom de cylindriska och sfäriska spånytor, som visas i de första två utföringsformerna ovan, andra konkava kurvor såsom toroidiska eller ellipsoidiska kurvor möjliga liksom variabla kurvor, som icke bestämmer någon geometrisk standard- form. Konstruktioner liknande den som visas i fig. ll kan innefatta andra arrangemang av skärelement med större och mindre spånvinkel på borrkronkroppen. Exempelvis kan i stället för båda typer av skärelement i varje rad, alter- nerande rader anordnas med skärelement med stor respektive liten spånvinkel. De olika radernas korrekta avstånd från profilen kan erhållas genom att flänsar eller vingar_formas på borrkronkroppen såsom i fig. l och 2, varvid dock alternerande flänsar har olika tjocklekar. ' Materialen kan varieras, men i varje fall föredrages, att mon- teringskropparnas material är avsevärt hårdare än borrkron- kroppens material, samt att spånytornas material är än hår- dare, närmare bestämt "mycket hårt" enligt definitionen ovan. Även andra variationer är möjliga inom ramen för uppfinningen.

Claims (13)

1. 459 876 21 PATENTKRAV l. Släpande borrkrona, k ä n n e t e c k n a d av en borr- kronkropp (10, 100), som är anordnad för rotationsrörelse i en på förhand bestämd riktning (V) under användningen och som är försedd med en verksam ändyta (14), samt ett flertal själv- vässande skärelement (18, 34, 40) som är monterade i borr- kronkroppen och är anordnade att skära en markformation (32, 114) till en önskad tredimensionell profil, varvid varje skärelement har en tapp (28, 36, 42,'l08a), som är anordnad i ett urtag (29, 104) i borrkronkroppen och som bildar skär- elementets innerände, och en spånyta (30a, 38a, 46a-c, ll2a) i huvudsak intill dess ytterände och vänd utåt genom borrkron- kroppens ändyta samt avslutad med en yttersta skäregg (1l2b), varvid tappens oentrumlinje (C, L) lutar bakåt från ytteränden till inneränden med avseende på nämnda rörelseriktning (V) vid användning - tagen vid skäreggens (1l2b) mittpunkt (X) - under en första vinkel (ß) av från 80 till 300, varvid spån- ytan är så orienterad, att tangenten till spânytan vid skär- eggens mittpunkt och i skärelementets centrala plan (P) är anordnad under en andra vinkel (X) av från 18 till 75° med avseende på tappens centrumlinje, och varvid spånytorna (30a, 38a, 46a-c, ll2a) bildar ytor med spånvinklar, vilka blir mer negativa med ökande avstånd från profilen.

2. Borrkrona enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d av att spånytan (30a, 38a, 46a-c, 1l2a) har en spånvinkel vid skäreggen (ll2b) av ungefär -20°, varvid den andra vinkeln (X) är från 38 till 7s°.

3. Borrkrona enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d av att spånytan (30a, 38a, 46a-c, ll2a) har en spånvinkel vid skäreggen (ll2b) av ungefär -lO°, varvid den andra vinkeln (K) är från za till e5°. 459 876 22

4. Borrkrona enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d av att spånytan (30a, 38a, 46a-c, ll2a) har en spånvinkel vid skäreggen (ll2b) av ungefär 0°, varvid den andra vinkeln (X) är från 13 till 550.

5. Borrkrona enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d av att den första vinkeln (ß) är från 65 till 500, och att den andra vinkeln (K) är från 25 till 60°.

6. Borrkrona enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d av att spånytan (30a, 38a, 46a-c, ll2a) har en spånvinkel vid skäreggen (1l2b) av ungefär -20°, varvid den andra vinkeln (y) är från 45 till 6o°.

7. Borrkrona enligt patentkravet 5, knä n n e t e c k n a d av att spånytan (30a, 38a, 46a-c, ll2a) har en spånvinkel vid skäreggen (ll2b) av ungefär -lO°. varvid den andra vinkeln (K) är från 35 till so°.

8. Borrkrona enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d av att spånytan (30a, 38a, 46a-c, ll2a) 'har en spånvinkel vid skäreggen (l12b) av ungefär 00. varvid den- andra vinkeln (K) är från 25 1-.111 4o°.

9. Borrkrona enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d av att var och en av spånytorna (30a, 38a, 46a-c) har ett flertal spånvinklar, vilka blir mer negativa med ökande av- stånd från profilen.

10. Borrkrona enligt patentkravet 9, k ä n n e t e c k n a d av att var och en av spânytorna (30a, 38a) bildar en konkav kurva i planet för mätningen av spånvinklarna.

11. ll. Borrkrona enligt patentkravet 10, k ä n n e t e c k n a d av att den verksamma ändytans (14) form bildar ett flertal vulster (16, l6', 102), som var och en har en främre kantyta 459 876 23 (16a, 106), samt att skärelementens (18, 34) tappar (28, 36, 108a) är inbäddade i vulsterna, så att skärelementen är så monterade, att spånytorna är friliggande längs de främre kant- ytorna.

12. Borrkrona enligt patentkravet 11, k ä n n e t e c k n a d av att den del av var och en av monteringskropparna (28), som befinner sig mittför spånytan (30a) odh monteringskroppens sidcdelar intill spånytan (30a) i huvudsak är inbäddade i och bäres av ifrågavarande vulst (l6L

13. Borrkrona enligt patentkravet 10, k ärïn e t e c k n a d av att varje spånyta (39a) bildar en del av en cylinder.