DE1583757B1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer gesinterten Diamantbohrkrone - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen einer gesinterten DiamantbohrkroneInfo
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Description
1 2
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor- einer gesinterten Diamantbohrkrone, bei dem eine
richtung zum Herstellen einer gesinterten Diamant- Graphitform mit einem der herzustellenden Bohrbohrkrone
sowie eine nach dem Verfahren herge- krone entsprechenden Hohlraum gebildet wird, die
stellte Diamantbohrkrone. Diamanten auf zur Achse der Graphitform konzen-
Diamantbohrkronen werden im Rahmen der 5 trischen Kreisen in dieser angeordnet werden, die
Durchführung von auf Erdöl oder andere Produkte Graphitform mit einer pulverförmigen Sintermasse
gerichteten Such- und/oder Förderbohrungen in gefüllt und eine entsprechende Menge eines Binde-Untergrundgesteinsformationen
zum Drehbohren ver- mittels auf die Masse aufgebracht wird, die Graphitwendet, wobei die Bohrkrone in axialer Richtung be- form mit dem Inhalt der Sintertemperatur ausgesetzt
lastet und um ihre Mittelachse gedreht wird, so daß ίο und die fertiggesinterte Diamantbohrkrone der Form
die Diamanten auf das Gestein schürfend einwirken. entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Bohrkronen dieser Art sind insbesondere zum Boh- Bildung der Graphitform eine Mischung von Graren
durch tiefe, schleifend wirkende, harte Gesteins- phitteilchen und Flüssigkeit in eine becherförmige,
schichten geeignet, da ihre Haltbarkeit beim Bohren biegsame Membrane eingebracht und ein Modell der
durch solche Formationen größer ist als die Haltbar- 15 Bohrkrone durch eine angepaßte Aussparung einer
keit jeder anderen Art von Gesteinsbohrern, beispiels- die becherförmige Membrane abdeckenden Platte in
weise auch eines Rollmeißels. Folglich muß die die Mischung eingeführt wird, ein Teil der Flüssig-Diamantbohrkrone
weniger oft als eine andere Bohr- keit aus der Mischung durch Aufbringen eines gleichkrone
ersetzt werden. Die vergleichsweise hohen mäßig auf die Außenseite der Membrane wirkenden
Material- und Herstellungskosten der Diamantbohr- 20 Flüssigkeitsdrucks ausgepreßt und dieser Flüssigkeitskrone werden durch den Vorteil der Verringerung druck anschließend auf Atmosphärendruck reduziert
der Austauschzeit der verbrauchten Bohrkronen bald wird, das Modell durch die Aussparung zurückgeaufgewogen.
zogen, die Graphitform aus der Membrane entnom-
Es hat sich jedoch gezeigt, daß die mittels der be- men und die in die Graphitform gefüllte Sintermasse
kannten Diamantbohrkronen erzielten Bohrergeb- 25 ohne Preßdruck gesintert wird,
nisse hinter den Erwartungen zurückbleiben, die sich Die Vorrichtung zum Herstellen der Graphitform
auf einen Einsatz der Diamanten in Gesteinsforma- umfaßt ein nach oben offenes Gehäuse, mit dessen
tionen gründen. Bei den bekannten Diamantbohr- Rand eine die Gehäusewandung bedeckende becher-
kronen sind die Diamanten nämlich einer Beschädi- förmige flexible Membrane abdichtend verbunden ist,
gung ausgesetzt, so daß die Betriebszeit dieser Bohr- 30 und eine an eine Druckquelle angeschlossene Verbin-
kronen relativ niedrig ist. dungsleitung, die in die Gehäusekammer mündet.
Es wurde nunmehr festgestellt, daß verbesserte Eine derartige Vorrichtung ist bereits aus der Gieße-
Ergebnisse mit Diamantbohrkronen erzielt werden reitechnik bekannt, wo sie zum Verdichten von in
können, wenn die Diamanten mit größerer Genauig- Formkästen eingefülltem Formsand dient. Diese be-
keit als bisher in den Bohrkronen angeordnet werden. 35 kannte Vorrichtung kann jedoch nicht für die Her-
Die bei der von Hand vorgenommene Herstellung der stellung von Graphitformen verwendet werden, die
Graphitformen erhaltenen Toleranzen bei der An- beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung
Ordnung der Diamanten wurden bisher als zweck- von Diamantbohrkronen benötigt werden. Erfin-
entsprechend angesehen, und die Anstrengungen zur dungsgemäß ist die bekannte Vorrichtung weiterge-
Verbesserung der mit Diamantbohrkronen erzielten 40 bildet und dadurch gekennzeichnet, daß an der offe-
Ergebnisse richteten sich auf die Art, in der die Dia- nen Seite des Gehäuses eine Platte mit einer Aus-
manten auf der Oberfläche der Bohrkrone gruppiert sparung angebracht ist, die dem Querschnitt des
wurden und auf die Anordnung der Spülkanäle auf Bohrkronenmodells entspricht und kleiner als der
dieser Oberfläche unter Berücksichtigung der Anord- Öffnungsquerschnitt des Gehäuses ist.
nung der Diamanten. 45 Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung wird das
Die vorerwähnte Herstellung der Graphitformen Modell durch die Aussparung in die Gehäusekammer
von Hand umfaßt das teilweise Füllen eines becher- eingeführt, wobei der Aussparungsrand das Modell
förmigen Behälters mit einer Mischung aus Graphit- mit engem Sitz umschließt. Vor der Einführung des
teilchen und Flüssigkeit, das teilweise Eindrücken Modells wird die becherförmige Membrane teilweise
eines Modells in diese Mischung sowie das Auffüllen 50 mit einer Mischung aus Graphitteilchen und Flüssigdes
Ringraums zwischen der Behälterwand und dem keit gefüllt. Da die becherförmige Membrane die geModell
mit einer weiteren Menge dieser Mischung, samte Oberfläche des Modells umgibt, soweit dieses
die durch Fingerdruck verdichtet wird. in die Gehäusekammer eingeführt ist, ist die Ver-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein ver- dichtung der Mischung im wesentlichen über die gebessertes
Verfahren zum Herstellen einer gesinterten 55 samte Oberfläche des Modells konstant, wenn der
Diamantbohrkrone zu schaffen, das darauf ausgerich- Druck auf der Außenseite der becherförmigen Memtet
ist, eine möglichst genaue Anordnung der Dia- brane erhöht wird. Dementsprechend wird die Ausmanten
in dem gesinterten Bohrkronenkörper sicher- dehnung der Graphitform nach der Druckentlastung
zustellen, um die während des Bohrens auf die Bohr- und nach dem Entfernen des Modells für alle Teile
krone wirkende Belastung möglichst gleichmäßig auf 60 der Graphitform im wesentlichen gleich sein, so daß
alle Diamanten zu verteilen. Dadurch wird zugleich die Abmessungsunterschiede zwischen der Graphiteine
Diamantbohrkrone geschaffen, die mit einer be- form und den entsprechenden Abmessungen des
sonders kleinen Zahl von Diamanten zur Ausübung Modells im wesentlichen gleich sein werden,
der erforderlichen Schleifwirkung auskommt, wobei Ferner verwenden die bekannten Vorrichtungen die Diamantbohrkrone in geringerem Maße als bis- 65 Membranen, mit denen nur ein einseitig gerichteter her einer Zerstörung oder Beschädigung der Diaman- Druck auf das zu formende Material ausgeübt werden ten infolge einer Überbelastung unterworfen ist. kann. Daher ist die Materialverdichtung über die
der erforderlichen Schleifwirkung auskommt, wobei Ferner verwenden die bekannten Vorrichtungen die Diamantbohrkrone in geringerem Maße als bis- 65 Membranen, mit denen nur ein einseitig gerichteter her einer Zerstörung oder Beschädigung der Diaman- Druck auf das zu formende Material ausgeübt werden ten infolge einer Überbelastung unterworfen ist. kann. Daher ist die Materialverdichtung über die
Erfindungsgemäß ist das Verfahren zum Herstellen Oberfläche des Modells ungleichmäßig, so daß nach
der Druckentlastung und dem Entfernen des Modells die Ausdehnung der Form in der Richtung größer ist,
in der der Druck wirksam war. Dementsprechend führt eine solche nicht gleichförmige Ausdehnung
über die Oberfläche der Form zu Unterschieden zwischen der Form und dem Modell, die nicht über die
gesamte Oberfläche des Modells gleich sind, wie es bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
der Fall ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich sicherstellen, daß die Abstände zwischen der zentralen
Bohrkronenachse der Diamantbohrkrone und den wirksamen Spitzen der Diamanten, die auf gemeinsamen,
konzentrischen Kreisen angeordnet sind, um höchstens 0,1 mm differieren, wobei die Messung
senkrecht zu dem von der Bohrkrone geschnittenen Bodenprofil erfolgt.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand schematischer
Zeichnungen von zwei Ausführungsbeispielen der Diamantbohrkrone sowie einem Ausführungsbeispiel
für die zur Herstellung verwendete Vorrichtung näher erläutert.
F i g. 1 zeigt die schneidende Kopfseite der gesinterten erfindungsgemäßen Diamantbohrkrone in
Richtung von Pfeil I in F i g. 2,
F i g. 2 einen Querschnitt dieser Bohrkrone nach der Linie II-II in F i g. 1,
F i g. 3 Querschnitte von kammartigen Erhebungen der Bohrkrone in vergrößertem Maßstab,
F i g. 4 ähnliche Querschnitte wie F i g. 3, aber mit kammartigen Erhebungen verschiedenartiger Form,
und
F i g. 5 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung einer
Graphitform der Bohrkrone, die beim Sintervorgang verwendet werden soll.
Wie F i g. 2 zeigt, enthält die Bohrkrone 1 einen Schaft 2, dermit einer Verbindungseinrichtung, wie z. B.
einem Schraubengewinde, versehen ist, um die Bohrkrone über ein Rohrverbindungsstück (nicht dargestellt)
mit dem Bohrgestänge zu verbinden. Der Schaft 2 ist mit der gesinterten Masse 4 verbunden,
weiche mit kammartigen Erhebungen 5 (F i g. 1) — die sternförmig in bezug auf die Mittelachse der
Bohrkrone angeordnet sind — versehen ist. Im Sinterkörper 4 ist ein Kanal 6 vorgesehen, der eine
Verbindung zum Hohlraum 7 des Schaftes 2 herstellt, wodurch ein Ausströmen der Bohrflüssigkeit aus dem
Bohrgestänge zur Unterseite der Bohrkrone 1 während des Bohrens ermöglicht wird.
Die Diamanten 8 werden derart in die kammartigen Erhebungen eingesetzt, daß die Diamanten auf
Kreisen verlegt sind, die ihren Mittelpunkt in der Mittelachse der Bohrkrone haben. Vorzugsweise bildet
jeder Diamant 8 zusammen mit Diamanten 8 in anderen kammartigen Erhebungen 5 einen Satz von
Diamanten, die auf einem gemeinsamen Kreis angeordnet sind. F i g. 3 zeigt z. B. Querschnitte von drei
kammartigen Erhebungen 5, deren Diamanten einem gemeinsamen Kreis angehören.
Wie aus der folgenden Beschreibung des Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Bohrkrone
zu ersehen ist, werden die Diamanten bei der Herstellung der Bohrkrone am Boden von in der
Graphitform vorgesehenen Kanälen angeordnet; die Form wird nachfolgend mit einer Pulvermasse gefüllt,
die sich nach Zugabe eines Bindemittels zum Sintern zu einem einzigen Körper bei einer geeigneten Temperatur
eignet. Auf diese Weise werden die Diamanten 8, wie F i g. 3 zeigt, den unteren Rand der kammartigen
Erhebungen 5 berühren.
Während des Einsatzes einer Bohrkrone, welche die Diamanten 8 in kammartigen Erhebungen 5 nach
den Fig. 1 bis 3 angeordnet aufweist, wird jeder Satz
der Diamanten, die sich auf einem gemeinsamen Kreis befinden, das Gestein entlang einer gemeinsamen
Spur bearbeiten. Eine gleichmäßige Verteilung
ίο der Belastung der Diamanten, die gleichmäßig entlang
eines gemeinsamen Kreises verteilt sind, ist nur dann möglich, wenn die Abstände D zwischen der
Achse A-A der Bohrkrone und den schneidenden Spitzen der Diamanten, die einem gemeinsamen Kreis
angehören, deren Messung senkrecht zum Bodenprofil B. P. — das von der Bohrkrone durchschnitten
werden soll — erfolgt, gleich sind. Dies war bei der Arbeitsweise der bisher angewendeten Verfahren zur
Herstellung von Bohrkronen nicht möglich. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden
jedoch diese Abstände D nur innerhalb einer äußerst kleinen Fehlergrenze variieren. Tatsächlich werden
die Abweichungen höchstens 0,1 mm betragen.
Aus diesem Grunde werden die in den erfindungsgemäßen Bohrkronen entlang eines gemeinsamen
Kreises gleichmäßig verteilten und somit in einer Spur schneidenden Diamanten im wesentlichen
gleichmäßig belastet sein. Folglich wird keine Überbelastung der Diamanten auftreten. Diese Überbelastung
würde normalerweise ein aufeinanderfolgendes Brechen der Diamanten verursachen, es sei denn,
daß man die Gesamtbelastung der Bohrkrone verringert, was jedoch wieder ein Herabsetzen des Eindringungsgrades
der Bohrkrone bewirken würde.
Bei Verwendung der Bohrkrone gemäß vorliegender Erfindung wird jedoch die Belastung gleichmäßig
auf alle in der Bohrkrone angeordneten Diamanten verteilt, was eine maximale Belastung eines jeden der
vorliegenden Diamanten zuläßt. Auf diese Weise kann ein bedeutender Eindringungsgrad mit einer
Mindestanzahl von Diamanten erhalten werden.
Die Anzahl der Diamanten, die einem gemeinsamen Kreis angehören, braucht nicht der Anzahl der
kammartigen Erhebungen gleich zu sein. In einer Bohrkrone, die neun kammartige Erhebungen aufweist,
können die Diamanten z. B. auf gemeinsame Kreise gesetzt werden, die drei oder neun Diamanten
enthalten.
Wenn möglich, werden die Diamanten gleichmäßig über den gemeinsamen Kreis verteilt, oder sie werden in Gruppen angeordnet über den gemeinsamen Kreis aufgeteilt, um für eine ausgewogene Anordnung zu sorgen. In der Bohrkrone, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, variieren die Abstände zwischen den entsprechenden Punkten der kammartigen Erhebungen der Bohrkrone, in welchen die Diamanten verlegt sind und der Achse A-A der Bohrkrone um höchstens 0,05 mm, wenn senkrecht zum Bohrprofil B. P., das durch die Bohrkrone geschnitten werden soll, gemessen wird.
Wenn möglich, werden die Diamanten gleichmäßig über den gemeinsamen Kreis verteilt, oder sie werden in Gruppen angeordnet über den gemeinsamen Kreis aufgeteilt, um für eine ausgewogene Anordnung zu sorgen. In der Bohrkrone, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, variieren die Abstände zwischen den entsprechenden Punkten der kammartigen Erhebungen der Bohrkrone, in welchen die Diamanten verlegt sind und der Achse A-A der Bohrkrone um höchstens 0,05 mm, wenn senkrecht zum Bohrprofil B. P., das durch die Bohrkrone geschnitten werden soll, gemessen wird.
Der Eindringungsgrad kann weiterhin verbessert werden, indem die Diamanten 10 in einer in F i g. 4
angezeigten Weise angeordnet werden. Es werden kammartige Erhebungen 11 angewendet, welche an
Stelle flacher Oberseiten solche aufweisen, die aus einer Fläche 12 und einer Fläche 13, die in einem
stumpfen Winkel zur Fläche 12 angeordnet ist, bestehen. Wenn die Kanäle in der Graphitform Boden-
flächen 12 und 13 aufweisen, die mit den Flächen, welche in Fig. 4 gezeigt sind, identisch sind, werden
die Diamanten 10, welche in diese Kanäle gelegt
werden — vorausgesetzt, daß sie weder zu groß noch zu klein sind —, beide Flächen 12 und 13 in jeder
kammartigen Erhebung berühren. Folglich wird die auf der Fläche 12 liegende Berührungsstelle 14 weniger
schnell abstumpfen als die Berührungsstelle 9 in der in F i g. 3 gezeigten Konstruktion. Die Breite der
Flächen 12 wird im Verhältnis zu den Abmessungen der verwendeten Diamanten 8 gewählt. Aus diesem
Grunde müssen alle Diamanten innerhalb einer bestimmten Größe liegen. Wenn die Abmessungen eines
Diamanten zu groß sind, so wird der Diamant keinen Berührungspunkt mit der Fläche 12 aufweisen, wie
dies durch den Diamanten 10' in der kammartigen Erhebung 1Γ gezeigt wird. Gewünschtenfalls können
die Seitenwände der kammartigen Erhebungen 5 in der in den F i g. 3 und 4 durch die strichlierte Linie
gezeigten Art und Weise gestaltet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die Bohrkrone, die in den F i g. 1 bis 4 der Zeichnungen gezeigt wurde, beschränkt,
und es sind mannigfache Abänderungen möglich. So ist es nicht notwendig, daß die kammartigen
Erhebungen 5 oder 11 sternförmig in bezug auf die Achse der Bohrkrone angeordnet sind, wie
dies in F i g. 1 gezeigt wird, sondern sie können auch so verlegt sein, daß sie bei der Ansicht aus Richtung
des Pfeiles I einen gemeinsamen Kreis berühren, der seinen Mittelpunkt in der Achse der Bohrkrone hat.
Die kammartigen Erhebungen können auch in einer Projektion rechtwinklig zur Achse der Bohrkrone gebogen
sein. In einer anderen Ausführungsform können die kammartigen Erhebungen mehr oder weniger
konzentrisch im Hinblick auf die Achse der Bohrkrone angeordnet sein.
Obwohl in Fig. 1 gezeigt wird, daß der Spülkanal
6 bezüglich der Mittelachse der Bohrkrone 1 konzentrisch angeordnet ist, kann dieser Kanal
ebenso auch exzentrisch angeordnet sein, was z. B. dann erwünscht sein wird, wenn in dem Gestein, das
gebohrt wurde, kein Kern zurückgelassen werden soll.
Die Gestaltung der Teile des Bohrkronenkörpers, die zwischen den kammartigen Erhebungen 5 liegen,
kann in jeder passenden Weise erfolgen, vorausgesetzt, daß sie sowohl zur Führung der Spülflüssigkeit
aus der Öffnung 6 zu den Seiten des Bohrkronenkörpers und entlang der Diamanten 8 geeignet ist als
auch eine leichte Entfernung der durch die Diamanten 8 geschnittenen Splitter ermöglicht.
Weiterhin ist die Erfindung nicht auf die Form des Schaftes 2 beschränkt, der zur Verbindung der Bohrkrone
mit dem Bohrgestänge über ein Rohrverbindungsstück verwendet wird. Gewünschtenfalls kann
der Schaft 2 eine zylindrische Form haben. Bei einer anderen Art sind mehrere kleine Zylinder im Kronenkörper
4 eingebaut, welche Zylinder mit mit Schraubengewinden versehenen Öffnungen ausgestattet sind,
um einen Flansch daran mittels Bolzen zu verbinden. Der Flansch kann mit Einrichtungen versehen sein,
um diesen mit dem Bohrgestänge, dem Verbindungsstück zwischen Bohrkrone und Bohrrohr oder einem
Rohrverbindungsstück zu koppeln, oder er kann einen Teil der letzteren Mittel darstellen.
Das Verfahren zur Herstellung einer gesinterten Diamantbohrkrone wird nachstehend näher beschrieben.
Um die erforderliche Genauigkeit in der Anordnung der Diamanten zu erhalten, wurde eine spezielle
Methode der Formenherstellung entwickelt, mit der eine Graphitform erhalten wird, in der die Bohrkrone
gesintert werden kann. Eine Vorrichtung, in welcher eine solche Methode ausgeführt werden kann, ist aus
F i g. 5 der Zeichnung ersichtlich. Die Formenherstellungsvorrichtung umfaßt ein Gehäuse 21, das
einen becherförmig ausgebildeten Innenteil besitzt, welcher an seiner Oberseite offen ist. Eine Platte 22,
die mit einer Aussparung 23 versehen ist, ist auf der
ίο Oberseite des Gehäuses angeordnet und wird durch
das Gehäuse 21 zentriert und unterstützt. Ein Ring 24 ist mit dem Gehäuse 21 durch geeignete Mittel,
wie z. B. Bolzen, verbunden, um eine biegsame Membrane 26 (welche z. B. aus Gummi hergestellt ist) am
Gehäuse 21 zu befestigen.
Auf dem Gehäuse 21 und der Platte 22 ist ein Brückenteil 27 mittels Bolzen 28 (von denen nur
einer dargestellt ist) montiert, die in einen Flansch 29 des Brückenteiles 27 und der senkrechten Wand des
Gehäuses 21 eingebaut werden.
Ein Rundstab 30 ist mit einem Flansch 31 versehen, an dem ein Modell 32 der herzustellenden
Bohrkrone durch Bolzen 33 verbunden wird. Der Rundstab 30 ist im Brückenteil 27 verschiebbar angeordnet,
wobei dessen Verdrehung durch eine durch einen Bolzen 35 mit dem Flansch 31 verbundene
Führungsbacke 34 verhindert wird. Die Führungsbacke 34 arbeitet zusammen mit einem Führungsteil
36, der durch Bolzen 37 mit dem Brückenteil 27 verbunden ist.
Der Rundstab 30 kann sowohl hinsichtlich des Brückenteiles 27 als auch des Gehäuses 21, auf welchem
der Brückenteil 27 montiert wurde, durch Drehung eines Mutternteiles 38 im. Zusammenwirken
mit einem Schraubengewinde auf dem Brückenteil 27 in vertikaler Richtung bewegt werden. Der Mutternteil
38 ist im axialen Sinne in bezug auf den Rundstab 30 festgehalten und kann frei um diesen gedreht
werden.
Auf der Innenwand des Gehäuses 21 ist ein Netzwerk niedriger Kanäle 39 angeordnet, das mindestens
an einer Stelle mit einem Druckerzeuger (nicht dargestellt) verbunden ist. Schließlich führt eine Ausbohrung
40 durch die Wand des Gehäuses 21, und geeignete Rohrleitungen 41 stehen sowohl mit den
Kanälen 39 als auch mit der Ausbohrung 40, die zum Druckerzeuger führt, in Verbindung.
Der Druckerzeuger (nicht dargestellt) steht mit der Ausbohrung 40 in Verbindung und ist so beschaffen,
daß Drücke, die sowohl höher als auch niedriger als der Atmosphärendruck sind, erzeugt werden
können.
Um in der Graphitform eine genaue negative Abbildung der herzustellenden Bohrkrone zu erhalten,
wird ein Modell der Bohrkrone hergestellt, das genau die gleiche äußere Form kammartiger Erhebungen 5,
des Kanals 6 wie der Bohrkrone in Fi g. 1 aufweist. Der Einfachheit halber wurde jedoch in F i g. 5 nur der
Kanal 6' im Modell 32 dargestellt. Das Modell 32 wird vorzugsweise aus Metall hergestellt, welches sehr
sorgfältig maschinell bearbeitet wurde. Die Abweichung in den Abständen zwischen der Achse des
Modells und den Stellen auf den kammartigen Erhebungen, wo die eine gemeinsame Spur schneidenden
Diamanten verlegt sind, ist maximal 0,02 mm, senkrecht zum Bodenprofil des Modells gemessen.
In der in F i g. 5 gezeigten Lage paßt das Modell 32 genau mit seinem oberen Ende in die Aussparung
23 in der Platte 22, ohne jedoch diese Aussparung abzudichten. Um das Abfließen der Flüssigkeit zu
ermöglichen, die aus der Flüssigkeit-Graphit-Mischung herausgepreßt wird, um letztlich die Graphitform
45 zu bilden, sind geeignete Kanäle und Rohrleitungen (wie 42, 43 und 44) in der Platte 22,
im Modell 32 und zwischen Modell 32 und Flansch
31 vorgesehen.
Bei dem besonderen, in der Zeichnung dargestellten Modell 32 wurde der untere Innenteil konisch geformt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber nicht nur auf die Verwendung einer Modelltype, wie sie
durch die Zeichnung wiedergegeben wird, beschränkt, sondern kann für jedes andere Modell in gleicher
Weise angewendet werden. Gewünschtenfalls können auch andere Kanäle als der Kanal 6' im Modell 32
vorgesehen sein. Diese Kanäle dienen im gesinterten Bohrkronenkörper als Spülkanäle, um den Strom der
Bohrflüssigkeit an die Teile der Bohrkrone und/oder des Bohrloches zu führen, die eine solche Bohrflüssigkeit
benötigen. Da die Form und Anordnung solcher Durchströmkanäle an sich bekannt sind und keinen
Teil der Erfindung darstellen, werden diese Kanäle nicht ausführlich beschrieben. Es ist aber zu beachten,
daß die im Modell 32 angeordneten Kanäle so ausgebildet sein sollen, daß sich das Modell nach
dem Formen leicht aus der Graphitform entfernen läßt, ohne daß hierbei die Kanäle, die in der Form
durch die kammartigen Erhebungen auf dem Modell
32 entstehen, beschädigt werden.
Das unter Verwendung der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung angewendete Verfahren zur
Herstellung der Graphitform wird im folgenden näher beschrieben.
Nachdem der Brückenteil 27 und das Modell 32 vom Gehäuse 21 abgenommen wurden, wird der
Raum innerhalb der becherförmigen biegsamen Membrane 26 teilweise mit einer im wesentlichen aus
Graphitteilchen und Flüssigkeit, wie Wasser, bestehenden Mischung gefüllt. Dann wird der Brückenteil
27, der das Modell 32 entweder in der ausgefahrenen oder in irgendeiner anderen Lage enthält, auf
das Gehäuse 21 aufgesetzt und mit diesem mittels Bolzen 28 verbunden. Wenn sich das Modell 32 nach
der Montage des Brückenteils 27 auf das Gehäuse 21 in bezug auf den Brückenteil 27 in der nicht ausgefahrenen
Lage befindet, wird das Modell durch Drehen der Mutter 38 in die in F i g. 5 angegebene
Lage gebracht.
In der Folge wird eine Flüssigkeit, vor allem Öl, unter Druck aus einem geeigneten Druckerzeuger
(nicht dargestellt) über die Rohrleitungen 40, 41 zu den in der Innenwand des Gehäuses 21 angeordneten
Kanälen 39 geliefert. Durch das Netzwerk der Kanäle 39 wird die Flüssigkeit von Anfang an über die Oberfläche
der Membrane 26 verteilt, wobei Druckkräfte auf die innerhalb der Membrane befindliche Graphit-Flüssigkeits-Mischung
ausgeübt werden. Dadurch wird ein Teil der Flüssigkeit aus der Mischung verdrängt
und über die Leitungen 42, 43 und 44 und den engen Spalt zwischen der Wand der Aussparung 23
und dem Modell 32 zum Abfließen gebracht. Der enge Spalt läßt den Durchzug von Wasser und Luft
zu, verhindert aber den Durchtritt von Graphitteilchen. Dadurch wird die Mischung verdichtet.
Der Druck, der auf die Außenseite der Membrane 26 ausgeübt wird, soll so gleichmäßig wie möglich
sein. Wird eine Pumpe zur Erhöhung des Flüssigkeitsdruckes verwendet, so muß dafür gesorgt werden,
daß die Druckänderungen relativ klein sind und nur etwa 5 °/o des Durchschnittsdruckes betragen. Es wird
jedoch bevorzugt, ein aus einer Gasflasche stammendes Druckgas als Druckerzeuger zu verwenden. Gewünschtenfalls
kann das Gas direkt dem Raum zwischen Membrane 26 und dem Gehäuse 21 zugeführt werden, oder es wird in einen Flüssigkeitsbehälter
geleitet, der an seinem unteren Ende über eine Rohrleitung mit dem genannten Raum in Verbindung
steht.
Wenn die Druckschwankungen zu groß sind, dann werden die Graphitteilchen nicht gleichmäßig zusammengedrückt,
was sich in Abweichungen in der Form in bezug auf das Modell 32 auswirkt; solche Abweichungen
beeinflussen die Lebensdauer der in dieser Form gesinterten Bohrkrone ungünstig.
Es wurde gefunden, daß die gleichmäßigste Struktur der Graphitform erhalten wird, wenn der Druckanstieg,
der der Druckperiode des Verfahrens vorangeht, sehr schnell, vorzugsweise innerhalb einiger
Sekunden, erfolgt.
Die Dauer der Periode, während der die Form Druckkräften ausgesetzt ist, wird experimentell für
jede Mischung bestimmt. Die Druckperiode ist zu Ende, nachdem eine maximale Verdichtung der
Mischung erreicht wurde und keine Flüssigkeit mehr aus den obengenannten Rohrleitungen 42, 43 und 44
und dem engen Spalt zwischen der Aussparung 23 und dem Modell 32 entweicht.
Danach wird der Druck von der Außenseite der becherförmigen Membrane 26 entfernt und das
Modell 32 sorgfältig durch Drehen der Mutter 38 aus der Aussparung 23 gehoben und herausgezogen. Dies
ist nur dann möglich, wenn die Teile des Modells 32 so entworfen wurden, daß sie nach unten leicht konisch
verlaufen. Diese Teile lösen sich während der Aufwärtsbewegung des Modells leicht selbst von den
entsprechenden Teilen der Form, ohne daß diese beschädigt werden.
Nachdem das Modell 32 durch die Aussparung 23 gehoben wurde, werden der Brückenteil 27 und die
Platte 22 abgenommen, worauf dann die Graphitform 45 aus dem Gehäuse 21 entfernt wird, was z. B.
durch Lösen des Ringes 24 und das Herausheben der Membrane 26 zusammen mit der Form 45 aus dem
Gehäuse 21 oder durch Umkehrung des Gehäuses 21 mit der Form oder durch Einspritzen einer Flüssigkeit
über die Ausbohrung 40 erfolgen kann.
Das restliche Wasser, das nicht durch die Druckbehandlung der Form entfernt werden konnte, wird
nun daraus entfernt, indem z. B. die Form bei Zimmertemperatur getrocknet oder einem mäßigen
Erhitzen ausgesetzt wird.
Danach ist die Form für den Sintervorgang fertig. Schließlich werden die Diamanten sorgfältig entlang
von Kreisen in die Kanäle, die durch die kammartigen Erhebungen des Modells 32 in der Form gebildet
wurden, gesetzt. Dank des erfindungsgemäßen Formenhersteliungsverfahrens ist die Form ein sehr genaues
Negativ des Modells 32.
Durch Anwendung kleinerer Mengen eines Haftmittels werden die Diamanten beim Einfüllen des
zum Sintern geeigneten Pulvermaterials in die Form auf ihren Plätzen festgehalten. Gewünschtenfalls wird
ein Schaft, der sich zum Verbinden der gesinterten Bohrkrone mit dem Bohrgestänge usw. eignet, in die
Form eingebracht (vgl. zum Beispiel F i g. 2, die die
009520/70
9 10
Lage des Schaftes 2 in bezug auf die aus einer ge- manten, Pulver, Bindemittel und fakultativ auch
sinterten Masse bestehenden Bohrkrone 4 zeigt). einen Schaft für Kupplungszwecke enthält, wird,
Der Schaft 2 kann aus einem Material bestehen, nachdem sie in den Sinterofen gebracht wurde, auf
das den gleichen oder ungefähr gleichen Ausdeh- die Sintertemperatur des Pulvers erhitzt, um ohne
nungskoeffizienten wie das zu sinternde Pulver auf- 5 Verbrennen der Diamanten einen einheitlichen Körweist.
Dadurch werden unerwünschte Spannungen, per herzustellen. Da solche Verfahren an sich bedie
bei einem Temperaturwechsel während des kannt sind, werden hier keine Einzelheiten über
Sintervorganges sowohl innerhalb der Sintermasse als Sintertemperatur und Sinterzeiten für die verschieauch
innerhalb der Form auftreten wurden, verhin- denen zur Anwendung kommenden Sinterwerkstoffe
dert. Solche Spannungen würden auch den Umriß io und Bindemittel angegeben.
der Bohrkrone verzerren und dadurch die Diamanten An Hand eines Beispiels sollen einige Details über
derart versetzen, daß die während des Bohrens auf das Formenherstellungsverfahren und über die Sinte-
der Bohrkrone liegende Belastung ungleich auf die rung einer Diamantbohrkrone 6" gegeben werden.
Diamanten verteilt sein würde. Die Bohrkrone hatte eine Form, die der Form des
Die pulverförmige Sintermasse kann aus Wolfram 15 Modells 32 in F i g. 5 entspricht. Die Membrane hatte
und Wolframkarbid bestehen, und der Schaft 2 kann einen Durchmesser von etwa 210 mm, war etwa 1 mm
aus Wolfram hergestellt sein, und zwar entweder aus stark und aus Gummi hergestellt. Die Abweichungen
einem Wolframblock oder aus einem Wolframpulver. der Spitzen der kammartigen Erhebungen (F i g. 1)
Der Schaft 2 kann aus Wolfram gesintert werden. an konzentrischen Kreisen wurden gemessen, und die
Das Schraubengewinde 3 wird nach der Sinterung 20 größte Abweichung in den Abständen zwischen die-
geschnitten. sen Spitzen und der Achse des Modells 32 (F i g. 5)
Wenn der Schaft 2 aus Pulver gebildet wird, so war 0,02 mm, wenn senkrecht zum Bodenprofil gekann
eine Graphitform (nicht dargestellt) zur Her- messen wurde, das durch eine Bohrkrone gemäß
stellung der Außenkonturen des Schaftes verwendet Modell 32 geschnitten werden soll,
werden. Das Schraubengewinde kann in der Graphit- 25 Eine Mischung aus 60% Graphitteilchen und
form gebildet oder später in den Schaft geschnitten 40% Wasser wurde in die Membrane 26 eingefüllt,
werden. Danach wurde das Modell 32 in der in der Zeichnung
Der Schaft 2 wird vorzugsweise in eine ringförmige gezeigten Lage festgemacht und Öl unter Druck der
Vertiefung des gesinterten Kronenkörpers 4 einge- Ausbohrung 40 zugeführt. Innerhalb 5 Sekunden war
baut, worauf der Schaft 2 an den Körper 4 gelötet 3° der Druck im Raum zwischen Membrane 26 und der
wird. Innenwand des Gehäuses 21 von 1 kp/cm2 auf
Bevor die Form zusammen mit den Diamanten und 30 kp/cm2 gestiegen. Dieser Druck wurde 120 Minu-
dem Sinterpulver in den Sinterofen gebracht wird, ten lang aufrechterhalten, währenddessen das Wasser
wird eine Menge eines Bindemittels (z. B. Neusilber, aus der Mischung gepreßt und die Mischung verdich-
wenn Wolfram und/oder Wolframkarbidpulver ge- 35 tet wurde. Danach wurde der Druck wieder auf
sintert wird) in das Pulver eingebracht. Um ein Ver- Atmosphärendruck verringert. Dann wurde das
ziehen während des auf den Sinterprozeß folgenden Modell 32 von der Graphitform abgehoben, und die
Abkühlungsvorganges zu verhindern, wurde gefun- Platte 22 und der Ring 24 wurden entfernt, um das
den, daß die Menge des Bindemittels nicht größer als Herausnehmen der Form 45 aus der Vorrichtung zu
das Porenvolumen der Pulvermasse sein soll. Werden 40 ermöglichen.
größere Mengen an Bindemittel angewendet, so bleibt Nach dem Abheben der Graphitform wurde das
das Bindemittel in flüssiger Form oben auf dem in den Poren der Graphitform zurückgebliebene
Pulver und verfestigt sich an Ort und Stelle, wodurch Wasser durch allmähliches Erhitzen der Form von
ein Verziehen des Bohrkronenkörpers verursacht Zimmertemperatur auf 120° C während eines Zeitwird,
was wieder eine ungleiche Lastverteilung über 45 raumes von 40 Stunden entfernt. Danach wurde die
die Diamanten zur Folge hat, wenn die Bohrkrone Form langsam abgekühlt. Gegebenenfalls kann die
beim Bohren eines Loches durch ein Gesteinsmaterial Trocknung auch im Sinterofen ausgeführt werden,
unter Belastung gedreht wird. indem die Form samt Diamanten, Pulver und Binde-
Gewünschtenfalls kann die Graphitform verfestigt mittel langsam aufgeheizt wird.
werden, indem sie an ihrer Außenseite z. B. durch 5° Die in dieser bestimmten Bohrkrone verwendeten
Einlegen in einen becherförmigen Stützkörper, der Diamanten waren zwischen V7 und 1A Karat und
aus Graphit hergestellt sein kann, unterstützt wird. wurden in Kanälen der Form, die entsprechend den
Vorzugsweise wird ein Graphitbecher verwendet, der kammartigen Erhebungen 11 gemäß Fig. 4 gestaltet
aus einem festen Graphitblock, z. B. durch Drehen waren, angewendet. Die Breite der Flächen 12 war
auf einer Drehbank, hergestellt wurde. Wenn nötig, 55 0,8 mm.
wird die Außenseite der Graphitform so geformt, daß Nachdem die Diamanten durch ein geeignetes
sie mit der Innenwand des becherförmig ausgebilde- Haftmittel an ihre Plätze geklebt worden waren,
ten Stützkörpers zusammenpaßt, was durch Abscha- wurde Wolframkarbidpulver in die Form geschüttet,
ben des unerwünschten Graphits von der Außenseite Nachfolgend wurden oben auf das Pulver 3 kg Neu-
der Form erreicht wird. 60 silber gegeben und in inerter Atmosphäre während
Eine Verfestigung der Form durch Einbringen von 2,5 Stunden auf 1120° C erhitzt. Das nachfolgende
Verstärkungen in die Graphit-Flüssigkeits-Mischung, Abkühlen des gesinterten Körpers auf Zimmertempe-
bevor diese gepreßt wird, wird nicht als vorteilhaft ratur dauerte 12 Stunden.
angesehen, weil dies Verzerrungen der Graphitform Danach wurde die gesinterte Bohrkrone auf einen
während des Herstellungsverfahrens und/oder wäh- 65 Meßstand gebracht, um die größten Abweichungen
rend der Sinterung hervorrufen kann. in den Abständen zwischen den schneidenden Spitzen
Die Graphitform, die eventuell durch einen becher- der Diamanten, die einem gemeinsamen Kreis an-
förmigen Körper unterstützt wird und welche Dia- gehören, und der Mittelachse zu bestimmen, wenn
senkrecht zum Bodenprofil, das durch die Bohrkrone geschnitten werden soll, gemessen wird. Die größte
Abweichung war 0,1mm. Für etwa 75% der Diamanten war die Abweichung 0,05 mm oder auch
weniger.
Claims (7)
1. Verfahren zum Herstellen einer gesinterten Diamantbohrkrone, bei dem eine Graphitform
mit einem der herzustellenden Bohrkrone entsprechenden Hohlraum gebildet wird, die Diamanten
auf zur Achse der Graphitform konzentrischen Kreisen in dieser angeordnet werden,
die Graphitform mit einer pulverförmigen Sintermasse gefüllt und eine entsprechende Menge
eines Bindemittels auf die Masse aufgebracht wird, die Graphitform mit dem Inhalt der Sintertemperatur
ausgesetzt und die fertiggesinterte Diamantbohrkrone der Graphitform entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur
Bildung der Graphitform eine Mischung von Graphitteilchen und Flüssigkeit in eine becherförmige,
biegsame Membrane eingebracht und ein Modell der Bohrkrone durch eine angepaßte Aussparung
einer die becherförmige Membrane abdeckenden Platte in die Mischung eingeführt wird, ein Teil der Flüssigkeit aus der Mischung
durch Aufbringen eines gleichmäßig auf die Außenseite der Membrane wirkenden Flüssigkeitsdrucks
ausgepreßt und dieser Flüssigkeitsdruck anschließend auf Atmosphärendruck reduziert
wird, das Modell durch die Aussparung zurückgezogen, die Graphitform aus der Membrane
entnommen und die in die Graphitform gefüllte Sintermasse ohne Preßdruck gesintert
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Anordnen der Diamanten
in der Graphitform diese in einen Stützkörper eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Bindemittel in einer Volumenmenge auf die Sintermasse aufgebracht
wird, die etwa dem Volumen der Poren zwischen dem in die Graphitform gefüllten Pulver entspricht.
4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 mit einem nach oben
offenen Gehäuse, mit dessen Rand eine die Gehäusewandung bedeckende becherförmige,
flexible Membrane abdichtend verbunden ist, und einer an eine Druckquelle angeschlossenen Verbindungsleitung,
die in die Gehäusekammer mündet, dadurch gekennzeichnet, daß an der offenen Seite des Gehäuses (21) eine Platte (22) mit einer
Aussparung (23) angebracht ist, die dem Querschnitt des Bohrkronenmodells (32) entspricht
und kleiner als der Öffnungsquerschnitt des Gehäuses ist.
5. Durch Sintern gemäß den Ansprüchen 1 bis 3 hergestellte Diamantbohrkrone, dadurch
gekennzeichnet, daß die senkrecht zu dem von der Bohrkrone (1) geschnittenen Bodenprofil
(B. P.) gemessenen Abstände zwischen der Achse (A-A) der Bohrkrone und den schneidenden
Spitzen der Diamanten (8), die auf demselben zur Achse konzentrischen Kreis liegen, um höchstens
0,1 mm differieren.
6. Diamantbohrkrone nach Anspruch 5, bei der die Diamanten in kammartigen Erhebungen
des Bohrkronenkörpers angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände zwischen der
Achse (A-A) der Bohrkrone (1) und den auf demselben konzentrischen Kreisen liegenden
Punkten der kammartigen Erhebungen (5) um höchstens 0,05 mm differieren.
7. Diamantbohrkrone nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kammartigen Erhebungen
(11) zwei sich unter einem stumpfen Winkel im Bereich der Erhebungsspitze schneidende
Flächen (12, 13) aufweisen, die jeder Diamant (10) gleichzeitig berührt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen COFV
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ID=9709656
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DE (1) | DE1583757B1 (de) |
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