DE60019189T2

DE60019189T2 - Vorgeformte Elemente für Drehbohrmeissel

Info

Publication number: DE60019189T2
Application number: DE60019189T
Authority: DE
Inventors: Nigel Dennis Whitminster Griffin; Dean Travers Leckhampton Watson
Original assignee: Camco International UK Ltd
Current assignee: ReedHycalog UK Ltd
Priority date: 1999-05-14
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2020-04-29
Also published as: EP1052367A3; GB2350381A; GB0010226D0; GB2350381B; GB9911139D0; DE60019189D1; EP1052367A2; EP1052367B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf vorgeformte Schneidelemente für rotierende Drehbohrmeißel und zwar von der eine Schneidplatte aus einem superharten Material aufweisenden Bauart, welche mit einer Schneide an der Vorderseite und mit einer rückwärtigen Oberfläche, welche auf die vordere Oberfläche eines Trägermaterials aufgeklebt ist, welches nicht so hart ist wie das superharte Material.
Derartige vorgeformte Schneidelemente besitzen normalerweise eine Schneidplatte aus einem polykristallinen Diamanten, wenngleich sonstige superharte Materialien verfügbar sind, wie z.B. kubisches Bornitrid. Das Trägermaterial aus weniger hartem Werkstoff wird häufig aus zementiertem Wolframkarbid gebildet, und die Schneidplatte und das Trägermaterial werden während der Herstellung des Schneidelementes in einem unter hohem Druck und unter hoher Temperatur ablaufenden Prozess zusammengeklebt. Dieser Herstellungsprozess ist wohlbekannt und braucht im Detail nicht beschrieben zu werden.
Jedes vorgeformte Schneidelement kann auf einem Trägerelement in Form eines im allgemeinen zylindrischen Zapfens oder Stützstiels montiert sein, der in einer Vertiefung im Körper des Bohrmeißels aufgenommen wird. Das Trägerelement wird häufig auch aus zementiertem Wolframkarbid gebildet, wobei die Oberfläche des Trägermaterials mit der Oberfläche des Trägerelementes hartverlötet wird. Alternativ kann das Trägermaterial selbst hinreichend dick sein, um tatsächlich einen zylindrischen Zapfen bilden zu können, der lang genug ist, um in einer Vertiefung im Körper des Meißels unmittelbar aufgenommen zu werden, ohne zuerst auf ein Trägerelement aufgelötet werden zu müssen. Wie hinreichend bekannt, kann der Körper des Bohrmeißels selbst aus bearbeitetem Metall, üblicherweise aus Stahl sein, oder er kann unter Verwendung eines pulvermetallurgischen Prozesses geformt werden.
Schneidelemente der oben beschriebenen Art werden oft in Form von kreisförmigen oder teilkreisförmigen Tabletten hergestellt. Jede Schneidplatte wird so auf dem Körper des Meißels befestigt, dass ein Teil seines äußeren Randes eine Schneidkante definiert, welche auf die Oberfläche der zu bohrenden Bodenformation wirkt. Im Falle einer kreisförmigen Schneidplatte wird die Schneidkante durch einen gekrümmten Bereich des kreisförmigen äußeren Randes der Schneidplatte dargestellt. Bei einigen Stellen auf dem Drehbohrmeißel, wie z.B. im messtechnischen Einstellbereich des Meißels wird das Schneidelement jedoch mit einer geraden Schneidkante über dem Bereich des äußeren Randes ausgebildet, um auf die Bodenformation wirken zu können.
Wenn jedoch bestimmte Arten von Bodenformationen angebohrt werden, beispielsweise Kreide- oder Kalkgestein, dann können die Schneidelemente wirksamer arbeiten, wenn sie in eher „reißendet" Art und Weise auf die Bodenformation wirken. Zu diesem Zweck wird das Schneidelement so geformt, dass ein Teil seines äußeren Randes „angespitzt" ist, d.h., mit einem Schneidmesser ausgebildet ist, das zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Bereichen der äußeren Oberfläche definiert ist, die einen bestimmten Winkel untereinander bilden. Das Schneidelement kann ein einzelnes Schneidmesser enthalten, oder eine Vielzahl von Schneidmessern, die nebeneinander auf seinem äußeren Rand angeordnet sind.
Obwohl Schneidplatten dieser Konfiguration einige Bodenformationen besser schneiden, so neigen sie zu rasch zunehmendem Verschleiß und auch zu Schäden durch Stöße als Ergebnis verschleißfördernder Stoßkräfte, die sich auf eine vergleichsweise kleine Fläche des äußeren Randes des Schneidelementes konzentrieren. Mit der vorliegenden Erfindung soll ein verbessertes vorgeformtes Schneidelement dieser Art angeboten werden, bei dem dieser Nachteil verringert oder überwunden werden kann.
In GB 2323110 wird ein Schneidelement beschrieben, das einen Vorsprung auf der rückwärtigen Seite einer Schneidplatte eines superharten Materials aufweist, der sich in einem Raum zwischen zwei Komponenten von Trägermaterialien befindet.
Gemäß der Erfindung wird dort ein vorgeformtes Schneidelement für einen Drehbohrmeißel dargestellt, einschließlich einer Schneidplatte aus superhartem Material mit einer vorderen Schneide und einer rückwärtigen Oberfläche, die auf der vorderen Oberfläche eines Trägermaterials aufgeklebt ist, das nicht so hart ist wie das superharte Material, wobei das Schneidelement eine äußere Randoberfläche aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die äußere Randoberfläche mindestens ein Schneidmesser zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Bereichen der äußeren Randoberfläche definiert, die einen bestimmten Winkel untereinander bilden, wobei die rückwärtige Oberfläche der Schneidplatte mindestens eine Protuberanz aufweist, die in einen entsprechend geformten rückwärtigen Versatz im Trägermaterial hinein ragt, wobei die Protuberanz einen Teil des äußeren Randes des Schneidelementes am Schneidmesser bildet und sich nach innen in das Innere des Trägermaterials und weg vom Schneidmesser erstreckt.
Die Protuberanz des superharten Materials, die von der Schneidplatte in das Trägermaterial hinein vorspringt, dient dazu, das Schneidelement zu verstärken und die Verschleißgeschwindigkeit des Schneidmessers zu verringern, sowie dazu, es vor Schäden infolge von Stoßwirkungen zu schützen.
Es wird bevorzugt, wenn die rückwärtige Schneidplatte und die vordere Oberfläche des Trägermaterials des Schneidelementes gemeinsam den gleichen Raum einnehmen, wenngleich dies nicht wesentlich ist, und es sind Anordnungen möglich, bei denen die Schneidplatte nur über einen Teil der vorderen Oberfläche des Trägermaterials hinausragt.
Die Protuberanz kann über die volle Breite des Schneidelementes hinausragen, so dass sie auch einen Teil des äußeren Randes des Schneidelementes in einem Teilbereich des gegenüberliegenden, genannten Schneidmessers bildet. Die Protuberanz kann im wesentlichen zueinander parallel liegende seitliche Oberflächen aufweisen, die mit den Seiten eines rückwärtigen Versatzes in der vorderen Oberfläche des Trägermaterials verklebt sind.
Bei jeder beliebigen der oben genannten Anordnungen kann das Schneidelement mit einer Vielzahl von Schneidmessern ausgebildet sein, die um dessen äußeren Rand herum in Abständen angebracht sind. Der Teil des äußeren Randes zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Schneidmessern kann leicht konkav oder winklig ausgeführt sein. Vorzugsweise liegen bei einer Vielzahl von Schneidmessern die gedachten Geraden, welche die Schneidmesser im wesentlichen parallel zueinander halbieren, so dass die Schneidmesser im allgemeinen in die gleiche Richtung zeigen.
Bei jeder beliebigen der oben genannten Anordnungen kann der äußere Rand des Schneidelementes teilweise kreisförmig ausgebildet sein. In diesem Fall können einer oder beide Bereiche des äußeren Randes auf jeder der beiden Seiten des Schneidmessers sich im allgemeinen tangential zu einem teilkreisförmigen Teilbereich des äußeren Randes des Schneidelementes erstrecken.
Nachfolgend wird als Beispiel eine detailliertere Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung wiedergegeben, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird, bei denen:
1, eine diagrammartige Seitenansicht einer Form des Drehbohrmeißels einer Bauart ist, bei der die vorgeformten Schneidelemente der vorliegenden Erfindung verwendet werden können;
2, eine Kopfansicht des in 1 gezeigten Meißels ist;
3, eine Draufsicht einer Form des vorgeformten Schneidelementes für einen Drehbohrmeißel in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung ist;
4, ein Schnitt entlang der Geraden 4-4 gemäß 1 ist;
5–22, ähnliche Ansichten sind, welche alternative Formen von vorgeformten Schneidelementen gemäß der Erfindung zeigen;
23 und 24, diagrammartige, perspektivische Ansichten von Trägermaterialien von zwei weiteren Formen von vorgeformten Schneidelementen sind;
25, eine Draufsicht einer weiteren Form eines vorgeformten Schneidelementes ist;
26, eine Seitenansicht des in 25 gezeigten Schneidelementes ist;
27, die Draufsicht einer weiteren Form eines vorgeformten Schneidelementes ist;
28, eine Seitenansicht des in 26 gezeigten Schneidelementes ist;
29–32, diagrammartige perspektivische Ansichten von weiteren Formen vorgeformter Schneidelemente gemäß der Erfindung sind;
33–48, Draufsichten und Schnittansichten von noch weiteren Formen vorgeformter Schneidelemente gemäß der Erfindung sind;
49 und 50, Seitenansicht und Draufsicht eines Schneidelementes gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind.
Eine typische und wohlbekannte Form des Drehbohrmeißels ist in den 1 und 2 gezeigt und enthält einen Meißelkörper 1 auf der führenden Oberfläche, auf der im Umkreis sechs in Abständen nach oben stehende Messerstege 2 angeordnet sind, die sich nach außen hin erstrecken und von der Rotationsachse des Meißels abgewandt sind. Eine Reihe von vorgeformten Schneidelementen 3 sind in Abständen seitlich nebeneinander entlang jedes einzelnen Messerstegs 2 angeordnet. Wie zuvor erwähnt kann jedes einzelne Schneidelement auf ein Trägerelement aufgelötet werden, das in einer Vertiefung in dem Messersteg 2 verankert ist, oder das Trägermaterial des Schneidelements kann lang genug sein, um unmittelbar in der Vertiefung aufgenommen zu werden. Die Schneidplatten können im allgemeinen über der Führungsschneide des Bohrmeißels spiralförmig so angeordnet werden, dass ein Schneidprofil gebildet wird, das den gesamten Boden des zu bohrenden Bohrlochs überstreicht, wenn sich der Meißel dreht.
Bei den 1 und 2 werden sämtliche Schneidelemente des Bohrmeißels als „zugespitzte" Elemente gezeigt, von denen jedes mit einem Schneidmesser versehen ist, das zwischen zwei unmittelbar nebeneinander liegenden Bereichen der äußeren Oberfläche definiert ist, welche so angeordnet sind, dass sie untereinander einen Winkel bilden. Man kann jedoch erkennen, dass es gemäß der vorliegenden Erfindung nicht wichtig ist, dass alle Schneidelemente des Bohrmeißels von dieser Bauart sein müssen, und einige der Schneidelemente können jeweils eine andere Gestalt aufweisen, zum Beispiel können sie als kreisförmige oder teilkreisförmige Schneidelemente ausgeführt sein, insbesondere im maßlichen Einstellbereich des Bohrmeißels.
Der Meißelkörper wird mit einer mittigen Durchgangsöffnung (nicht gezeigt) hergestellt, durch die mit Hilfe von untergeordneten Durchgängen eine Verbindung mit den Düsen 4 hergestellt wird, die in der führenden Oberfläche des Meißelkörpers montiert sind. Den Düsen wird durch die innen liegenden Durchgänge Bohrflüssigkeit unter Druck zugeführt, welche durch die Zwischenräume zwischen den nebeneinander liegenden Messern zum Kühlen und Reinigen der Schneidplatten nach außen fließt. Die Räume zwischen den Messerstegen 2 führen zu Abraumschlitzen 5 am Rand, oder zu innen liegenden Durchgängen 6 im Meißelkörper, durch welche die Bohrflüssigkeit nach oben zu dem ringförmigen Raum zwischen dem Bohrgestänge und der umgebenden Bodenformation fließt, wobei sie nach oben durch den ringförmigen Raum hindurch zur Oberfläche fließt. Die Abraumschlitze 5 sind durch Maßstege 7 getrennt, die gegen die Seitenwand des Bohrlochs drücken, und sie sind mit Gegendruck- oder Verschleißeinsätzen (nicht gezeigt) bestückt.
Der Meißelkörper und die Stege können aus bearbeitetem Metall, üblicherweise aus Stahl sein, der mit Hartmetall bestückt sein kann. Alternativ kann der Meißelkörper oder ein Teil davon aus einem Matritzenpressmaterial unter Verwendung eines pulvermetallurgischen Prozesses geformt sein. Der allgemeine konstruktive Aufbau solcher Bohrmeißel und deren Herstellungsverfahren sind in Fachkreisen wohlbekannt und werden hier im Detail nicht weiter beschrieben.
Die 3 und 4 zeigen ein vorgeformtes Schneidelement gemäß der vorliegenden Erfindung, das bei einem Drehbohrmeißel der oben beschriebenen Art oder bei einer anderen Form eines Drehbohrmeißels verwendet werden kann.
Das Schneidelement umfasst eine vordere Schneidplatte 10 aus polykristallinem Diamanten, die auf ein Trägermaterial 12 aus zementiertem Wolframkarbid aufgeklebt ist. Die Schneidplatte 10 nimmt den gleichen Raum ein wie das Trägermaterial 12, so dass der gesamte äußere Rand der Schneidplatte um den äußeren Rand des Schneidelementes herum offen liegt.
Wie in 3 erkennbar besitzt ein Teil 14 des äußeren Randes des Schneidelementes eine Teilkreisform und erstreckt sich etwa um die Hälfte des äußeren Randes des Schneidelementes herum. Der Rest des äußeren Randes des Schneidelementes wird durch zwei im wesentlichen gerade Bereiche 16 des äußeren Randes definiert, die zueinander unter einem Winkel angeordnet sind, so dass zwischen diesen ein im allgemeinen zugespitztes Schneidmesser 18 definiert wird. Für den Betrieb wird das Schneidelement auf dem Bohrmeißel so montiert, dass das Schneidmesser 18 in die zu bohrende Bodenformation eingreift und in die Bodenformation mit einem „Reiß"-Vorgang hineinschneidet, während der Meißel sich dreht.
Zur Verringerung der Neigung des Schneidmessers 18 zu schnellem Verschleiß und Beschädigung durch Stoßwirkung ist die Schneidplatte 10 mit einem dickeren Rand 20 versehen, der sich kontinuierlich um den gesamten Umfang der Schneidplatte herum erstreckt und somit einen Teil des gesamten äußeren Randes des Schneidelementes bildet. Der verdickte äußere Rand 20 ragt in einen entsprechend geformten äußeren, rückwärtigen Versatz im Trägermaterial 12 hinein und wird während des Prozesses zur Herstellung des Schneidelementes auf das Trägermaterial aufgeklebt.
Der verdickte Rand kann aus der rückwärtigen Oberfläche der Schneidplatte 10 mit jedem gewünschten Abstand hervorragen, aber der Abstand ist bevorzugterweise mindestens gleich der Dicke des oberen Teils der Schneidplatte 10 und kann bis zu mehrere Male dessen Dicke aufweisen. Wie aus 4 erkennbar, erstreckt sich der Rand 20 über mehr als die Hälfte der Dicke des Schneidelementes insgesamt.
Der Teil 22 der rückwärtigen Oberfläche der Schneidplatte 10, der innerhalb des Randes 20 liegt ist kreisförmig ausgebildet, wie man am besten in 3 erkennen kann. Allerdings kann dieser Teil jede beliebige andere Gestalt annehmen. Beispielsweise kann der äußere Rand 20 im wesentlichen von gleich bleibender Dicke sein; in diesem Fall zeigt der Bereich 22 insgesamt eine Gestalt, die der gesamten äußeren Gestalt der Schneidplatte 10 entspricht.
Bei der dargestellten Anordnung ist der Bereich 22 der rückwärtigen Oberfläche der Schneidplatte 10 eben, aber diese Oberfläche könnte auch konfiguriert sein, d.h., sie könnte mit Rippen oder anderen Vorsprüngen an der rückwärtigen Oberfläche der Schneidplatte versehen sein, welche in rückwärtigen Versatzstrukturen des Trägermaterials eingreifen, die in entsprechender Weise ausgeformt sind. In ähnlicher Weise kann die Oberfläche des verdickten Randes 20, die von der Schneidplatte 10 entfernt liegt, auch konfiguriert sein.
Man kann erkennen, dass die Bereitstellung des verdickten Randes 20 für den polykristallinen Diamanten eine größere Gestalt unmittelbar neben dem Schneidmesser 18 ermöglicht, als wenn die Schneidplatte 10 eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke hätte. Dieser Größenzuwachs bei der Gestalt des polykristallinen Diamanten schützt somit das Schneidmesser 18 vor raschem Verschleiß und Beschädigungen infolge Stoßwirkung. Gleichzeitig dient der Rand 20 der Verbesserung der mechanischen Blockierverbindung zwischen der Diamantschneidplatte und dem Trägermaterial 12, wodurch die Gefahr einer Ablösung der Schneidplatte vom Trägermaterial unter den hohen Temperaturen und Belastungen verringert wird, denen derartige Schneidelemente im unterirdischen Bohrloch ausgesetzt sind.
Bei der geänderten Anordnung gemäß den 5 und 6 ist der äußere Rand 24 bezüglich der Breite schmaler als bei der Anordnung gemäß 3, so dass er sich nicht fortlaufend um den gesamten äußeren Umfang des Schneidelementes herum erstreckt, aber unmittelbar neben dem Schneidmesser 28 des Schneidelementes einen dickeren Teil 26 liefert, sowie einen teilweise kreisringförmigen Teil 30, der sich um den kreisförmigen Teil des Schneidelementes herum erstreckt.
Bei der Anordnung gemäß den 7 und 8 hat die Protuberanz 32, die von der rückwärtigen Oberfläche der Schneidplatte aus polykristallinem Diamanten in das Trägermaterial 34 hinein ragt, im allgemeinen einen dreieckigen Querschnitt, um so für den äußeren Umfangsbereich der Schneidplatte nur in der unmittelbaren Nachbarschaft des Schneidmessers 38 zusätzliche Festigkeit zu liefern. In diesem Fall ist die flache Innenoberfläche 40 der Protuberanz 32 schräg gestellt bzw. geneigt, so dass der Querschnitt der Protuberanz mit zunehmender Entfernung von der Schneidplatte 36 abnimmt.
Die 9 und 10 zeigen eine geänderte Anordnung, bei welcher die Innenoberfläche 42 der im allgemeinen dreieckigen Protuberanz 44 sowohl konvex gekrümmt, als auch schräg gestellt bzw. geneigt ist.
Die 11 und 13 zeigen eine Änderung der Anordnung gemäß den 9 und 10, wobei die Protuberanz 46 eine gestufte, konvex gekrümmte Innenoberfläche aufweist, so wie unter 48 angegeben, so dass sich der Querschnitt der Protuberanz 46 mit zunehmender Entfernung von der Diamantschneidplatte erneut verringert.
Die 13 und 14 zeigen ebenfalls eine Anordnung, bei welcher die Protuberanz 50 eine gestufte Innenoberfläche aufweist, aber in diesem Fall ist die Innenoberfläche 52 der Protuberanz konkav und mit drei Stufen versehen, statt mit zwei Stufen wie in den 9 und 10.
Bei der Anordnung gemäß den 15 und 16 erstreckt sich die Protuberanz 54, die aus der rückwärtigen Oberfläche der Schneidplatte 56 heraus ragt, über die gesamte Breite des Schneidelementes hinaus, und zwar von dem Schneidmesser 58 bis hin zu einem Bereich 60 der teilweise kreisförmigen Oberfläche des Schneidelementes gegenüber von Schneidmesser 58.
Die 17 und 18 zeigen eine Anordnung, bei welcher der äußere Umfangsbereich des Schneidelementes zwei mit Abständen angeordnete Schneidmesser 62, 64 bildet, die durch einen konkaven Teil 66 des äußeren Umfangsbereichs des Schneidelementes getrennt sind. In diesem Fall besitzt die Protuberanz wieder die Form eines verdickten Randes 68, der sich aus der rückwärtigen Oberfläche der Diamantschneidplatte 72 heraus in das Trägermaterial 70 hinein erstreckt. Der dickere Rand 68 erstreckt sich um den gesamten äußeren Umfangsbereich des Schneidelementes, so dass eine Abstützung für beide Schneidmesser 62 und 64 bereitgestellt wird.
Wie in 17 gezeigt, sind die gedachten Geraden 74, welche die beiden Schneidmesser 62, 64 aufteilen, im wesentlichen parallel, so dass die Messer in die gleiche Richtung zeigen und somit gleichzeitig auf die Bodenformation wirken.
Die 19 und 20 zeigen ein Schneidelement, das Ähnlichkeit aufweist mit dem der 17 und 18, das aber mit sechs Schneidmessern 76, 78 versehen ist. Die zwei führenden Messer 76 sind mit einem konkaven Teil 80 des äußeren Umfangsbereichs des Schneidelementes verbunden, während die sonstigen Messer 78 durch die im allgemeinen geraden Ränder definiert sind, die sich unter einem Winkel einer Sägezahnkonfiguration treffen. Auch bei dieser Anordnung besitzt die Protuberanz auf der Diamantschneidplatte einen fortlaufend verdickten Rand, der sich um den gesamten äußeren Umfangsbereich des Schneidelementes herum erstreckt.
Die 21 und 22 zeigen ein Schneidelement, das aus drei Schneidmessern 79 gebildet wird. Bei diesem Fall werden drei parallel verlängerte Protuberanzen 80 dargestellt, die aus der rückwärtigen Oberfläche der Schneidplatte 81 heraus ragen. Jede einzelne Protuberanz 80 erstreckt sich über der gesamten Breite des Schneidelementes von einem Messer 79 bis zu einem Bereich der äußeren Oberfläche des Schneidelementes gegenüber diesem Messer.
Die 49 und 50 zeigen ein Schneidelement, das Ähnlichkeit mit denen hat, die in den 15 bis 22 gezeigt wurden. Bei dieser Anordnung sind die Messer 200, 202 jedoch in Abständen voneinander angebracht, wobei sich dazwischen eine relativ flache Oberfläche 204 befindet. Ein Paar von Protuberanzen 206, 208, welche sich zu der von der Schneidplatte 210 abgewandten Seite hin erstrecken, korrespondieren mit den Messern 200, 202. Jede Protuberanz 206, 208 erstreckt sich nur teilweise ein Stück der Strecke über das Schneidelement hinweg. Ein Schneidelement dieser Art ist besonders nützlich, um eine Seitenwand eines Bohrlochs anzubohren, wobei das Schneidelement so ausgerichtet ist, dass die relativ flache Oberfläche 204 so angeordnet ist, dass sie die Seitenwand berührt. Die Protuberanzen 206, 208 neigen dazu, eine Verhinderung des Ausbrechens und Abplatzens von Material des Schneidelementes zu unterstützen.
Wie zuvor bezüglich der 3 und 4 erwähnt, kann der Innenbereich der rückwärtigen Oberfläche der Schneidplatte eben oder konfiguriert sein, beispielsweise auf der rückwärtigen Oberfläche der Schneidplatte mit Rippen versehen sein oder mit anderen Vorsprüngen, welche in den entsprechend geformten, jeweiligen rückwärtigen Versatz im Trägermaterial eingreifen. Wie gut bekannt ist, werden vorgeformte Schneidelemente der Art, auf die sich die vorliegende Erfindung, bezieht normalerweise durch Herstellung des Trägermaterials in der erforderlichen Konfiguration aus verdichtetem Pulvermaterial, wie zum Beispiel aus pulverförmigem Wolframkarbid hergestellt. Dann wird eine Schicht aus Diamantpartikeln auf der vorderen Oberfläche des Trägermaterials aufgebracht, und das zusammengesetzte Material wird hohem Druck und hoher Temperatur in einer Hochdruck- und Hochtemperaturpresse unterworfen, um die Partikel zu verkleben und die Schichten so aufeinander zu kleben, dass sie ein einheitliches Element ergeben. Jede beliebige Konfiguration der Übergangsfläche zwischen dem Trägermaterial und der Schneidplatte erfolgt normalerweise durch ein Vorformen der Vorderseite des Trägermaterials, auf welche die Schicht der Diamantpartikel aufgebracht wird.
Die 23 und 24 zeigen die Gestalt von Trägermaterialien, die so ausgelegt sind, dass sie die erforderliche, konfigurierte Übergangsfläche zwischen der Schneidplatte und dem Trägermaterial in dem fertig gestellten Schneidelement liefern.
Bei der Anordnung gemäß 23 wird das Trägermaterial 82 mit einem peripheren Anschlagkranz 84 gebildet, der einen kreisförmigen, zentralen, erhabenen Teil 86 umgibt. Der erhabene Teil 86 wird um seinen äußeren Randbereich herum mit abwechselnd langen und kurzen Nuten 88 versehen, die sich vom äußeren Umfangsbereich des erhabenen Teils 86 unter einem Winkel zur radialen Richtung nach innen hin erstrecken. Die Tiefe der Nuten 88 verringert sich, je weiter sie sich nach innen erstrecken, und lassen einen zentralen, ebenen Bereich 90 im Zentrum des erhabenen Teils 86 übrig.
Wenn die Diamantschicht auf das Trägermaterial 82 aufgetragen wird, dann bildet das Diamantgebilde, welches den Anschlagkranz 84 ausfüllt, einen rückwärtig vorspringenden Rand auf der rückwärtigen Oberfläche der Diamantschneidplatte, und die Diamantgebilde, welche die Nuten 88 ausfüllen liefern, innerhalb des äußeren Randes Protuberanzen in der Form von Rippen auf dem kreisförmigen Bereich der rückwärtigen Schneide der Schneidplatte. Diese Rippen erhöhen die mechanische Blockierverbindung zwischen der Schneidplatte und dem Trägermaterial, und sie neigen dazu, den Widerstand des Schneidelementes gegenüber Beschädigungen durch Stoßeinwirkung und gegenüber Ausbrüchen und dem Abplatzen von Materialschichten der Schneidplatte von dem Trägermaterial zu erhöhen.
Bei der Anordnung der 3, und tatsächlich bei jeder beliebigen Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Trägermaterial ursprünglich in der Form einer vollkommen kreisrunden Tablette ausgebildet sein, auf welche die Schicht mit den Diamantpartikeln aufgebracht wird, so dass das vorgeformte Element vollkommen kreisrund ist, wenn es aus der Hochdruck-/Hochtemperatur-Presse herauskommt. Die Gestaltung des äußeren Umfangsbereichs des Schneidelementes zur Bildung des Schneidmessers oder mehrerer Schneidmesser kann dann mit Hilfe eines weiteren Formgebungsvorgangs erfolgen, bei dem Teile des äußeren Umfangsbereiches des Schneidelementes entfernt und/oder mit Hilfe irgend eines geeigneten mechanischen Gestaltungs-Prozesses gestaltet werden, beispielsweise mit Hilfe von Schleifen oder EDM. Die Gestalt, die in 23 in der Form eines Diagramms gezeigt worden ist, wird gewöhnlich die Gestalt des Teils des Trägermaterials des fertig gestellten Schneidelementes eher nach der Bearbeitung sein, als die Gestalt der verdichteten Pulversubstratkomponente, auf welche die Schicht aus Diamantpartikel aufgetragen wird, bevor das Basisschneidelement in der Presse hergestellt wird.
24 ist eine ähnliche Darstellung wie 23 und zeigt eine alternative Form des Trägermaterials 92. In diesem Fall ist die Innenwand 94 des peripheren Anschlagkranzes 96 um die obere Oberfläche des Trägermaterials herum geneigt, so dass der erhabene Teil 98 im allgemeinen eine kegelstumpfartige Gestalt aufweist und die Innenoberfläche des peripheren Randes auf der Diamantschneidplatte geneigt ist.
In diesem Fall erstrecken sich die Nuten 100, die vom äußeren Umgebungsbereich des erhabenen Teils 98 nach innen reichen auch über den Anschlagkranz 96 und überschneiden sich mit der Außenoberfläche des Trägermaterials 92.
23 zeigte ein vergleichsweise dünnes Trägermaterial 82, das sich beispielsweise für den Gebrauch in dem Fall eignet, bei dem das fertig gestellte Schneidelement auf einen separaten Stützstiel oder Zapfen aufgelötet werden muss. Bei der Anordnung der 24 besitzt das Trägermaterial 92 in axialer Richtung eine größere Länge, so dass ein fertig gestelltes, vorgeformtes Schneidelement bereitgestellt wird, das direkt in eine geeignete geformte Vertiefung im Meißelkörper montiert werden kann.
Bei allen bisher beschriebenen Anordnungen wird die äußere Oberfläche eines jeden Schneidelementes so gezeigt, als seien sie unter rechten Winkeln der nach vom exponierten Oberfläche der Diamantschneidplatte angeordnet. Man muss dem Schneidmesser aber zusätzliche Festigkeit und Abstützung verleihen, indem man die äußere Oberfläche des Schneidelementes nach außen hin neigt, je weiter sie sich von der vorderen Oberfläche der Schneidplatte auf jeder der beiden Seiten des Schneidmessers entfernt. Dadurch erhöht sich die relative Größe der Gestalt des Protuberanzenmaterials und des Trägermaterials, welches unterhalb der Spitze des Schneidmessers des Schneidelementes liegt, so dass das Messer vor Verschleiß und Beschädigung durch Stoßeinwirkung geschützt wird. Die 25–31 zeigen vorgeformte Schneidelemente dieses Typs.
In jedem einzelnen Fall wird das Schneidelement ursprünglich als kreisrundes, zylindrisches Element hergestellt, welches eine kreisrunde, vordere Schneidplatte aufweist, die auf ein kreisrundes Trägermaterial aufgeklebt ist. Die erforderliche Konfiguration des fertig gestellten Schneidelementes wird dann nacheinander durch Schleifen, EDM oder durch irgend eine sonstige, geeignete Form der Bearbeitung erreicht.
Bei der Anordnung der 25 und 26 wird ein einzelnes Schneidmesser 102 durch Ausformen zweier geneigter abgeflachter Bereiche 104 geliefert, die etwa unter einem rechten Winkel zueinander angeordnet sind. Als Folge der zylindrischen Gestalt des Basiselements und der Neigung der abgeflachten Bereiche verringert sich jede einzelne Oberfläche 104 bezüglich ihrer Breite, je weiter sie sich von der Schneidplatte 106 entfernt, hin zur rückwärtigen Oberfläche 108 des Trägermaterials 110. Die Vorderseite 106 der Diamantschneidplatte wird bevorzugterweise am gesamten Umfang angefast, so wie bei 112 angegeben.
Der zwischen den abgeflachten Bereichen 104 eingeschlossene Winkel, der das Maß für die Ausbildung der Spitze des Schneidmessers definiert, kann jede beliebige gewünschte Größe annehmen, beispielsweise kann er im Bereich von 60° – 120° liegen.
Bei der geänderten Anordnung der 27 und 28 wird die Spitze des Schneidmessers angefast und mit einem Radius versehen wie bei 114 angegeben. Bei diesem Fall wird der äußere Umfangsbereich der Diamantschneidplatte nicht angefast, obwohl dies ausgeführt werden kann, falls es gewünscht wird.
Die 29–31 sind diagrammartige, perspektivische Ansichten, welche weitere Änderungen an der Gestalt der in den 25 und 26 dargestellten Schneidelemente zeigen.
Bei dem Schneidelement in 29 sind die maschinenbearbeiteten Flanken 116 auf jeder der beiden Seiten des Schneidmessers 118 zylindrisch und konvex gekrümmt, so dass die äußeren Bereiche 120 der Schneidplatte 122 auf jeder der beiden Seiten des Schneidmessers 118 ebenfalls konvex gekrümmt sind.
Bei dem Schneidelement in 30 sind die Flanken 124 auf jeder der beiden Seiten des Schneidmessers 126 zylindrisch und konkav gekrümmt. Auf jeder der beiden Seiten des Schneidmessers 126 werden zwischen jeder einzelnen konkaven Flanke 124 und dem teilweise kreisförmigen äußeren Randbereich 132 des Schneidelementes auch eine Fase 128 und Stufen 130 ausgeformt. 31 ist eine Änderung der in 30 gezeigten Anordnung, bei welcher die Flanken 124A in Richtung der Achse des Schneidelementes auch konkav gekrümmt sind, damit auf jeder der beiden Seiten des Schneidmessers 126A der Effekt eines „Hohlschliffs" bewirkt werden kann. Bei der Anordnung der 25-28, bei welcher die Flanken 104 im Querschnitt gerade sind können die Flanken auch „hohlgeschliffen" werden.
32 zeigt eine Anordnung, bei der die maschinenbearbeiteten Flanken 134 auf jeder der beiden Seiten des Schneidmessers 136 stärker geneigt sind als bei den zuvor beschriebenen Anordnungen, so dass sie sich mit der Oberfläche der Unterseite des Trägermaterials 138 gegenüber der Schneidplatte 140 überschneiden. Als Ergebnis erstreckt sich das Schneidmesser 136 wirksam über die ganze axiale Länge des Schneidelementes, aber die Präsenz eines verbleibenden Teils 142 des äußeren Umfangsbereichs des Schneidelementes unterhalb des Schneidmessers 136 bewirkt, dass das Schneidmesser mit dem während des Gebrauchs fortschreitenden Verschleiß zunehmend breiter wird.
Bei allen Anordnungen der 25–32 braucht die rückwärtige Oberfläche der Schneidplatte des Schneidelementes nicht eben zu sein, d.h., sie braucht nur mit mindestens einer Protuberanz versehen zu sein, die gemäß der vorliegenden Erfindung in einen entsprechend geformten rückwärtigen Versatz in die vordere Oberfläche des Trägermaterials vorspringt. Beispielsweise kann die Protuberanz jede beliebige der zuvor unter Bezug auf die 3–16 beschriebenen Konfigurationen aufweisen. Allerdings können die in den 25–32 gezeigten Konfigurationen auch bei Schneidelementen angewandt werden, bei denen die Übergangsfläche zwischen der Schneidplatte und dem Trägermaterial gemäß der vorliegenden Erfindung nicht konfiguriert ist, beispielsweise wenn die Übergangsfläche im wesentlichen eben ist.
Die 33–48 zeigen weitere Variationen von vorgeformten Schneidelementen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die 33–38 zeigen Variationen der in den 15 und 16 gezeigten Anordnung, bei welcher die Protuberanz der rückwärtigen Oberfläche der Diamantschicht in der Mitte der Diamantschicht am dicksten ist und sich vom Schneidmesser aus diametral über das Schneidelement erstreckt. Bei der Anordnung der 33 und 34 besitzt die Unterseite der Protuberanz auf der Diamantschicht 144 eine umgekehrte Rückenausbildung bzw. Vertiefung, die durch zwei geneigte Oberflächen 146 auf jeder der beiden Seiten der Mittellinie 148 der Protuberanz gebildet wird. Die Anordnung der 35 und 36 ist ähnlich, außer dass die Oberflächen 150 auf jeder der beiden Seiten der Mittellinie 152 zylindrisch sind und konkav gekrümmt sind.
Bei der Anordnung der 37 und 38 weist die parallelseitige Protuberanz 154, die sich von der rückwärtigen Oberfläche der Diamantschicht 156 aus erstreckt im allgemeinen einen dreieckigen Querschnitt auf. Sie erstreckt sich diametral vom Schneidmesser des Schneidelementes weg und nur über einen Teil der Breite der Diamantschicht 156.
Anstelle einer Verstärkung des Schneidmessers des Schneidelementes durch die Protuberanz auf der Unterseite der Diamantschneidplatte kann die gewünschte zusätzliche Festigkeit durch die Ausbildung der Diamantplatte in einem Bereich erhöhten Verschleißwiderstandes bereitgestellt werden, der unmittelbar neben dem Schneidmesser liegt und bevorzugterweise einen Teil des äußeren Umfangsbereichs des Schneidelementes am Schneidmesser bildet. Anordnungen dieser Art werden beispielsweise in den 39–44 gezeigt.
Bei der Anordnung der 39 und 40 enthält die Diamantschneidplatte 158 einen zentralen Streifen 160 mit größerer Verschleißfestigkeit, der von zwei seitlichen Teilbereichen 162 mit geringerer Verschleißfestigkeit flankiert wird. Der Streifen 160 erstreckt sich diametral über die Schneidplatte 158 von dem Schneidmesser 164 bis zu einem Bereich gegenüber dem Schneidmesser. Das Ende des Streifens 160 liegt am äußeren Randbereich des Schneidelementes offen und bildet somit selbst das Schneidmesser 164.
Die 41–44 zeigen ähnliche Anordnungen, bei denen der Steifen mit höherer Verschleißfestigkeit unterschiedliche Querschnittsformen aufweist. Bei der Anordnung der 41 und 42 ist der Streifen 166 mit einer höheren Verschleißfestigkeit im allgemeinen der mit einem dreieckigen Querschnitt. Bei Ausbildung 43 und 44 erstreckt sich der Streifen 168 über im wesentlichen die gesamte Breite der Schneidplatte 170 und umfasst einen zentralen Rücken 172, der von zwei zylindrischen und konkaven Oberflächen 174 flankiert wird.
Bei beliebigen der zuletzt beschriebenen Anordnungen kann sich die Protuberanz der rückwärtigen Oberfläche der Diamantschneidplatte und/oder des Streifens mit der höheren Verschleißfestigkeit, der in der Schneidplatte enthalten ist, nur teilweise über den Durchmesser der Schneidplatte hinweg erstrecken.
Alternativ oder zusätzlich kann die Form des Streifens entsprechend dem Durchmesser des Schneidelementes variieren.
Auf diese Weise zeigen die 45 und 46 eine Anordnung ähnlich wie bei den 33 und 34, wobei sich aber die Protuberanz an der Unterseite der Diamantschneidplatte 176 vom Schneidmesser 178 weg erstreckt über nur einen Teil des Durchmessers des Schneidelementes, und wobei das Teil 176A der Schneidplatte jenseits der Protuberanz 176 im wesentlichen eine konstante Dicke aufweist.
Bei der Anordnung der 47 und 48 erstreckt sich der Streifen 180, der in der Diamantschneidplatte 182 ein Diamantmaterial mit höherer Verschleißfestigkeit enthält, nur über einen Teil des Durchmessers des Schneidelementes, soweit er sich vom Schneidmesser 184 weg erstreckt.
Das Merkmal des in der Diamantschneidplatte integrierten Teils eines polykristallinen Diamanten mit höherer Verschleißfestigkeit kann bei jedem beliebigen der Schneidelemente gemäß der vorliegenden Erfindung und wie oben in Bezug auf die beschriebenen Abbildungen bereitgestellt werden.
Die höhere Verschleißfestigkeit des Teils der Diamantschneidplatte kann mit Hilfe irgend welcher in Fachkreisen wohlbekannten Mitteln zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit erzielt werden. Beispielsweise kann die Verschleißfestigkeit dadurch variiert werden, dass man den mittleren Durchmesser der Diamantpartikel oder eines sonstigen superharten Materials variiert, aus dem die vordere Schneidplatte des Schneidelementes gebildet wird und/oder durch Variation der Packdichte der Partikel.
Bei allen oben beschriebenen Anordnungen bildet die Protuberanz auf der Diamantschneidplatte einen Teil der Oberfläche des äußeren Umfangsbereichs des Schneidelementes, das sich unmittelbar neben dem Schneidmesser des Schneidelementes befindet. Allerdings schließt die Erfindung die Anordnungen nicht aus, bei denen die Protuberanz vom äußeren Umfangsbereich des Schneidelementes nach innen zu in Abständen angeordnet ist, sich aber noch in einer Lage befindet, bei der sie das Schneidmesser abstützen und schützen kann. Beispielsweise kann sich die Protuberanz an einer Stelle befinden, an der sie nicht im äußeren Umfangsbereich des Schneidelementes exponiert ist und mit der Bodeinformation nicht in Kontakt kommt, bis am Schneidelement etwas Verschleiß aufgetreten ist.

Claims

Vorgeformtes Schneidelement für die Schneide eines Drehbohrmeißels einschließlich einer Schneidplatte (10, 36, 56, 72, 81, 144, 160, 180, 210) aus einem superharten Material, welche ausgestattet ist mit einer Vorderseite und mit einer rückwärtiger Oberfläche, die auf die vordere Oberfläche eines Trägermaterials (12, 34, 70, 204) aufgeklebt ist, welches nicht so hart ist wie das superharte Material, wobei das Schneidelement eine periphere Oberfläche aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, dass die periphere Oberfläche mindestens eine Schneidkante (18, 28, 38, 58, 62, 64, 76, 78, 79, 164, 178, 184, 200, 202) aufweist, die zwischen zwei unmittelbar benachbarten Bereichen der peripheren Oberfläche definiert wird, welche unter einem Winkel zueinander angeordnet sind, wobei die rückwärtige Oberfläche der Schneidplatte mindestens mit einem vorspringenden Teil bzw. einer Protuberanz (20, 26, 32, 44, 46, 50, 54, 68, 206, 208) versehen ist, welche in einen entsprechend geformten Einschnitt in dem Trägermaterial hineinragt, wobei das vorspringende Teil bzw. die Protuberanz (20, 26, 32, 44, 46, 50, 54, 68, 206, 208) einen Teil der Peripherie des Schneidelementes an der Schneidkante bildet und sich nach innen fortsetzt, und zwar weg von der Schneidkante und hin zum Inneren des Trägermaterials.
Vorgeformtes Schneidelement gemäß Anspruch 1, wobei die rückwärtige Oberfläche der Schneidplatte und die vordere Oberfläche des Trägermaterials des Schneidelementes sich gleichweit ausdehnen.
Vorgeformtes Schneidelement gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das vorspringende Teil bzw. die Protuberanz (54, 80, 160, 166) sich über die volle Breite des Schneidelementes erstreckt und somit auch einen Teil der Peripherie des Schneidelementes in einem Bereich derselben darstellt, welcher der genannten Schneidkante gegenüber liegt.
Vorgeformtes Schneidelement gemäß irgend einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das vorspringende Teil bzw. die Protuberanz im wesentlichen parallele Seitenflächen aufweist, die mit den Seiten eines rückwärtigen Versatzes in der vorderen Oberfläche des Trägermaterials verbunden ist.
Vorgeformtes Schneidelement gemäß irgend einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei das Schneidelement mit einer Vielzahl von Schneidkanten (62, 64, 76, 78, 79, 200, 202) versehen ist, die in Abständen um Peripherie derselben herum angebracht sind.
Vorgeformtes Schneidelement gemäß Anspruch 5, wobei der Teil der Peripherie zwischen zwei unmittelbar benachbarten Schneidkanten einen gleichmäßigen konkaven Übergang aufweist.
Vorgeformtes Schneidelement gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei gedachte Geraden, welche die Schneidkanten in zwei Teile aufteilen, sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken, so dass die Schneidkanten im allgemeinen in die gleiche Richtung ausgerichtet sind.
Vorgeformtes Schneidelement gemäß irgend einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Peripherie des Schneidelementes ein Kreissegment darstellt.
Vorgeformtes Schneidelement gemäß Anspruch 8, wobei einer oder beide Bereiche der Peripherie auf jeder der beiden Seiten einer Schneidkante sich im allgemeinen tangential zu einem Teil des Kreissegments der Peripherie des Schneidelementes erstreckt oder erstrecken.