[发明专利]具有非对称滚珠座圈和延伸摩擦座圈的牙轮钻头轴颈

说明书

技术领域

本公开涉及牙轮钻头轴颈、形成轴颈的方法和精加工轴颈的方法。

发明背景

牙轮钻头用于穿过地层形成井筒以便获得井下材料诸如石化沉积物。通常使用机加工工艺来使牙轮钻头形成为初级形状，从而形成钻头主体。然后通过将特殊材料放置在选定位置并通过对选定位置进行工具作业(包括机加工)来精加工钻头。

附图简述

通过参考以下结合附图的描述，可获得对本发明的实施方案及其优点的更完整更彻底的理解，附图不是按比例绘制的，其中相似的参考数字指示相似的特征，并且附图中：

图1是牙轮钻头的成品轴颈的截面示意图；

图2是其中牙轮组装在轴颈上的图1的成品轴颈的截面示意图，也描绘了牙轮的截面；

图3A是具有非对称滚珠座圈和延伸摩擦座圈的牙轮钻头轴颈的截面示意图；

图3B是叠加在传统牙轮钻头轴颈上的图3A的非对称牙轮钻头轴颈的截面示意图；

图3C是叠加在图1的成品轴颈上的图3A的牙轮钻头轴颈的截面示意图；

图4是示出了结合有本公开的教导的牙轮钻头的正视示意图；以及

图5是其中一些部分剖开的截面示意图和正视示意图，示出了可通过结合有本公开的教导的牙轮钻头形成的井筒的实例。

具体实施方式

本公开涉及具有延伸摩擦座圈和非对称滚珠座圈的牙轮钻头轴颈以及形成并进一步精加工这种类型的轴颈以产生成品轴颈的方法。具有延伸摩擦座圈和非对称滚珠座圈的轴颈可以是处于轴颈精加工之前的任何阶段的轴颈。例如，它可以是尚未经过热处理的轴颈或者尚未经过其他精加工工艺的热处理过的轴颈。

牙轮钻头包含至少一个臂10，如图1所示。该臂10包括具有滚珠座圈30和摩擦座圈40的轴颈20。摩擦座圈40和滚珠座圈30在轴颈20上相邻。当如图2所示完全组装好臂10时，将包含多个切削元件60的牙轮50设置在轴颈20上，使得当使用钻头时，牙轮可以围绕轴颈20旋转。将保持滚珠70装配到滚珠座圈30中以将牙轮50保持在轴颈20上。将摩擦座圈40用轴承材料(未独立示出)覆盖。根据整体钻头设计，还添加了其他功能特征，例如用于润滑剂系统(未另外示出)的密封环80。

首先将轴颈20形成为轴颈，然后在与牙轮50组装之前对其进行精加工。精加工通常包括将轴承材料焊接到摩擦座圈40。在此过程中，焊接熔池有时从摩擦座圈40溢出到相邻的滚珠座圈30中，在此过程中移除滚珠座圈30的一部分。对滚珠座圈30的这种损坏使其不能适当地容纳保持滚珠70，特别是在使用牙轮钻头时。因此，丢弃具有受损滚珠座圈30的整个臂10。

在本公开中，如图3A所示，轴颈摩擦座圈40形成有使滚珠座圈30变形为非对称形状的突起100。图3B示出了与传统轴颈(虚线)相比，本公开的轴颈(实线)的突起100如何延伸到滚珠轴承座圈30中。

如果焊接熔池从摩擦座圈40溢出，那么它碰撞并损坏突起100。在大多数情况下，这种损坏对于生产可用成品轴颈20的能力没有影响，因为后来移除了突起100(实线)并且在成品轴颈(虚线)中不存在突起，如在图3C中可以看到的那样。

另外，由于从摩擦座圈40溢出到滚珠座圈30中的焊接熔池的担忧减少，因此可以向摩擦座圈40应用更多的轴承材料。可以向摩擦座圈40的在钻头使用期间往往经受更多的径向载荷或其他应力的部分应用这种额外的轴承材料。

轴颈20通常使用常规方法例如机加工而形成有臂10。在此类方法中，将钻头材料机加工成具有轴颈尺寸和构型。它们也可以通过多步骤工艺形成，例如机加工第一材料，然后用粘结剂或浸渗剂填充。也可以将与钻头成一体的其他材料焊接到轴颈。一般来讲，轴颈20和臂10可以由钢、钢合金、基质材料或具有合适的强度、韧性和机械加工性的其他合适的钻头材料形成。可以对轴颈进行机加工以形成滚珠座圈30和突起100，从而允许移除轴颈20，随后从滚珠座圈30移除突起，以便对滚珠座圈进行精加工并防止焊接熔池损坏滚珠座圈30。

随后对轴颈20进行精加工，然后再将所述轴颈与牙轮50组装。也可以对臂10的其余部分进行精加工，然后再将这些其余部分与牙轮50组装，但臂10的一些精加工也可以在与牙轮50组装之后发生，只要牙轮不妨碍稍后的精加工。