Материалы для изготовления твердосплавных коронок

В буровых коронках в качестве режущих элементов используются твердосплавные пластины в основном стандартной формы, изготавливаемые по ГОСТ 2209-82 и ГОСТ 880-75. Выбор формы определяется областью применения коронок.

Элементы коронок	Материал	ГОСТ	Характеристика материала
Корпус	Сталь 30; 35: 40	ГОСТ 1050 - 74	Достаточная прочность, хорошо смачиваются при пайке, хорошо обрабатываются
	Ст4	ГОСТ 380-88
Ребра	Сталь 20; 30; 35	ГОСТ 1050 - 74	То же
	СтЗ	ГОСТ 380-88
Вкладыши и установочные пластины	Сталь 20: 35; СтЗ	ГОСТ 1050 - 74	»
	Ст10	ГОСТ 380 -88
Опорные пластины	Сталь 45	ГОСТ 1050 - 74	Обеспечивают устойчивость твердосплавных пластин и их жесткое крепление
Оберточные пластины	Ст10	ГОСТ 1050 - 74	То же
		ГОСТ 380 - 88
Твердосплавные пластины	ВК	ГОСТ 3882 - 74	»
		ГОСТ 4411 - 79	»
Припои	Латунь Л68	ГОСТ 15527 - 70	Содержание Сu 67 - 70%
			Содержание Zn 30 - 33%

Марка сплава	Форма и основные размеры	Масса пластин, г	Тип коронки
ВК8		2,3	М5
ВК8		2,3	М5
ВК6		2,3	М5, СМ4, СТ2
ВК6		1,1	СМ5, СМ6, СТ2, СА4
ВК6		1,4	СА4
ВК6		1	СА4
ВК6		1,2	СА1
ВК6		1,3	СА1
ВК6		1,5	СА1
ВК6		0,74	СА1
ВК6		0,8	СА2
ВКб		0,74	СА2, СА5, СА6

Для соединения твердосплавных пластин с корпусом коронки применяются припои на медной основе (латунь Л68).

В зависимости от назначения коронки конструкция корпуса и форма твердого сплава изменяются, а резьбовая часть корпуса едина для всех групп.

На рис. 2.8 показаны основные элементы корпуса и режущей части резцовой коронки, а также элементы режущей части микрорезцовой коронки и элементы резцов.

Рис. 2.8. Основные элементы резцовой коронки (а), элементы режущей вставки (б) и резцов (в).
а: 1 - внутренний подрезной резец; 2 - промывочные пазы; 3 - корпус; 4 - конусная расточка; 5 - шламовые пазы; 6 - основной резец; 7 - дополнительный подрезной резец; 8- основной подрезной резец;
б и в: 1 - резец (твердосплавная пластина); 2 - опорная пластина; 3 - установочная пластина; 4 -оберточная пластина; 5 - передний угол; 6 - угол заточки; 7 - задний угол; 8 - угол поворота.

К конструктивным элементам относятся также проточка, сбег резьбы и уступ на резьбовой части коронки (все типы), вкладыши на режущей части (микрорезцовые) и ребра, приваренные к корпусу (тип М). Основные  конструктивные  элементы коронки, влияющие на эффективность бурения: число, ширина и форма резцов; задний и передний углы приострения; выход резцов из короночного кольца; их расположение в короночном кольце и относительно забоя; сечение промывочных каналов и шламовых пазов; способ крепления твердого сплава в короночном кольце.

Эффективность работы коронки во многом зависит от угла заточки резца 6 (см. рис. 2.8), переднего угла 5, угла поворота резца 8 и расположения резцов относительно друг друга. Угол 6 подбирают в зависимости от характера проходимых пород. Чем тверже порода, тем больше этот угол - он меняется от 45 до 120°С; для пород средней твердости рациональным является прямой угол резания, для мягких-80...75°. Разворот резцов относительно радиуса коронки на 10-15° повышает их сопротивляемость сколу.
Выход резцов на наружную и внутреннюю поверхность конуса коронки зависит от твердости пород: 0,75...1 мм - за боковые поверхности и 1,5...2,5 мм - над торцом для бурения твердых пород; 3...6 мм - за боковые поверхности и над торцом для бурения мягких пород. Для бурения в абразивных породах наружную и внутреннюю поверхность корпуса рекомендуется усиливать дополнительными подрезными резцами.

Для бурения в твердых и средней твердости абразивных породах умеренной трещиноватости применяют резцы с небольшой площадью сечения, которые в процессе работы самозатачиваются; для бурения трещиноватых пород средней твердости целесообразно использовать более крупные резцы с выпуском их на сторону и из-под торца коронки. Эффективно работают резцы в коронке, конструкция которой обеспечивает ступенчатую форму разрушения забоя, так как наличие дополнительных обнаженных поверхностей способствует более эффективному разрушению забоя (табл. 2.31).

Расположение резцов	Частота вращения коронки, мин-1	Средняя механическая скорость бурения в см/мин при осевой нагрузке, кН
		14	24	34
Ступенчатое	203 405 810	4,2 6,6 8,4	7,3 10,5 4,4	11,3 16,2 21,2
Плоскостное	203 405 810	2,3 3,2 4,5	4,0 5,5 8,5	5,6 8,0 10,2

Примечания:  

 1. Ступенчатый забой образован тремя опережающими резцами шириной 3 мм и длиной 20 мм и тремя подрезными шириной 8 мм, отстоящими от опережающих на 20 мм.
 2.  Плоский забой образован шестью призматическими резцами 3 х 3 х 20.

При увеличении числа резцов в коронке в одинаковых условиях бурения механическая прочность снижается обратно пропорционально корню из числа резцов (n =405 мин^-1; Р=14 кН):

Число резцов в коронке	3	6	9	12
Механическая скорость, см/мин	7,75	5,9	4,5	3,9

При одинаковом числе резцов механическая скорость бурения коронками с наклонно поставленными резцами выше, чем с вертикальными (табл. 2.32).

 

Передний угол резцов, градус	Число резцов	Частота вращения коронки,  минˉ1	Средняя механическая скорость в см/мин при осевой нагрузке, кН
			14	24	34
30	3	203	3,5	6,5	10,1
		405	5,5	10,5	14,2
		810	7,0	12,6	18,9
0	3	203	2,6	4,4	7,5
		405	4,1	6,5	10,1
		810	5,4	9,0	15,1
30	6	203	2,5	4,6	7,1
		405	3,8	7,0	10,5
		810	5,1	8,9	14,3
0	6	203	1,8	3,2	5,1
		405	2,8	4,3	7,3
		810	3,9	6,0	10,5

Влияние ширины торца  коронки на  показатели бурения микрорезцовых коронок диаметром 59 мм показано в табл. 2.33.

На основании результатов испытаний коронок различных диаметров и с различной шириной торца СКБ «Геотехника» рекомендуются как оптимальные значения ширины торца 8,5; 9 и 10 мм для коронок соответственно диаметром 59, 76 и 93 мм; при этом внутренний диаметр твердосплавных и алмазных коронок будет одинаков и соответственно равен 42, 58 и 73 мм.

Коронки разного диаметра разрушают различный объем породы. В связи с этим рекомендуется оснащать коронки разного диаметра различным числом резцов, исходя из обеспечения одинаковой удельной насыщенности резцами (число резцов на 1 см площади торца коронки); рациональной насыщенностью считается 0,7.

Корпус коронки изготавливают из трубной заготовки. Длина его (независимо от диаметра) принимается не более 75 мм. Профиль резьбы имеет трапецеидальную форму и соответствует ГОСТ 6238-77.

Основные конструктивные элементы резьбы приведены в табл. 2.34.

Длина резьбы независимо от ее диаметра составляет 30 мм с увеличением до 2 мм; в пределах того же размера выполняются проточка (3 мм) и сбег резьбы (не превышающий 6 мм). Пример обозначения резьбы: резьба 73 ГОСТ 6238-77.

На противоположной стороне корпуса выполнены промывочные каналы для выхода промывочной жидкости и шлама из-под торца коронки и вдоль корпуса по наружной поверхности - шламовые пазы для увеличения зазора между корпусом и стенкой скважины и, следовательно, лучшего выноса шлама (см. рис. 2.8, а).

Промывочные каналы в зависимости от назначения коронок могут иметь различные размер и форму. В коронках для бурения мягких и средней твердости пород (когда образуется большое количество шлама) размер промывочных каналов является определяющим. Суммарная площадь каналов должна быть не меньше минимальной площади сечения замков бурильных труб с тем, чтобы обеспечить свободный вынос даже крупных частиц породы.

В коронках для бурения абразивных пород средней твердости размер промывочных каналов определяется размером зубков, которые выполняют роль опор, поддерживающих пакеты с набором твердосплавных пластин. Так как зубки в процессе бурения контактируют с породой и уменьшают скорость бурения, их размер выбирают минимальным. В большинстве случаев зубки, и, следовательно, промывочные каналы выполняют в форме трапеции, потому что эта форма обеспечивает наибольшую их прочность и только в отдельных случаях с учетом технологических требований их делают прямоугольными.

Глубина промывочных каналов и высота зубков не превышают 10 мм, так как с увеличением этого размера уменьшается длина гладкой части короночного кольца, предназначенная для захвата шарнирным ключом при свинчивании и развинчивании коронок.

Шламовые пазы имеют в плане треугольную форму. Их число определяется диаметром коронок для каждого типоразмера (табл. 2.35).

В микрорезцовых коронках типа С А, при бурении которыми в абразивных породах средней твердости образуется очень мелкий шлам, отсутствие шламовых пазов практически не сказывается на показателях бурения.