专利名称：用于岩石钻凿的冲击钻头和用于制造该钻头的方法
技术领域：
第一方面，本发明涉及一种用于冲击式岩石钻凿的冲击钻头，其包括前头部和管 状裙部，管状裙部从该前头部延伸到环形后端并包括内螺纹，以向钻头传递冲击和旋转的 组合运动，该前头部包括旋转对称的包络表面，钻屑排出部埋头于该包络表面中并限定了 钻头的最大外径。此外，本发明涉及一种制造所述类型钻头的方法。
背景技术：
为了在岩石或地层中钻凿深孔，使用钻柱，钻柱包括多个杆和联接套筒，钻杆和套 筒随着钻孔深度的增加而组装。具有钻柄适配器(shank adapter)的陆地机械具有将冲击 和旋转的组合运动传递至钻柱的上端的目的，钻柱的下端承载有钻头，钻头执行压碎岩石 并形成孔的有效操作。冲洗液通过钻柱到达钻头，分离出来的钻屑可通过经过钻柱外侧和 孔内侧之间而被传送到孔入口。在这种类型的岩石钻凿设备中，产生了多种需要和要求，例如，为了以最好的方式 在岩石中冲击出预定目标深度，一个要求是凹进的孔应当尽可能直。为此目的，之前已经提 出了多种控制装置，其利用邻近于连接套管的管状控制元件，其将不同的钻杆连接在一起 或者可替代地沿着适当的钻杆联接。这类控制装置的缺点是，钻凿设备整体变得复杂、昂贵 和难以操作。在us 7，281，594中公开了先前已知的岩石钻头，其在一定程度上改进了钻孔 的平直度。在钻头的裙部上设置了若干个台阶，这些台阶连续地引导钻头。另一个需求是，包括在岩石钻凿设备中的部件特别是昂贵的钻头应该具有最佳的 使用寿命。为了满足该需求，尤其重要的是，钻头的后裙部的内螺纹被车削成具有光滑和精 密成形的螺纹脊和螺纹槽，因为要不然裂纹和其它现象的趋势可能发生，这些将导致腐蚀 疲劳。
发明内容
本发明旨在通过提供一种改进的用于冲击式岩石钻凿的钻头，以消除现有技术中 的上述的缺陷。因此，本发明的一个主要目的是提供一种钻头，该钻头一方面比现有的钻头 具有显著改进的、固有的可控性；另一方面，可以造成具有精密成形的阴螺纹，该阴螺纹具 有光滑的表面，同样确保钻头具有较长的使用寿命。更精确地，螺纹应当可以借助于车刀车 削，车刀的刀杆相对较短，目的是在车削期间避免刀具的振动和弯曲现象。另一个目的是提 供一种钻头，不管固有的可控性如何，该钻头都具有适度的质量，并且使得间歇的冲击波直 接从钻柱传递到钻头的头部和以与传统的钻头相同的方式定位的球齿(button)。根据本发明，至少主要目的是通过权利要求1的特征部分中限定的特征来实现。 根据本发明的钻头的优选实施方式进一步在从属权利要求2-9中详细描述。在第二方面中，本发明还涉及用于制造上述类型钻头的方法。该方法的特征在独 立权利要求10中限定。
在附图中图1为透视分解图，显示了包括在根据本发明的钻头中的两个部件，该两个部件 彼此分开，还示出了钻杆的与钻头连接的部分；图2为分解纵向截面图，显示了钻头两个部分分开的状态；图3为穿过钻头的纵向截面图，其中钻头处于组装状态并与钻杆分开；图4为相应的纵向截面图，显示了与钻头连接的钻杆。
具体实施例方式附图中，1大致表示根据本发明所制造的钻头(见图3和4)，钻头1用于与被包括 在钻柱内的钻杆2联接在一起。在图1和图2中可见，钻头1通过将两个部分即前部3和 后部4组装起来而制造出来。在这两部分3、4中，前部被制成传统的钻头。因而，该部分3 包括前头部5和管状裙部6，管状裙部6从头部5延伸至环形后端7。前部3通过包括旋转 对称的包络表面而具有旋转对称的基本形状，包络表面由前头部5的外侧上的锥形表面8 以及裙部6的外侧上的柱状表面9构成。锥形表面8从圆形分界线10沿着向后方向会聚， 该锥形表面沿着该圆形分界线10转变成前表面11，在该前表面11中安装了硬质合金的球 齿，即一组中心球齿12和一组周边球齿13。在分界线10的水平上，前头部5具有其最大的 外径0Dlt)相应的柱状表面9的外径0D2小于0Dlt)裙部6限定有中空空间15，中空空间15具有柱状形状并在由环形端部表面7环绕 的开口 16中敞开。在裙部6的内部，设置阴螺纹17，以与钻杆2上的阳螺纹18相协作。如 在图1中最好示出的，阳螺纹形成于钻杆的前端，该前端由平坦的环形表面19构成，该环形 表面19环绕在钻杆中居中地延伸的管道20，管道20用于向钻头供给冲洗水。前部3的中 空空间15的内端由平坦的环形肩表面21组成，在冲力传递到钻头时，钻杆的端表面19撞 击该环形肩表面21。中空空间15经由管道22与钻头的外侧连通，该管道22终止于前表面 11，并且终止于锥形表面8。关于前部3，总的来说多个钻屑排出部23埋头于锥形表面8中。冲洗液的一个重 要作用是通过这些凹槽23将碎屑排至地面。与在不同类型的机器细节中发现的类型的不能够弹性上紧的螺纹接头相反，由阳 螺纹18和阴螺纹17形成的接头以如下方式形成，即阳螺纹间歇式地被拧入，以及相应地 阳螺纹被旋松，从而在每次冲击运动后，钻头旋转到相对于岩石的一个新的旋转角度位置。 钻柱的冲击运动主要经由表面19、21被传递到钻头，而螺纹接头的主要任务是为钻头提供 逐步的旋转。应该提到的是，所描述的前部3通过去屑加工(分别是车、铣、镗)制造，阴螺 纹17通过内部车削加工而形成。至于所示的迄今为止描述过的前部3，其与前面已知的岩石钻头在任何基本点上 没有不同。根据本发明，裙部6的后端7经由非弹性接头24(参见图3和图4)结合或者刚性 地连接到后部4的前端25，后部4具有套筒的形式，后部4的外表面或包络表面26形成有 突起，从而在由前头部5及其球齿凹进的孔中引导钻头。套筒4也具有旋转对称的基本形状。更精确地，由于外表面或包络表面26以及内表面27是柱状的，因此所述套筒4在该实例中为柱状。因此，套筒限定了轴向贯穿的中空空间，该中空空间在中空空间15处敞开，也 在后开口处敞开，该后开口由后部的表面且在此情况下由套筒的锥形端表面28环绕。可替 代地，所述端表面可以设有所谓的折回齿(retrac teeth)。套筒4的柱状表面26和裙部6 的包络表面9优选地在接头24的区域中是光滑的且柱状的。在所示的优选实施例中，套筒外侧上的导向突起由多个外周向间隔开的脊部29 构成，脊部29在轴向上沿着套筒延伸且通过凹槽30彼此间隔开，该凹槽30类似于凹槽23 形成了钻屑排出部。钻屑排出部30的总横截面积应当至少与凹槽23的总横截面积一样大。 从脊部29向外面向的顶表面一起形成环形结构，该环形结构在该实例中是柱状的，因为每 个顶表面具有部分的柱状形状。脊部29的顶表面一起限定了套筒的最大外径OD3，外径OD3 大于包络表面26的外径0D4。更精确地，在该情形中，凹槽30例如通过铣削而形成为整体 指定为31的颈圈，这些凹槽是相同的并限定脊部，脊部是均勻的，使得它们具有一个相同 的长度和一个相同的宽度。关于这一点，脊部比凹槽稍深，即，凹槽的底部没有到达包络表 面26的虚拟延长线。也应该观察到，颈圈31 (即这一组脊部29)位于套筒4的后端。在所 示的优选实施例中，颈圈31的外径OD3和前头部5的外径OD1大小相等。然而，OD3可以稍 微小于OD1，但是绝不会大于OD115可替代地，脊部29可以与钻头的旋转轴线形成一定角度。有利的是，套筒4在其前部沿着包络表面26具有外径OD4,该外径OD4与裙部6的 外径OD4的大小相等。然而，内径ID1比管状裙部6的内径ID2大，管状裙部6的内径ID2例 如由内螺纹17的外径表示，即由螺纹槽的最大直径表示。更适合但不必须的是，套筒4的长度L1大于前部3的长度L2。假设完成的钻头具 有最优的质量，则可相应地获得最大的可控性，这是因为导向脊部29定位于距离前头部5 最大可行距离处。实际上，套筒可以有利地永久性结合到前部3，从而与该前部3 —起形成一体的钻 头，该钻头在磨损后被丢弃。因此，前部3和后部4之间的接头24可以是冶金的，并通过例 如摩擦焊接或其它合适的焊接而形成。然而，在本发明范围内，可行的是经由半永久性接头 (例如，具有适当锁定装置的非弹性螺纹接头、或者容易分离的金属接头)将前部3和后部 4结合起来。在所示的实施例中，用于密封环33的环形凹槽32凹入套筒4的内表面27中。更 精确地，所述密封环33紧邻套筒的后端28定位，目的在于避免切屑穿入钻杆2的包络表面 和套筒的内部之间的间隙。同样应该提到的是，脊部29的轴向延伸或长度L3小于套筒的长度L1的一半。例 如，L3大约为L1的35%。通过对钢制工件进行切削或去屑加工，尤其是车削，但也可以是铣削和钻孔，以几 个分开的步骤执行两个部分3、4的制造，该两个部分3、4 一起构成准备使用的钻头。部分 3的内螺纹17的形成可以通过借助车刀进行内部车削来执行，车刀的刀杆具有非常适中的 长度。以此方式，车削操作可以在没有麻烦振动的风险下进行，这种振动可能危害所需的螺 纹的精度和表面光滑度。套筒4的加工相当简单，并主要包括车削，以及包括后颈圈的凹槽 的一些铣削加工。在完成了部分3 (带有或者不带有球齿)和部分4之后，通过将裙部6的 后端与套筒4的前端焊接在一起而将部分3、4永久性地结合。适宜地但不必须的是，这通过摩擦焊接来执行。根据本发明的钻头一个基本优点是，钻头的内螺纹可以给予期望的精度和光滑 度，同时具有引导钻头的目的的脊部或突起可以定位在离钻头的前头部有利的最远轴向位 置处。另外，以如下方式形成延伸的套筒是构造方式简单的，即组装的钻头获得不导致失 衡的总质量。此外，操作中的钻柱的改进的可控性仅通过钻头而获得，即，不需要采取其它 的难以操纵的控制元件。以另一种方式表达，可以说在没有传递需要改变的冲击波的情况 下，钻头自身就提高了钻出直孔的条件。因此，冲击波可以通过与传统钻头同样有利的方式 经由硬质合金球齿而从钻杆端传递到岩石表面。本发明不仅仅局限于上述和附图所示的实施例。因此，套筒的外部引导突起的形 状和布置可以采用多种方式修改。替代仅仅长而窄的脊部，突起可以由例如半球形凸块 (knob)或凸块与脊部的组合而组成。替代如已在附图中所示的一单个组的后脊部或突起， 两个或更多个轴向间隔开组的脊部或突起可以形成在套筒上。甚至可行的是，设置在轴向 上彼不同的脊部或突起。换句话说，这些脊部或突起不是必须聚集成环形结构或颈圈。本申请要求瑞典专利申请No. 0702638-8的优先权，该专利申请的公开内容通过 引用并入此处。
权利要求
用于岩石钻凿的冲击钻头，其包括前头部(5)和管状裙部(6)，所述管状裙部(6)从所述前头部向后延伸到环形后端(7)并包括内螺纹(17)，用于向所述钻头传递冲击和旋转的组合运动，且所述前头部(5)包括旋转对称的包络表面(8)，钻屑排出部(23)埋头于所述包络表面(8)中，并且所述包络表面(8)限定了钻头的最大外径(OD1)，其特征在于所述裙部(6)的所述后端(7)经由非弹性接头(24)而结合到套筒(4)的前端(25)，所述套筒(4)具有包络表面(26)，多个突起(29)从所述包络表面(26)沿外周向彼此间隔开地突出，从而在由所述前头部凹入的孔中引导所述钻头。
2.如权利要求1所述的钻头，其特征在于所述突起由脊部构成，所述脊部沿着所述套 筒(4)在轴向上延伸并一起形成环形结构，且所述脊部的外径(OD3)不大于所述前头部(5) 的外径(OD1)。
3.如权利要求2所述的钻头，其特征在于所述脊部(29)被包括在颈圈(31)中，所 述 颈圈(31)的轴向长度(L3)小于所述套筒的长度(L1)15
4.如权利要求2或3所述的钻头，其特征在于所述前头部(5)的外径(OD1)和由所述 脊部(29)形成的所述环形结构的外径(OD3)大小相等。
5.如权利要求3或4所述的钻头，其特征在于所述颈圈(31)被布置成紧邻所述套筒 (4)的后端(28)。
6.如前述权利要求中任一项所述的钻头，其特征在于所述套筒(4)的长度(L1)大于 所述前头部(5)和所述裙部(6)的总长度(L2)。
7.如前述权利要求中任一项所述的钻头，其特征在于所述套筒(4)经由冶金接头 (24)被永久性地结合到所述裙部(6)，从而形成所述钻头的一体部件。
8.如前述权利要求中任一项所述的钻头，其特征在于所述套筒(4)的结合到所述裙 部(6)的部分具有与所述裙部(6)的外径(OD2)大小相等的外径(OD4),但具有比所述裙部 (6)的内径(ID2)大的内径(ID1),所述裙部(6)的内径(ID2)例如由所述内螺纹(17)的外 径表示。
9.如前述权利要求中任一项所述的钻头，其特征在于所述套筒(4)的柱状表面(26) 和所述裙部(6)的包络表面(9)在所述接头(24)的区域中是光滑的且柱状的。
10.一种用于制造冲击式岩石钻凿用的钻头的方法，所述钻头包括前头部(5)和管状 裙部(6)，所述管状裙部(6)从所述头部向后延伸至环形后端(7)并包括内螺纹(17)，用 于向钻头传递冲击和旋转的组合运动，所述前头部(5)包括旋转对称的包络表面(8)，钻屑 排出部(23)埋头于所述包络表面(8)中，并且所述包络表面(8)限定了钻头的最大外径 (OD1),其特征在于以下步骤a)在所述裙部(6)的内部车削所述内螺纹(17)，和b)在此之后，经由非弹性接头(24)，将所述裙部的后端结合至套筒(4)的具有包络表 面(26)的前端(25)，多个突起(29)从所述包络表面(26)沿外周向彼此间隔开地突出，其 目的在于在由所述前头部凹入的孔中引导所述钻头。
全文摘要
本发明涉及一种用于岩石冲击钻凿的钻头，该类型钻头包括前头部(5)和管状裙部(6)，所述管状裙部(6)从前头部向后延伸至环形后端并包括内螺纹(17)，以用于向钻头传递冲击和旋转的组合运动。所述裙部(6)的后端经由非弹性接头(24)(例如摩擦焊接)而被结合到套筒(4)的具有包络表面的前端，多个突起(29)(例如脊部)从所述包络表面沿外周向彼此间隔开地突出，其目的是在钻孔中引导钻头。通过组装两部分的钻头，内螺纹(17)可以车削成高精度和高光滑度，同时给予钻头良好的可控性。在另一方面，本发明还涉及制造这种钻头的方法。
文档编号E21B10/36GK101878346SQ200880117380
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月12日 优先权日2007年11月21日
发明者彼德·纳瓦 申请人:山特维克知识产权股份有限公司