牙轮钻头轴承表面的构造的制作方法

专利名称：牙轮钻头轴承表面的构造的制作方法
牙轮钻头轴承表面的构造
优先权要求
本申请要求2008年3月14日提交的美国临时申请专利序列号61/036，785的权 益，该临时申请的公开内容在此通过引用并入。技术领域
本发明一般地涉及地钻孔钻头，更具体地涉及牙轮钻头。
技术背景
牙轮钻头是在石油、天然气和采矿领域中用来穿透地球岩层形成井筒的切削工 具。钻头的载荷和运动传递至三头和锥体(cone)组件中的轴承。对于应用轴颈轴承的 钻头而言，主轴颈轴承承载了多达80%的总径向载荷。主轴颈轴承由头(作为轴)、轴承 衬(轴瓦，bushing)以及锥体(作为轴承箱)组成。由于高载荷(> 10，0001b)和低速 (70 250rpm)，轴承在界面或者混合润滑作用区域运转，在该区域头没有完全与轴承衬分 离。粗糙面接触和液体动压力都支撑载荷。限制在那些粗糙面中的润滑脂是有效的润滑介 质并且其量是相当有限的。在接触区域，轴承经历润滑脂缺乏是常见的。此后，轴承经常遭 受划伤(scoring)、刮伤(scuffing)以及甚至严重故障(catastrophic failure)如磨损 (galling)或者咬死(seizure)。在头和轴承衬间的接触表面收集(trapped)更多的润滑 脂以减小摩擦是期望的。
参考图1A，图IA图解说明了典型的牙轮钻头的部分剖面图。图IA更具体地图解 说明了一头和锥体组件。这种钻头的一般构造和操作是本领域技术人员所熟知的。
钻头的头1包括轴承轴(bearing shaft) 2。切割锥体(cutting cone) 3可旋转地 安置在作为轴颈的轴承轴2上。钻头的主体部分包括上部螺纹部分，其形成能够帮助钻头 与钻柱(未显示)连接的钻具接头连接4。润滑系统6被包括以用于向锥体3和轴承轴2 之间的轴颈轴承提供润滑作用，并且将润滑剂保留于其中。这个系统6具有为本领域技术 人员所熟知的构造和操作。
提供若干轴承系统与支持锥体3围绕轴承轴2旋转的轴颈轴承相连。这些轴承系 统包括第一圆柱形滑动轴承10 (本文也称为主轴颈轴承)、滚珠轴承12、第二圆柱形滑动轴 承14、第一径向滑动(推力)轴承16和第二径向滑动(推力)轴承18。
参考图1B，其示出了另外一种典型的牙轮钻头的部分剖面图。参考数字141指的 是锥体150在头轴(驱动轴)130上的旋转轴。参考数字106指的是钻头本身的中央旋转 轴。同样的参考数字指的是相同或者相似的零件。在此标注使用锥形推力轴承16’ (tapered thrustbearing)0
图2更详细地图解说明了图IA的部分剖面图，其示出轴承系统。第一圆柱形滑动 轴承10被在轴承轴2上的外部圆柱面20和轴承衬M的内部圆柱面22限定，所述内部圆柱 面已被压配合入锥体3。轴承衬M是环形结构，其一般由铍铜(beryllium copper)制成， 但是其他材料的使用在本领域是已知的。滚珠轴承12支撑于限定在轴承轴2和锥体3之间的界面的环形滚道26内。第二圆柱形滑动轴承14被在轴承轴2上的外部圆柱面30和 锥体3上的内部圆柱面32限定。外部圆柱面30向内径向偏离外部圆柱面20。第一径向滑 动轴承16通过在轴承轴2上的第一径向面40和在锥体3上的第二径向面42限定在第一 和第二圆柱形滑动轴承10和12之间。第二径向滑动轴承18靠近位于锥体的旋转轴的第 二圆柱形滑动轴承12，并且该第二径向滑动轴承18由在轴承轴2上的第三径向面50和在 锥体3上的第四径向面52限定。
在切割锥体3和轴承轴2之间放置环形密封圈60。圆柱面密封轮毂(seal boss) 62 被设置在轴承轴上。在图示的结构中，该密封轮毂62的表面向外径向偏离第一滑动轴承10 的外部圆柱面20 (偏离轴承衬M的厚度)。可以明白，如果需要，密封轮毂能够表现相对于 主轴颈轴承表面不偏离。在锥体3中形成环形密封套64。当切割锥体3被可旋转地定位于 轴承轴上时，密封套64和密封轮毂62互相对齐。环形密封圈60被压紧在密封套64的表 面(一个或多个)和密封轮毂62之间，并且该环形密封圈60作用是将润滑剂保留在绕轴 承系统的轴承区域(承载面积，bearing area)中并且阻止井筒中的任何物质(钻井泥浆 和岩屑)进入轴承区域。
再次参考图1B，锥形推力滑动轴承16，(tapered thrust frictionbearing)通过 在轴承轴130上的第一锥形面40’和在锥体150上的第二锥形面42’限定在第一和第二圆 柱形滑动轴承10和12之间。图IB的另外的特征与图IA和图2的大体相同。
尽管在一些情况下表面被称为圆柱形的或者径向的，并且示出为线性的，但是应 该理解本领域技术人员所熟知的其他表面几何形状(例如，非线性的表面形状，既不平行 与也不垂直于锥体旋转轴141，例如环形的或者其他方式弯曲的)可用于轴承表面和推力 表面。
粗糙面接触和液体动压力二者都支撑着轴承系统中的载荷。使用系统6，将润滑剂 提供在第一圆柱形滑动轴承10、第二圆柱形滑动轴承14、第一径向滑动轴承16 (或锥形推 力轴承16’)和第二径向滑动轴承18中、在所涉及的圆柱形表面和径向表面之间。但是，在 轴承系统的这些表面接触区域中，轴承经历润滑脂缺乏是常见的。这能够导致划伤、刮伤以 及甚至严重故障如磨损或者咬死。有必要在夹在轴承系统的所涉及的和相对的圆柱形表面 和径向表面之间的位置中保留润滑剂。
参考如下现有技术文件美国专利号3，839，774 (Oct. 8，1974)， 4，248，485 (Feb. 3，1981)和 5，485，890 (Jan. 23，1996)美国公开 2005/0252691 (Nov. 17， 2005)；以及PCT公开WO 2007/146276 (Dec. 21，2007)，这些的公开内容在此通过引用并入。发明内容
为解决润滑脂缺乏和可能的轴承破坏问题，需要增加能够保持在轴承系统的表面 接触区域中的润滑剂的量。在将更大量的润滑剂引入这些表面接触区域的努力中，轴承系 统的表面形貌以如下所述的方式进行改变。
使用表面构造改善牙轮钻头轴承系统的一个或者更多个表面(不限于例如径向 的或圆柱形的)的形貌。关于表面构造的某些特征及其对减小轴承摩擦和延长钻头寿命的 有益影响，描述创新的方法和设备。这些特征解决了现有技术中关于主轴颈轴承表面以及 小轴颈轴承表面和推力轴承表面的结构和操作的不足。6
由于重载荷和低速度，驱动轴(头轴，head shaft)和主轴颈轴承的轴承衬在轴承 系统的载荷侧接触。这种金属对金属的接触在轴承系统的摩擦行为中占主导地位。摩擦系 数正常能够达到超过0. 1，这样产生大量的热而且可能导致轴承和密封件破坏。为了改善轴 承寿命，必须减小摩擦。在混合的润滑作用区域中，有两种方法在这些表面接触区域中产生 更好的润滑作用供应更多的润滑脂或者产生更高的液体动压力。
根据一种实施方式，通过表面构造技术改善头轴承(止端轴承，headbearing)系 统的表面形貌。将表面构造引入到牙轮钻头轴承系统的头侧(head side)上或者轴承衬 (或者锥体)侧(或两者)上。本文公开的表面构造包括保留额外的润滑剂并且因此有助 于减小在边界和混合润滑作用区域中的摩擦的微凹。
如本文所述的表面构造在轴承系统的一个或者更多个表面上产生特定图案的微 凹。为了识别在根据本文描述的实施方式的轴承系统中可能的构造表面，再次参考图IA和 图2。在一种执行方案中，表面构造提供在轴承轴2的外部圆柱面20上，所述外部圆柱面形 成了第一圆柱形滑动轴承10的一部分。在另一个执行方案中，表面构造提供在轴承衬M 的内部圆柱面22上，所述内部圆柱面已被压配合入锥体3并且形成了第一圆柱形滑动轴承 10的一部分。在仍另一执行方案中，表面构造提供在轴承轴2的外部圆柱面30上，所述外 部圆柱面形成了第二圆柱形滑动轴承14的一部分。在仍另一执行方案中，表面构造提供在 锥体3的内部圆柱面32上，所述内部圆柱面形成了第二圆柱形滑动轴承14的一部分。在 另一个执行方案中，表面构造提供在轴承轴2上的第一径向面40(或锥形表面40’ )上，所 述第一径向面形成了第一径向滑动轴承16(轴承16’)的一部分。在仍另一执行方案中， 表面构造提供在锥体3的第二径向面42 (或锥形表面42’ )上，所述第二径向面形成了第 一径向滑动轴承16 (轴承16’)的一部分。在仍另一执行方案中，表面构造提供在轴承轴2 的第三径向面50上，所述第三径向面形成了第二径向滑动轴承18的一部分。在仍另一执 行方案中，表面构造提供在锥体3的第四径向面52上，所述第四径向面形成了第二径向滑 动轴承18的一部分。也可以使用上述构造表面与未构造表面的任何组合。
表面构造的微凹表现为润滑剂储器，其将润滑作用渗透入金属粗糙面的内部空 间。同时，在微凹区域上产生更高的液体动压力。这两种作用以摩擦的减小促进了轴承系 统润滑作用的提高。优选地，表面构造的微凹覆盖目的接触轴承表面的60%-100%。甚至 更加优选地，微凹应该覆盖目的表面的70-90%之间。在一个执行方案中，微凹基本上覆盖 目的表面的100%。
本文的实施方式使用多种方法中的任何一个或者更多个来产生表面构造，所 述实施方式包括机械加工、化学蚀刻、激光构造加工(Iasertexturing)、深滚压(de印 rolling)、振动抛光(vibratory finishing)，等等。可控制性、均一性、成本、覆盖面积、微 凹尺寸、微凹深度以及微凹形状是决定选择何种方法以形成构造的因素。
在优选的执行方案中，使用喷丸硬化(shot peening)产生表面构造的微凹。更具 体地，使用两步法喷丸硬化过程。根据这种两步法过程，在第一步中将待处理的轴承系统表 面暴露于第一喷丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的小球介质(media)(“喷丸”)以第一强 度水平轰击表面。在第二步中，将正处理的同一轴承系统表面暴露于第二强度水平的第二 喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的小球介质(“喷丸”)轰击表面。优选地，从第一强度 水平减少得到第二强度水平。优选地，第二平均尺寸比第一平均尺寸小。
在优选的执行方案中，实行两步法喷丸硬化过程的每一步以达到60-100%之间的 喷丸处理覆盖面积(peened coverage area)。当在每一步中使用少于100%的喷丸处理覆 盖面积时，目标是达到处理表面的以下最终喷丸处理覆盖面积至少60%，以及更具体地 70-90%和更优选地接近或者达到基本上100%。
可以更进一步理解，喷丸硬化过程可使用超过两个的单独弹射(锤击，peening) 作用。例如，可以使用三步法、四步法或者更多步法过程。每一步优选地使用不同平均尺寸 的介质和不同的强度水平。
公开内容也包括对轴承表面进行断续类型的构造，在这种构造中不是所有的给定 表面都接受表面构造处理。


图IA图解说明了典型的牙轮钻头的部分剖面图IB图解说明了另一典型的牙轮钻头的部分剖面图2图解说明了图IA的部分剖面图，其更详细地示出轴承系统；
图3图解说明了示例性的喷丸硬化冲击模式；
图4以横截面图解说明了通过图3的喷丸硬化处理的目的表面，有或者大约有 100%的覆盖面积；
图5以横截面图解说明了通过额外的喷丸硬化处理的目的表面，有低于100%的覆盖面积；
图6图解说明了对于额外实施的喷丸硬化的示例性冲击模式；
图7、8和9以横截面图解说明了通过额外的喷丸硬化过程处理的目的表面；
图10和11是图解说明经历两步法喷丸硬化过程的表面之间的形貌比较的图像；
图12是图解常规机械加工表面的形貌的图像；
图13是图解两步法喷丸硬化表面的形貌的图像；
图14、15和16图解说明了表面构造(surface texting)引起的对摩擦系数的有 益影响；
图17图解说明了当在地层中操作时，牙轮钻头的部分剖面图18图解说明了取自轴颈轴承的横截面；和
图19图解说明了断续表面构造的可选形式。
具体实施方式
使用表面构造修改牙轮钻头的轴承系统的一个或者更多个表面(径向的或者圆 柱形的)的形貌。表面构造产生微凹表面，微凹表面保留有益于减小在界面和混合润滑作 用区域中的摩擦的额外润滑剂。微凹构造的表面覆盖面积至少应超过最小60%，更优选在 70-90%之间，以及甚至更优选地接近或者达到近似100%。
为认识应用该表面构造的轴承系统中的构造表面，再次参考图1和图2。
首先看第一圆柱形滑动轴承10，表面构造提供在轴承轴2上的外部圆柱面20和被 压配合入锥体3的轴承衬M的内部圆柱面22中的一个或另一个或者两个上，这些表面形 成第一圆柱形滑动轴承10 (或者主轴颈轴承)。
关于第二圆柱形滑动轴承14，表面构造提供在轴承轴2的外部圆柱面30和锥体3 的内部圆柱面32中的一个或另一个或者两个上。
对于第一径向滑动轴承16，表面构造提供在轴承轴2的第一径向面40 (或表面 40’ )和锥体3的第二径向面42 (或表面42’ )中的一个或另一个或者两个上。
最后，对于第二径向滑动轴承18，表面构造提供在轴承轴2的第三径向面50和锥 体3的第四径向面52中的一个或另一个或者两个上。
也可使用上述构造的表面与期望的未构造表面的任何组合。
表面构造的微凹作为润滑剂储器，其将润滑作用渗透入金属粗糙面的内部空间。 同时，在微凹区域上产生更高的液体动压力。两种作用促进轴承系统润滑作用的提高。
多种方法中的任何一个或者更多用于产生微凹表面构造，所述方法包括机械加 工、化学蚀刻、激光构造加工、深滚压、振动抛光、喷丸硬化，等等。可控制性、均一性、成本、 覆盖面积、微凹尺寸、微凹深度以及微凹形状是影响为表面构造过程选择何种方法的因素。
微凹的表面构造应是任意的并具有相同的覆盖率(coverage)。优选地，应存在不 同尺寸的微凹并且微凹应随机分布整个表面。优选的是在目的表面上基本上100%的最终 覆盖面积。如果原始的表面完全被交叠的微凹构造剔除，那么可以说已经达到了 100%的 覆盖面积。此外，最终的表面结构应没有任何锐边，所述锐边可能促进轴承系统中不希望的 金属对金属接触。但是，应该认识到该益处产生于在目的表面上超过60%或者更优选地在 70-90%之间以及向上接近100%的最终覆盖面积。
在优选的执行方案中，选择喷丸硬化以通过形貌(topology)改变形成微凹的表 面结构。喷丸硬化有利地具有随机性但是有均一覆盖率的特点。喷丸硬化也是可控的过程， 因此只有那些需要的表面将具有改变的表面形貌(这允许临近弹射表面存在机械加工表 面)。如本领域的技术人员已知的，喷丸硬化是冷加工过程，其中零件的表面被称为喷丸的 小球介质轰击。每一个喷丸由于撞击在表面上留下一个很小的微凹。喷丸硬化被更广泛地 用于产生压应力以便减少疲劳裂纹。受到在表面上产生细小微凹的目的(view)启发，如本 文所述出于不同目的，使用喷丸硬化产生微凹的表面构造，这种构造可将更多的润滑剂限 制在轴承表面接触区域(一个或多个)和产生更好地分开轴承表面的增加的液体动压力。
上述的表面20、22、30、32、40、42、50和52中的任何一个或者更多个可经历喷丸硬 化处理。在优选的执行方案中，两步法(双重)喷丸硬化过程应用于目的表面。
在第一步中，在表面上在第一喷丸强度(射击强度，shot intensity)下使用第一 喷丸介质完成喷丸硬化。第一步喷丸硬化作用进行第一段时间以获得需要的覆盖面积。喷 丸介质(射击介质，shot media)优选地是铸钢，在示例性的执行方案中该铸钢的第一平均 尺寸为0. 011英寸，和第一步的强度是0. 007 0. 010C (通过Almen带测定)。可选择地， 对于较软的表面例如在轴承衬M上的第一圆柱形滑动轴承10的内部圆柱面22，喷丸介质 是玻璃珠(第一步的强度0. 008 0.012N)。在示例性的执行方案中，玻璃介质的平均尺寸 是0.006英寸。可基于例如材料的硬度是否超过某一阈值(例如HRC45的硬度)，制定硬 表面与软表面之间的差别。在上述主轴颈轴承的执行方案中，硬化钢材料的轴颈具有HRC 58-62的硬度，而铍铜的轴承衬具有大约HRC 38的硬度。
优选地，在第一段时间后由这种第一喷丸硬化步骤的完成而产生的喷丸处理覆盖 面积在60%和100%之间。也提供超过100%的覆盖率。覆盖率被定义为通过过程步骤表面完成构造(例如微凹化)的程度(以百分比计)。因此，具有100%覆盖率是已被弹射表 面的原始表面构造已被第一喷丸硬化步骤完全剔除。超过100%的覆盖率是通过延长弹射 暴露时间超过达到100%覆盖率所需的时间而得到的。例如，200%覆盖率可通过喷丸硬化 表面两倍于得到100%覆盖率所需时间量实现的。
图3图解说明了对于执行第一喷丸硬化步骤，具有100%的覆盖面积或者大约 100%的覆盖面积的示例性的冲击模式。
图4以横截面图解说明了通过第一喷丸硬化步骤处理的目的表面。
相反地，图5以横截面图解说明了通过第一喷丸硬化步骤处理的具有少于100% 的覆盖面积(即，处理较短一段时间)的目的表面。
在第二步中，在由第一步完成得到的表面(图4或者图幻上，使用第二喷丸介质 在第二强度下进行喷丸硬化。第二步喷丸硬化作用进行第二段时间以便得到需要的覆盖面 积。喷丸介质优选具有第二平均尺寸0.011英寸(其比第一平均尺寸小)的铸钢，和第二 步的强度是0. 007 0. OlOA (通过Almen带测定)。可选地，对于较软的表面诸如在轴承衬 M上的第一圆柱形滑动轴承10的内部圆柱面22，喷丸介质是更小的玻璃珠。优选地，由这 个第二步喷丸硬化步骤完成得到的喷丸处理覆盖面积在60%和100%之间。
图6图解说明了对于执行第二喷丸硬化步骤，具有低于100%的覆盖面积的示例 性冲击模式。
图7以横截面图解说明了通过第二喷丸硬化步骤(当从图4所示的第一步结果开 始时)处理目的表面得到基本上100%覆盖面积必需的第二段时间。
图8以横截面图解说明了通过第二喷丸硬化步骤(当从图5所示的第一步结果开 始时)处理的目的表面。在这种情况下，第二步具有小于100%的覆盖率(由于暴露缩短的 第二段时间)。
图9以横截面图解说明了通过第二喷丸硬化步骤(当从图5所示的第一步结果开 始时)处理的目的表面。在这种情况下，通过选择需要的第二段时间，第二步具有100%的覆盖率。
不管用第二喷丸硬化达到的覆盖面积百分比如何，优选的是最小碰撞的第二喷丸 硬化步骤，如图7所示，在由第一喷丸硬化步骤(见图4和图幻完成得到的表面构造中存 在任何锐边。这会导致表面构造加工面(finish)的改进，其中减少了在轴承系统中金属对 金属接触的可能性。
优选地，在目的表面的喷丸硬化(两步或者更多步骤)的完成后，对于组合的第 一步和第二步表面微凹化处理，实现基本上100%的覆盖面积。但是，覆盖面积大于60%、 70-90%以及大于90%是有利的。
尽管描述了两步法过程，但是可以理解喷丸硬化过程可使用多于两个单独的弹射 作用。例如，使用三步法、四步法、或者更多步法过程。每一步将优选使用不同的平均尺寸 的介质和不同的强度水平。
对于较软的材料，例如硬度是HRC45或者硬度低于HRC45，可能只需一个喷丸硬化 步骤作用。但是，较硬的材料受益于如上所述的两步或者更多步喷丸硬化作用的施行。
可以理解本文示出的横截面的表面构造图解实际上是示意性的和示例性的。附图 中示出的图解的微凹形状和位置的规律性和周期性不必是在横截面处所见的实际的喷丸硬化表面的精确图解，更确切的是代表使用两步过程达到的结果。本领域的熟练技术人员 理解由给予各自不同第一段时间和第二段时间的第一和第二步骤的每一个进行弹射作用 产生的形貌。
已知在现有技术中提供具有粗糙度为8至16微英寸Ra的径向和圆柱形的轴承系 统表面。这将包含标准用途的典型的抛光轴承表面(也见图12)。但是，作为本文描述的表 面处理过程完成的结果，喷丸硬化的目的轴承表面具有大于20微英寸Ra的表面加工粗糙 度(也见图13)。
现在参考图10，图10是图解根据上述的两步法喷丸硬化过程处理以具有大于20 微英寸Ra的表面粗糙度的表面(见左边的轴承轴)和具有常规的8至16微英寸Ra的表 面粗糙度的表面(见右边的轴承轴和中间的轴承衬的内表面)之间的形貌比较的图像。图 11是图解根据上述的两步法喷丸硬化过程处理以具有大于20微英寸Ra的表面粗糙度的表 面(见左边的轴承轴和中间的轴承衬的内表面)和具有常规的8至16微英寸Ra的表面粗 糙度的表面(见右边的轴承轴)之间的形貌比较的图像。
图12是图解常规的(regular)机械加工面的形貌的图像，例如在现有技术中用于 轴承系统表面的。
图13是图解根据上述产生的两步法喷丸硬化表面的形貌的图像。
在相同的操作条件下，在轴承试验装置上测试具有常规机械加工轴承衬的常规机 械加工轴(见图12的表面)、具有常规机械加工轴承衬的喷丸硬化轴(见图13的表面)， 以及具有喷丸硬化轴承衬的常规机械加工轴。图14和图15图解了该测试的结果并示出表 面构造(一般地)以及根据上述过程的两步法喷丸硬化(具体地)对在这三个轴承系统结 构中摩擦系数的有益影响。制造的表面构造的小微凹的存在产生液体动压力，稳定或者减 小摩擦。具有常规的机械加工面(在该技术领域熟知的)的轴和轴承衬系统暴露于更多粗 糙面与粗糙面接触以至在这种轴承系统结构中的摩擦显示很大的变化。但是，对喷丸硬化 的轴和/或轴承衬系统(图解的两种执行方案)，极小微凹为润滑脂提供了更多的储器以润 滑摩擦面。同时，包含在微凹中的润滑脂将产生液体动压力以更好地分开摩擦结合。因此， 摩擦趋于更加稳定或者减小。
图14和图15区别仅仅在于标示和呈现图解的数据所使用的方式。
现在参考图16，图16也图解说明了根据上述两步过程的喷丸硬化对在这三个轴 承结构中的摩擦系数的影响。图16图解说明了与图14和图15所提供的相同的信息，但是 以不同的方式进行呈现。图16图解丢失了一些在图14-15中所示的关于在常规的头和轴承 衬系统中的摩擦变化以及在喷丸硬化的头和轴承衬系统中的摩擦减少的信息。虽然如此， 如本文所述，轴承系统的表面构造加工面的摩擦益处是显而易见的。
总的来说，提供表面构造的头轴承(止端轴承)用于牙轮钻头中。通过两步法喷 丸硬化过程在与轴承系统(例如，在主轴颈轴承中)相关的一个或者更多个目的表面上制 造极小的微凹。在目的表面上形成随机分布和不一致尺寸的微凹(至少60%的覆盖面积) 并且该微凹作为将更多润滑剂限制在表面接触区域中的储器起作用。在微凹区域中产生液 体动压力并且减小轴承摩擦。因此，改善轴承工作状况。
现在参考图17，图17图解说明了当在地层中操作时，牙轮钻头的部分剖面图。在 钻头运行期间，锥体的切割部件将力F施加在轴颈上。但是，应该注意力施加在轴承表面的11载荷区域上，该载荷区域比总的圆周表面小。例如，载荷区域可仅占轴承圆周表面的四分之 一(大约 90° )。
现在参考图18，图18图解说明了取自垂直于锥体旋转轴141的轴颈轴承(例如， 通过第一圆柱形滑动轴承10或者主轴颈轴承)的横截面。图17中的参考箭头A-A—般性 地图解说明了视图的角度，但是不具体地确定从何处取横截面。可以看出载荷区域大约是 轴承表面(主轴承的轴颈表面)的圆周表面的四分之一(大约90° )。来自接触地层的力 F(图17)基本上(如果不是全部地)施加在该区域的轴承表面上。因此，轴承表面的该载 荷区域需要保护以防摩擦损害。
在一个实施方式中，仅轴承表面的该载荷区域接受前述的表面构造。因此，被认定 为载荷区域的在拱形区域内的轴承表面将接受构造而剩余的表面不接受构造。因此，注意 这图解说明了与前面解释不同形式的覆盖面积百分比。与该执行方案相关的覆盖面积称为 轴承表面的断续的覆盖并且也可以用百分比表示。在这种情况中，百分比(例如，对于提供 的四分之一表面覆盖实例的大约25% )指的是接受任何形式构造的表面部分与根本不接 受构造的表面部分之比。
现在参考图19，图19图解说明了轴承表面，其为图18中所示的拱形B-B的从点0 至点1的展开。在载荷区域内(展开表面的右手侧)，提供断续类型的表面构造。如上所讨 论，在载荷区域内的所有表面均可以是以本文所述的方式构造的表面。图19具体图解说明 了断续表面构造的可选形式。可以在轴承表面上的载荷区域内提供一个或者更多个不同的 和分开的表面构造区域。可使用本文描述的表面构造技术形成这些区域中的每一个。区域 可采取带状的形状，如图19所示，其平行于锥体旋转轴延伸。甚至进一步，这些带可以与力 F施加于轴颈轴承的位置对齐。展开表面的左边的圆周区域根本没有接受表面构造处理。 而且，区域之间的表面区域根本没有接受表面构造处理。此外，如上所讨论，以百分比表示 与该执行方案(轴承表面的断续覆盖)相关的覆盖面积。在这种情况下，百分比(例如，对 于提供的在四分之一表面载荷区域实例内的构造区域的大约12-15% )指的是接受任何形 式构造的表面部分与根本不接受构造的表面部分之比。
上面描述和图解说明了本发明的实施方式。本发明不限于所述公开的实施方式。
权利要求
1.一种轴承系统表面的表面构造方法，包括将目的表面暴露于第一喷丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小球介质以第一强 度水平轰击所述表面；和将所述目的表面暴露于后续的第二喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的第二小球介 质以第二强度水平轰击所述表面。
2.根据权利要求1所述方法，其中所述第二强度水平从所述第一强度水平减小得到。
3.根据权利要求1所述方法，其中所述第二平均尺寸比所述第一平均尺寸小。
4.根据权利要求1所述方法，其中所述第二强度水平从所述第一强度水平减小得到并 且其中所述第二平均尺寸比所述第一平均尺寸小。
5.根据权利要求1所述方法，还包括将所述目的表面暴露于一个或者更多个额外的喷 丸硬化作用。
6.根据权利要求1所述方法，其中所述第一喷丸硬化作用表面构造所述目的表面的 60-100%。
7.根据权利要求6所述方法，其中所述第二喷丸硬化作用表面构造所述目的表面的 60-100%。
8.根据权利要求1表面所述方法，其中所述第一喷丸硬化作用和所述第二喷丸硬化作 用的每一个表面构造所述目的表面的100%。
9.根据权利要求1所述方法，其中，在所述第二喷丸硬化作用完成后，所述目的表面的 60-100%已经被构造具有随机尺寸和分布的微凹。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述目的表面仅是包含所述目的表面的全部表 面的一部分。
11.一种构建钻头的方法，包括形成轴颈轴承结构，所述轴颈轴承结构具有包括至少一个轴承表面的轴承系统；和表面构造所述轴承系统的所述轴承表面的至少一部分，其中表面构造包括将所述轴承表面的所述部分暴露于第一喷丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小 球介质以第一强度水平轰击所述表面；和将所述轴承表面的所述部分暴露于后续的第二喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的 第二小球介质以第二强度水平轰击所述表面。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述轴承表面是推力表面，例如径向种类的表
13.根据权利要求11所述的方法，其中所述轴承表面是轴颈表面，例如圆柱形种类的表面。
14.根据权利要求11所述的方法，其中所述轴颈轴承结构包括轴承衬并且所述轴承表 面的所述部分是所述轴承衬的内表面或者外表面之一。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述轴颈轴承结构包括轴承轴并且所述轴承表 面是所述轴的外表面。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述部分小于所述轴承表面的总圆周面。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述部分是所述轴承表面的载荷承载部分。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述部分包括所述轴承表面上的多个带。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述部分是所述轴承表面的载荷承载部分并且 所述带与施加于所述轴承表面的载荷力对齐。
20.一种具有轴承表面的牙轮钻头轴颈轴承的轴承系统，其中所述轴承表面具有多个 微凹组成的表面构造，所述微凹覆盖所述目的表面的至少60%。
21.根据权利要求20所述的轴承系统，其中所述微凹覆盖所述表面的70-90%。
22.根据权利要求20所述的轴承系统，其中所述微凹基本上覆盖所述表面的100%。
23.根据权利要求20所述的轴承系统，其中通过喷丸硬化以两步法过程形成所述多个 微凹，所述过程包括第一喷丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小球介质以第一强度 水平轰击所述表面，和后续的第二喷丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的第二小球介质以 第二强度水平轰击所述表面。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述第一喷丸硬化作用表面构造所述目的表面 的 60-100% ο
25.根据权利要求23所述的系统，其中所述第二喷丸硬化作用表面构造所述目的表面 的 60-100% ο
26.根据权利要求23所述的系统，其中所述第一和第二喷丸硬化作用的每一个表面构 造所述目的表面的100%。
27.根据权利要求20所述的系统，其中所述轴承表面是推力表面，例如径向种类的表
28.根据权利要求20所述的系统，其中所述轴承表面是轴颈表面，例如圆柱形种类的表面。
29.根据权利要求20所述的系统，其中所述轴颈轴承结构包括轴承衬并且所述轴承表 面是所述轴承衬的内表面或者外表面之一。
30.根据权利要求20所述的系统，其中所述轴颈轴承结构包括轴承轴并且所述轴承表 面是所述轴的外表面。
31.一种具有轴承表面的牙轮钻头轴颈轴承的轴承系统，其中所述轴承表面具有多个 微凹组成的表面构造，所述多个微凹在一个或者更多个区域内提供断续的覆盖，所述一个 或者更多个区域覆盖少于全部的所述轴承表面。
32.根据权利要求31所述的轴承系统，其中所述一个或者更多个区域覆盖所述表面的 大约25%。
33.根据权利要求31所述的轴承系统，其中通过两步法过程的喷丸硬化形成所述多个 微凹，所述过程包括第一喷丸硬化作用，其中通过第一平均尺寸的第一小球介质以第一强 度水平轰击所述表面，和后续的第二喷丸硬化作用，其中通过第二平均尺寸的第二小球介 质以第二强度水平轰击所述表面。
34.根据权利要求33所述的系统，其中所述第一喷丸硬化作用表面构造所述区域的 60-100%。
35.根据权利要求33所述的系统，其中所述第二喷丸硬化作用表面构造所述区域的 60-100%。
36.根据权利要求33所述的系统，其中所述第一和第二喷丸硬化作用的每一个表面构 造所述区域的100%。
37.根据权利要求31所述的系统，其中所述轴承表面是推力表面，例如径向种类的表
38.根据权利要求31所述的系统，其中所述轴承表面是轴颈表面，例如圆柱形种类的表面。
39.根据权利要求31所述的系统，其中所述轴颈轴承结构包括轴承衬并且所述轴承表 面是所述轴承衬的内表面或者外表面之一。
40.根据权利要求31所述的系统，其中所述轴颈轴承结构包括轴承轴并且所述轴承表 面是所述轴的外表面。
41.根据权利要求3所述的系统，其中所述区域小于所述轴承表面的总圆周面。
42.根据权利要求41所述的系统，其中所述区域是所述轴承表面的载荷承载部分。
43.根据权利要求41所述的系统，其中所述区域包括所述轴承表面上的多个带。
44.根据权利要求43所述的系统，其中所述部分是所述轴承表面的载荷承载部分并且 所述带与施加于所述轴承表面的载荷力对齐。
45.一种牙轮钻头轴颈轴承的轴承系统，包括包含密封表面和轴承表面的轴；轴承衬；具有环形密封套并且容纳所述轴承衬的辊锥体；其中所述辊锥体和轴承衬被可旋转地安装到所述轴上，以至所述轴承衬与所述轴承表 面对齐，和所述密封套与所述密封表面对齐；和其中1)所述轴上的轴承表面或者2、所述轴承衬的内表面的至少一个具有表面构造， 所述表面构造包括多个微凹；其中，或者a)所述微凹覆盖超过所述表面的60%或者b)所述微凹提供断续的覆盖。
46.根据权利要求45所述的轴承系统，其中对于a)，所述微凹覆盖所述表面的 70-90%。
47.根据权利要求45所述的轴承系统，其中对于a)，所述微凹基本上覆盖所述表面的 100%。
48.根据权利要求45所述的轴承系统，其中通过两步法过程的喷丸硬化形成所述多个 微凹，所述过程包括第一喷丸硬化作用，其中通过第一平均尺寸的第一小球介质以第一强 度水平轰击所述表面，和后续的第二喷丸硬化作用，其中通过第二平均尺寸的第二小球介 质以第二强度水平轰击所述表面。
49.根据权利要求45所述的系统，其中对于b)，所述断续的覆盖提供在小于所述轴承 表面的总圆周面的区域上。
50.根据权利要求45所述的系统，其中对于b)，所述断续的覆盖提供在为所述轴承表 面的载荷承载部分的区域上。
51.根据权利要求51所述的系统，其中对于b)，所述断续的覆盖提供在包括所述轴承 表面上的多个带的区域上。
52.根据权利要求52所述的系统，其中所述区域是所述轴承表面的载荷承载部分并且 所述带与施加于所述轴承表面的载荷力对齐。
全文摘要
使用表面构造改变牙轮钻头轴承系统的一个或者更多个表面(径向的或者圆柱形的)的形貌。该表面构造产生微凹表面，所述微凹表面保留有益于减小在界面和混合润滑作用区域中的摩擦的额外润滑剂。喷丸硬化被公开为构造所需表面的一种方法。
文档编号E21B10/24GK102037208SQ200980117549
公开日2011年4月27日 申请日期2009年3月12日 优先权日2008年3月14日
发明者X·路 申请人:威瑞尔国际工业公司