切削元件、切削工具和在鉆孔內(nèi)切削的方法
【專利摘要】一種切削元件，其包括：具有其上限定多個(gè)切削刃的兩個(gè)平面的改型基爾默德、從兩個(gè)平面中的第一平面的中心區(qū)域延伸的第一支撐部、和從兩個(gè)平面中的第二平面的中心區(qū)域延伸的第二支撐部。第一支撐部和第二支撐部的尺寸和位置設(shè)置成，當(dāng)切削元件擱置在一平表面上而使得多個(gè)切削刃中的一個(gè)與第一支撐部兩者與該平表面相接觸的時(shí)候，第一平面與該平表面形成銳角。
【專利說明】切削元件、切削工具和在鉆孔內(nèi)切削的方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2012年6月8日提交的美國申請?zhí)?3/492267的優(yōu)先權(quán)，該申請的全部內(nèi)容通過引用結(jié)合在此。

【背景技術(shù)】
[0003]諸如用在井下應(yīng)用場合中的銑刀之類的切削工具例如可以制作成具有附著于工具表面的多個(gè)切削元件。這些切削元件可以是通過破碎更大工件而制造的隨機(jī)形狀的顆粒。替代性地，可以使用例如諸如機(jī)加工和模制之類的工藝將切削元件精確地成型成可重復(fù)的形狀。不管制造單獨(dú)的切削元件所使用的工藝如何，這些元件一般以隨機(jī)的朝向附著于銑刀。這些隨機(jī)的朝向在相對于銑刀表面的最大高度上不一致。另外，切削元件的在切削操作期間接合目標(biāo)材料的部分的高度之間可能存在很大的不一致性。此外，切削表面相對于目標(biāo)材料的角度是隨機(jī)的，因此很少會接近便于有效切削的最佳角度。因此減少前述缺點(diǎn)的設(shè)備和方法將會在行業(yè)中被很好地接受。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]在此披露了一種切削元件。該切削元件包括具有其上限定多個(gè)切削刃的兩個(gè)平面的改型基爾默德，從兩個(gè)平面中的第一平面的中心區(qū)域延伸的第一支撐部和從兩個(gè)平面中的第二平面的中心區(qū)域延伸的第二支撐部的尺寸和位置設(shè)置成:當(dāng)切削元件擱置在一平表面上而使得多個(gè)切削刃中的一個(gè)與第一支撐部兩者與該平表面相接觸的時(shí)候，第一平面與該平表面形成銳角。
[0005]在此還披露了一種切削工具。該切削工具包括帶有至少一個(gè)平表面的本體，復(fù)數(shù)個(gè)切削元件附著于所述至少一個(gè)平表面，所述復(fù)數(shù)個(gè)切削元件中的多個(gè)切削元件定向成使得第一支撐部和至少一個(gè)切削刃兩者與所述至少一個(gè)平表面相接觸。所述切削元件包括具有其上限定多個(gè)切削刃的兩個(gè)平面的改型基爾默德、從兩個(gè)平面中的第一平面的中心區(qū)域延伸的第一支撐部、和從兩個(gè)平面中的第二平面的中心區(qū)域延伸的第二支撐部，第一支撐部和第二支撐部的尺寸和位置設(shè)置成:當(dāng)切削元件擱置在一平表面上而使得多個(gè)切削刃中的一個(gè)與第一支撐部兩者與該平表面相接觸的時(shí)候，第一平面與該平表面形成銳角。
[0006]在此還披露了一種在鉆孔內(nèi)切削的方法。該方法包括:使在此披露的切削工具在鉆孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)；使鉆孔中的目標(biāo)與所述復(fù)數(shù)個(gè)切削元件中的一個(gè)或更多個(gè)相接觸；以及對目標(biāo)進(jìn)行切削。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]如下的描述不應(yīng)該以任何方式被認(rèn)為是限制。參照附圖，同樣的元件標(biāo)號相同:
[0008]圖1示出了在此所披露的切削元件的側(cè)視圖；
[0009]圖2示出了圖1的切削元件的另一個(gè)側(cè)視圖，顯示了以一種替代性的朝向擱靠在一個(gè)表面上；
[0010]圖3示出了圖1和2的切削元件的透視圖，顯示了以圖2的朝向擱靠；
[0011]圖4示出了在此所披露的切削元件的替代性實(shí)施方式的透視圖；
[0012]圖5示出了切削元件的中心部分的透視圖；
[0013]圖6示出了圖5的切削元件的中心部分的側(cè)視圖；
[0014]圖7示出了在此所披露的另一切削元件的側(cè)視圖；
[0015]圖8示出了圖7的切削元件的端視圖；
[0016]圖9示出了在此所披露的另一切削元件的側(cè)視圖；
[0017]圖10示出了圖9的切削元件的替代側(cè)視圖；和
[0018]圖11示出了在此所披露的采用多個(gè)圖9的切削元件的切削工具的局部透視圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019]這里參照附圖通過舉例和非限制性方式給出了所披露的設(shè)備和方法的一個(gè)或更多個(gè)實(shí)施方式的詳細(xì)描述。
[0020]參照圖1，以附圖標(biāo)記10示出了在此所披露的切削元件的一個(gè)實(shí)施例。該切削元件10包括中心部分20，其在這里作為〃基爾默德(gilmoid)或改型基爾默德120〃被公開，正如將在下面分別參照圖5-6和7-8詳細(xì)描述的那樣?；鶢柲?0限定了多個(gè)切削刃16A、16B，并具有延伸超過表面32A和32B的兩個(gè)支撐部24A和24B，表面32A和32B限定了基爾默德20的某些體積邊界。在該實(shí)施例中，支撐部24A和24B彼此是非對稱的，以響應(yīng)于作用其上的重力產(chǎn)生朝向表面38的偏置力，從而使得支撐部24A、24B中的一個(gè)和切削刃16A、16B中的一個(gè)與表面38相接觸。對于這里的一些實(shí)施例，該表面38是一平表面。
[0021]參照圖2和3，偏置力趨向于使切削元件10從圖1所示的位置再定位朝向圖2和3所示的位置。如圖2和3所示，切削元件10擱靠在表面38上，從而使得支撐部24B和其中一個(gè)切削刃16B都與表面38相接觸。在該位置，切削刃16A以如下方式定向:使得表面32A相對于表面38具有大約45度(優(yōu)選在35度和55度之間)的角度，并且其代表了優(yōu)選的切削朝向，其可以比替代性角度以更高效率切削。相反，圖1中的切削元件10定位成使得限定在兩個(gè)切削刃16A和16B之間的僅一個(gè)面42與表面38相接觸。在該位置，基爾默德20的縱向軸線基本上與表面38平行。另外，盡管支撐部24A、24B的軸線40A、40B在此是以它們之間呈180度的角度示出的，但是可以想到120度或更大的角度。
[0022]切削元件10在幾何形狀上進(jìn)一步構(gòu)造成:當(dāng)切削元件10擱靠在表面38上時(shí)，不管其朝向如何，切削元件10上距離表面38最遠(yuǎn)的點(diǎn)的尺寸46是恒定的。這確保了粘結(jié)到該表面38上的多個(gè)切削元件10上的相對均勻的切削力分布。
[0023]前述結(jié)構(gòu)允許多個(gè)切削元件10在固定地粘結(jié)到表面38之前在表面38上具有優(yōu)選的朝向。雖然每個(gè)切削元件10相對于切削運(yùn)動(dòng)的方向的朝向是隨機(jī)的，但是，上面討論的偏置設(shè)置將使得大多數(shù)的切削元件10相對于表面38如圖2和3所示的那樣定向。相對于使用非偏置切削元件的切削器具而言，使大多數(shù)的切削元件10如圖2和3所示的那樣定向提高了使用這些切削元件10的切削器具的切削特性。
[0024]在此示出的支撐部24A和24B在幾何形狀上是非對稱的，正如分別通過支撐部24A和24B的寬度50A和50B的不同所明顯導(dǎo)致的那樣。這種非對稱性響應(yīng)于沿平行于表面32A、32B的方向作用在切削元件10上的重力而產(chǎn)生了上面討論的非對稱偏置?？梢韵氲饺缦碌奶娲詫?shí)施例:其具有在幾何形狀上對稱、而利用重力提供了非對稱偏置的支撐部。這些支撐部之間的密度差別是利用幾何形狀對稱的支撐部產(chǎn)生這種非對稱重力偏置的一種方式。
[0025]限定在平面28A和28B之間的中心部分20的寬度54可以設(shè)置成足夠大，以提供足夠的強(qiáng)度防止在切削期間破裂，同時(shí)又足夠小，以允許作用于該切削元件10上的重力非對稱偏置使切削元件10相對于所述表面38能容易地再定向并且能有效地用作切削元件。
[0026]另外，在該實(shí)施例中，通過使基本尺寸55 (其被定義為支撐部24A、24B與平面28A、28B的表面32A、32B的中心區(qū)域64相交之處的尺寸)小于尺寸46，則在切削刃16A、16B處限定出了直角相交部。支撐部24A、24B與表面32A、32B的交叉點(diǎn)57和表面42、58、62之間的距離56提供了一空間，正在被切掉的材料可以在該空間內(nèi)流動(dòng)并且可以對在切削刃16A、16B之一中形成的裂縫超出交叉點(diǎn)57的連續(xù)傳播形成障礙。優(yōu)選地，所述基本尺寸55設(shè)計(jì)成在尺寸46的40%到80%之間的尺寸，更優(yōu)選為大約60%。
[0027]參照圖3，還可以設(shè)置限定在切削刃16A和16B之間的另外的面58。實(shí)際上，在切削刃16A和16B之間可以設(shè)置任何數(shù)量的面42、58，從而形成多邊形棱柱的中心部分20，其在在此所披露的切削元件I1的替代性實(shí)施例中如圖4所示僅包括四個(gè)面62。
[0028]在此所披露的切削元件10、110可以由能很好地適于切削多種材料(包括例如那些通常在井下井眼環(huán)境中常見的材料，比如石頭、泥土、金屬、陶瓷、聚合物、單基物及上述的組合)的硬質(zhì)材料制成。這些硬質(zhì)材料非排他地包括鋼、碳化鎢、碳化鎢基質(zhì)、多晶金剛石、陶瓷以及它們的組合。
[0029]盡管上面討論的實(shí)施例涉及的是為多邊形棱柱的中心部分20，但是替代性實(shí)施例可以包括比多邊形棱柱需要的限制更少的中心部分20。同樣，術(shù)語基爾默德被引入用來限定中心部分20的需求。參照圖5和6，示出的基爾默德20沒有支撐部24A、24B?；鶢柲?0是由兩個(gè)多邊形70A、70B限定的，其具有將多邊形70A的邊78A連接到另一多邊形70B的邊78B的表面74。這兩個(gè)多邊形70A、70B彼此可以具有不同數(shù)量的邊78A、78B，并且彼此可以具有不同的面積。另外，兩個(gè)多邊形70A、70B所在的平面82A、82B可以彼此平行或者可以彼此不平行，如圖所示。
[0030]參照圖7和8，以附圖標(biāo)記110示出了切削元件的一個(gè)替代性實(shí)施例。切削元件110區(qū)別于切削元件10的一個(gè)方面在于:除了與基爾默德20等同的那些外，中心部分120允許有另外的變形?；鶢柲?0要求平面82A和82B為多邊形，多邊形限定有直邊78A和78B，而中心部分120可以具有帶有直邊178A、178B和非直部分179A、179B(例如所示的彎曲部分)中任一或兩者的平面182A和182B。同樣，在此中心部分120將被稱為〃改型基爾默德〃。如同基爾默德20 —樣，改型基爾默德120的平面182AU82B不必是彼此對稱、甚至不必是彼此幾何相似的，盡管在所示的實(shí)施例中它們是幾何相似的。
[0031]包括在此所示的彎曲部分179AU79B的一個(gè)潛在性優(yōu)點(diǎn)在于:可以限制切削作業(yè)過程中切削元件110破裂期間形成的碎屑或殘屑的尺寸。該限制是由于破裂期間傳播的裂縫與彎曲部分179AU79B相交，從而防止裂縫傳播到切削元件110的更大尺寸。無論是否采用彎曲部分179A、179B，由平面182A、182B與面158的相交部限定的切削刃116AU16B都使平面182A的直邊178A和非直邊179A與平面182B的直邊178B和非直邊179B相連接。
[0032]切削元件110與切削元件10的不同之處還在于:從平面182AU82B延伸的支撐部124是彼此對稱的。雖然這種對稱性不是必須的，但是其可以在不對切削元件110的有效性產(chǎn)生有害影響的情況下簡化其制造。另外，支撐部124的拐角184還可以充當(dāng)切削刃。在該實(shí)施例中，支撐部124具有棱錐形狀，支撐面129與側(cè)翼面186之間限定大約10度的側(cè)翼角126 (不過，也可以想到圓錐形狀，參見圖12、14和15)。雖然棱錐側(cè)翼角126可以設(shè)定為其它值，例如20度和27度，但是其中的明顯增大可能會減小切削角127，所述切削角127定義為支撐部124的側(cè)翼面186與正被切削元件110切削的目標(biāo)112或工件的表面131之間的角度。切削角127的減小則會導(dǎo)致支撐部124有效切削降低。另外，棱錐側(cè)翼角126的減小可能使切削元件110的制造更困難，增加支撐部124破裂成小塊的機(jī)會。在支撐面129平行于平面182A的實(shí)施例中，只要目標(biāo)112的表面131是平的，支撐面129和目標(biāo)112的表面131之間以及平面182A和表面131之間的角度130就相同。
[0033]如同切削元件10 —樣，切削元件110構(gòu)造成，當(dāng)切削元件10擱靠在基本上平的表面38 (例如切削元件110所附著的切削工具125的表面)時(shí)，平面182B與該表面38形成銳角。另外，在所示的實(shí)施例中，切削刃116A或116Bb相對于目標(biāo)112的表面131成大約45度的角度，或在大約35度到55度范圍內(nèi)。在其中切削刃116AU16B為90度(例如平面182AU82B和面158之間為90度)的實(shí)施例中，前沿角度194和后沿角度190相對于表面38合計(jì)90度。因而，如果例如前沿刃是50度，則相應(yīng)后沿刃將為40度。另外，在平面182AU82B相對于表面38成45度的實(shí)施例中，例如，側(cè)翼角126為10度，切削角127將為35度，而角度130 (支撐部的后沿角度)將為45度。
[0034]參照圖9和10，切削元件210相對于其附著的切削工具125的朝向?qū)Q定角度227、230、290和294中哪個(gè)是前沿角度，哪個(gè)是后沿角度。切削元件110在圖9和10中以相反的朝向附著于切削工具125。切削元件210所附著的切削工具125的一部分相對于目標(biāo)112的表面131在箭頭213的方向上移動(dòng)。響應(yīng)于元件210與切削工具125之間的相對運(yùn)動(dòng)，對切削元件210施加一沿箭頭215方向上的作用力。切削元件210沿著所示的改型基爾默德120的虛線218A、218B在尺寸216A、216B上分配該作用力。因?yàn)槌叽?16A大于尺寸216B，所以，該作用力被分配在改型基爾默德120的更大部分上，從而減小改型基爾默德120中的應(yīng)力，并降低改型基爾默德120出現(xiàn)破裂和碎裂的可能性。通過在圖9所示的朝向?qū)⑶邢髟?10安裝到切削工具125上，可以通過減小改型基爾默德120中趨向于加速其破裂的應(yīng)力而改善切削工具125和與之附著的切削元件210的耐用性。
[0035]參照圖11，示出了切削工具125的局部透視圖，多個(gè)切削元件210定位成類似于圖9所示的方式。箭頭213顯示了切削工具125的旋轉(zhuǎn)方向，從而確保切削元件210相對于目標(biāo)112 (未在該圖顯示)在圖9所示的方向上移動(dòng)。
[0036]雖然已經(jīng)參照示例性實(shí)施方式對發(fā)明進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)明白，在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下可以做出各種修改并且其元件可以替換為各種等同元件。另外，在不脫離其實(shí)質(zhì)范圍的前提下可以做出許多修改以使特殊的情況或材料適應(yīng)本發(fā)明的教導(dǎo)。因此，本發(fā)明并不旨在將所披露的【具體實(shí)施方式】限制為可以預(yù)見的用于實(shí)施該發(fā)明的最佳方式，而是，本發(fā)明將包括落入權(quán)利要求范圍內(nèi)的所有實(shí)施方式。而且，在附圖和描述中，已經(jīng)披露了本發(fā)明的示例性實(shí)施方式，盡管可能已經(jīng)使用了特殊的術(shù)語，但是，除非另有說明，這些術(shù)語僅僅是作用一般描述性意義使用的，并不是出于限制的目的，因而本發(fā)明的范圍不局限于此。此外，術(shù)語〃第一"、〃第二 〃等等的使用并不表示任何順序或重要性，而是術(shù)語〃第一"、〃第二 〃等等被用來將一個(gè)元件與另一個(gè)元件區(qū)分開來。此外，術(shù)語〃 一 〃、"一個(gè)〃的使用并不表示對數(shù)量的限制，而是表示存在至少一個(gè)所提及的對象。
【權(quán)利要求】
1.一種切削元件，其包括: 改型基爾默德，該改型基爾默德具有其上限定多個(gè)切削刃的兩個(gè)平面；和 從所述兩個(gè)平面中的第一平面的中心區(qū)域延伸的第一支撐部、和從所述兩個(gè)平面中的第二平面的中心區(qū)域延伸的第二支撐部，所述第一支撐部和第二支撐部的尺寸和位置設(shè)置成:當(dāng)切削元件擱置在一平表面上而使得多個(gè)切削刃中的一個(gè)與第一支撐部兩者與該平表面相接觸時(shí)，第一平面與該平表面形成銳角。
2.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，該銳角在大約35度到55度之間。
3.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，該銳角為大約45度。
4.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，所述平表面位于一切削工具上。
5.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，第二支撐部構(gòu)造成切削第二支撐部在其運(yùn)動(dòng)期間所接觸的材料。
6.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，第二支撐部具有棱錐形狀或圓錐形狀，其具有附著于所述兩個(gè)平面中的第二平面的基部。
7.如權(quán)利要求6所述的切削元件，其中，第二支撐部的側(cè)翼具有在大約10度到27度之間的側(cè)翼角。
8.如權(quán)利要求7所述的切削元件，其中，第二支撐部的側(cè)翼具有10度的側(cè)翼角，從而在第二支撐部的面與所述平表面之間形成大約35度和大約45度的角度。
9.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，改型基爾默德為正多邊形棱柱。
10.如權(quán)利要求1所述的切削元件，其中，所述中心區(qū)域小于所述兩個(gè)平面中的每個(gè)平面的70%。
11.一種切削工具，其包括: 具有至少一個(gè)平表面的本體；和 附著于所述至少一個(gè)平表面的復(fù)數(shù)個(gè)依據(jù)權(quán)利要求1所述的切削元件，復(fù)數(shù)個(gè)切削元件中的多個(gè)切削元件定向成使得第一支撐部和至少一個(gè)切削刃兩者與所述至少一個(gè)平表面相接觸。
12.如權(quán)利要求11所述的切削工具，其中，所述至少一個(gè)平表面可繞垂直于該平表面的軸線旋轉(zhuǎn)。
13.如權(quán)利要求11所述的切削工具，其中，所述切削工具為銑刀。
14.如權(quán)利要求11所述的切削工具，其中，所述復(fù)數(shù)個(gè)切削元件中的多個(gè)切削元件定向成使得:兩個(gè)平面中的第二平面與待由切削工具切削的目標(biāo)形成后沿角度，該后沿角度為所述復(fù)數(shù)個(gè)切削元件中的多個(gè)切削元件與所述目標(biāo)之間由于切削工具的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的相對運(yùn)動(dòng)所限定的。
15.如權(quán)利要求14所述的切削工具，其中，所述復(fù)數(shù)個(gè)切削元件中的多個(gè)切削元件的朝向構(gòu)造成:在整個(gè)改型基爾默德上分配切削載荷，以減少改型基爾默德的破裂。
16.一種在鉆孔內(nèi)進(jìn)行切削的方法，其包括: 使權(quán)利要求11所述的切割工具在鉆孔內(nèi)旋轉(zhuǎn)； 使鉆孔中的目標(biāo)與所述復(fù)數(shù)個(gè)切削元件中的一個(gè)或更多個(gè)相接觸；和 切削所述目標(biāo)。
17.如權(quán)利要求16所述的在鉆孔內(nèi)進(jìn)行切削的方法，其中，所述目標(biāo)選自下列構(gòu)成的組:泥土、石頭、金屬、陶瓷、聚合物、單基物以及上述物質(zhì)的組合。
18.如權(quán)利要求16所述的在鉆孔內(nèi)進(jìn)行切削的方法，其中，所述鉆孔為井眼。
【文檔編號】E21B10/567GK104334818SQ201380029703
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2013年5月3日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月8日
【發(fā)明者】C·J·斯托二世 申請人:貝克休斯公司