带几何切削边缘的刀具制造技术

一种切削元件包括：基部和在相对轴向端部处的切削面、在所述基部与所述切削面之间延伸的侧表面；边缘，所述边缘形成在所述切削面与所述侧表面之间；边缘倒角，所述边缘倒角在整个边缘周围具有均匀大小；以及几何形状，所述几何形状形成在所述切削面上并由相对于所述切削元件的纵向轴线的凹边界限定。所述凹边界包括：多个圆角顶点，每个圆角顶点位于所述边缘倒角附近并形成切削尖端；以及多条几何形状边，所述几何形状边连接所述圆角顶点，其中所述几何形状边相对于所述纵向轴线是凹的。述几何形状边相对于所述纵向轴线是凹的。述几何形状边相对于所述纵向轴线是凹的。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】带几何切削边缘的刀具
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2019年10月21日提交的美国专利申请号62/923,754的权益和优先权，所述申请以全文引用的方式并入本文。

技术介绍

[0003]在井下钻井操作中使用的切削元件通常由超硬材料层制成，以穿透坚硬且具有磨蚀性的土质地层。例如，可以诸如通过钎焊将切削元件安装到钻头(例如，旋转式刮刀钻头)，以用于钻井操作。图1示出了固定刀具钻头10(有时称为刮刀钻头)的示例，在所述钻头上安装有多个切削元件18以用于钻探地层。钻头10包括：钻头主体12，所述钻头主体在一个端部14处具有外螺纹连接；以及多个刀片16，所述多个刀片从钻头主体12的另一端部延伸并形成钻头10的切削表面。多个刀具18附接到每个刀片16，并且当钻头10在钻井期间旋转时，所述多个刀具从刀片延伸以切穿地层。刀具18可以通过刮削和剪切使地层变形。
[0004]切削元件的超硬材料层可以在高温和高压条件下形成(通常在设计用于产生此类条件的压制设备中形成)，所述超硬材料层粘合到包含金属粘结剂或催化剂(诸如钴)的碳化物基底。例如，多晶金刚石(PCD)是一种用于制造切削元件的超硬材料，其中PCD刀具通常包括形成在支撑基底(通常是粘合的碳化钨(WC)基底)上并在高温高压(HTHP)条件下粘结到基底的金刚石材料。
[0005]可以通过将粘合的碳化物基底放入容器或盒中并将一层金刚石晶体或磨粒装入盒中与基底的一个面相邻之处来制造PCD切削元件。许多此类盒通常装入反应池中，并放置在HPHT设备中。然后，在HPHT条件下压缩基底和相邻的金刚石磨粒层，这促进了金刚石磨粒的烧结，以形成多晶金刚石结构。因此，金刚石磨粒变得相互粘结，而在基底界面上形成金刚石层。金刚石层也粘结到基底界面。
[0006]此类切削元件在操作期间经常受到强烈的力、扭矩、振动、高温和温差的影响。因此，结构内可能开始形成应力。例如，在钻井操作期间，钻头可能会因钻探异常(诸如钻头旋转或弹跳)而表现出应力加剧，这通常会导致超硬材料层或基底的剥落、分层或断裂，从而降低或消除切削元件的功效，并降低钻头的整体磨损寿命。

技术实现思路

[0007]在一个方面，本公开的实施方案涉及切削元件，所述切削元件包括：主体，所述主体具有基部和在相对轴向端部处的切削面以及在所述基部与所述切削面之间延伸的侧表面；边缘，所述边缘形成在所述切削面与所述侧表面之间；边缘倒角，所述边缘倒角在整个边缘的周围具有均匀大小；以及几何形状，所述几何形状形成在所述切削面上并由相对于所述切削元件的纵向轴线的凹边界限定。所述凹边界可以包括：多个圆角顶点，每个圆角顶点位于所述边缘倒角附近并形成切削尖端；以及多条几何形状边，所述几何形状边连接所述圆角顶点，其中所述几何形状边相对于所述纵向轴线是凹的。
[0008]在另一方面，本公开的实施方案涉及切削元件，所述切削元件具有：主体，所述主
体具有圆柱形侧表面、在所述主体的轴向端部处的切削面以及形成在所述侧表面与所述切削面之间的边缘；几何形状，所述几何形状形成在所述切削面上并由相对于所述切削元件的纵向轴线的凹边界限定；以及多个双倒角切削尖端，所述多个双倒角切削尖端在所述几何形状的一个或多个顶点处形成在所述切削面上，其中每个双倒角切削尖端包括两个倒角，所述两个倒角彼此轴向相邻定位并且定位在所述几何形状与所述侧表面之间。
[0009]在又一方面，本公开的实施方案涉及切削元件，所述切削元件具有：主体，所述主体具有在基部与在所述主体的相对轴向端部处的切削面之间延伸的侧表面；边缘，所述边缘形成在所述侧表面与所述切削面之间；以及几何形状，所述几何形状形成在所述切削面上，所述几何形状包括与所述边缘相邻定位的多个圆角顶点，其中所述圆角顶点的曲率半径的范围为所述切削元件的外径的0％至小于50％。
[0010]根据以下描述和所附权利要求，本专利技术的其他特征和优势将显而易见。
附图说明
[0011]图1示出了常规固定刀具钻头的透视图。
[0012]图2示出了根据本公开的实施方案的切削元件的透视图。
[0013]图3示出了图2中的切削元件的俯视图。
[0014]图4示出了图2和图3中的切削元件的侧视图。
[0015]图5示出了根据本公开的实施方案的切削面几何结构的示意图。
[0016]图6示出了根据本公开的实施方案的切削元件的俯视图。
[0017]图7示出了根据本公开的实施方案的切削元件的俯视图。
[0018]图8示出了根据本公开的实施方案的切削元件的透视图。
[0019]图9示出了图8中的切削元件的侧视图。
[0020]图10示出了图8和图9中的切削元件的俯视图。
[0021]图11示出了图8至图10中的切削元件的局部横截面视图。
[0022]图12示出了根据本公开的实施方案的切削元件的透视图。
[0023]图13A和图13B分别示出了根据本公开的实施方案的切削元件的俯视图和横截面视图。
[0024]图14A和图14B分别示出了根据本公开的实施方案的切削元件的俯视图和横截面视图。
[0025]图15A和图15B分别示出了根据本公开的实施方案的切削元件的俯视图和横截面视图。
[0026]图16A至图16D示出了在相同条件下将根据本公开的实施方案的切削元件(图16D)中的应力累积与对比切削元件(图16A至图16C)中的应力累积进行比较的有限元分析。
[0027]图17A至图17D示出了在相同条件下将根据本公开的实施方案的切削元件(图17D)中的应力累积与对比切削元件(图17A至图17C)中的应力累积进行比较的有限元分析。
[0028]图18A至图18D示出了在相同条件下将根据本公开的实施方案的切削元件(图18D)中的应力累积与对比切削元件(图18A至图18C)中的应力累积进行比较的有限元分析。
[0029]图19示出了在不同后倾角下将根据对根据本公开的实施方案的切削元件和对比切削元件的有限元分析得出的最大主应力进行比较的图表。
[0030]图20示出了在不同切削深度下将根据对根据本公开的实施方案的切削元件和对比切削元件的有限元分析得出的最大主应力进行比较的图表。
[0031]图21示出了根据有限元分析得出的根据本公开的实施方案的切削元件和对比切削元件的应力分布。
[0032]图22A至图22D示出了对根据本公开的实施方案的切削元件和对比切削元件上的应力分布的有限元分析。
具体实施方式
[0033]本公开的实施方案总体上涉及切削元件，所述切削元件可以安装到用于钻探土层的钻头或其他切削工具。本文公开的切削元件可以包括设计用于提高抗冲击性和切削效率的切削面几何结构。所述切削面几何结构可以包括沿着切削元件的边缘形成的多个切削尖端，其中所述切削尖端几何结构降低操作期间的应力累积，这可以提高切削元件的性能和寿命。可以在切削面上形成的几何形状的顶点处形成切削尖端。在一些实施方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种切削元件，其包括：主体，所述主体具有基部和在相对轴向端部处的切削面以及在所述基部与所述切削面之间延伸的侧表面；边缘，所述边缘形成在所述切削面与所述侧表面之间；边缘倒角，所述边缘倒角在整个边缘周围具有均匀大小；以及几何形状，所述几何形状形成在所述切削面上并由相对于所述切削元件的纵向轴线的凹边界限定，所述凹边界包括：多个圆角顶点，每个圆角顶点位于所述边缘倒角附近并形成切削尖端；以及多条几何形状边，所述几何形状边连接所述圆角顶点，其中所述几何形状边相对于所述纵向轴线是凹的。2.根据权利要求1所述的切削元件，其还包括形状倒角，所述形状倒角形成在所述几何形状的整个凹边界周围。3.根据权利要求2所述的切削元件，其中所述形状倒角与所述边缘倒角在所述切削尖端处相交，从而形成双倒角切削尖端。4.根据权利要求1所述的切削元件，其中平坦表面从所述几何形状边中的每一条朝向所述基部倾斜到所述边缘倒角。5.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述主体包括设置在基底上的金刚石台面，其中所述切削面形成在所述金刚石台面上，并且所述基底形成所述基部。6.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述几何形状边的曲率半径为所述切削元件的外径的至少50％。7.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述几何形状包括平坦顶表面，所述平坦顶表面沿着垂直于所述纵向轴线的平面延伸并形成所述切削面的一部分。8.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述几何形状包括相对于垂直于所述纵向轴线的平面的凸顶表面，其中所述凸顶表面形成所述切削面的一部分。9.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述几何形状包括相对于垂直于所述纵向轴线的平面的凹顶表面，其中所述凹顶表面形成所述切削面的一部分。10.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述边缘在距所述基部的变化轴向高度处在所述切削面周围延伸。11.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述几何形状由三个圆角顶点组成。12.根据权利要求1所述的切削元件，其中所述几何形状包括四个或更多...

【专利技术属性】
技术研发人员：X，
申请(专利权)人：斯伦贝谢技术有限公司，
类型：发明
国别省市：