一种具有高效散热能力的PDC切削齿的制作方法

一种具有高效散热能力的pdc切削齿
技术领域
1.本发明涉及应用于石油和天然气钻井技术领域中的切削齿，尤其是涉及具有高效散热能力的切削齿。

背景技术：

2.pdc切削齿是由金刚石微粉和硬质合金基体在超高压高温环境下复合而成的超硬复合材料，它既具有金刚石的耐磨性和强度，还具有硬质合金基体的韧性，且还可以通过硬质合金基体焊接在钻头上。pdc钻头具有破岩效率高、钻速快、进尺多、寿命长等优点，在石油和天然气钻井领域广泛使用，pdc齿在这之中发挥着重要作用。
3.由于钻头的高速转动，切削齿在切削地层时会剧烈摩擦，切削齿的温度会急剧上升，使切削齿齿面容易出现热龟裂；当切削齿温度到达700℃时，金刚石会转化为石墨，大大降低切削齿的强度。同时，由于聚晶金刚石层和硬质合金基座二者的热膨胀系数不同，受热后的膨胀尺寸大小不同，会出现较大的残余应力，使得切削齿内部产生裂纹，再加上切削齿会受到较大的冲击载荷，会加速裂纹的扩展，使得聚晶金刚石层从硬质合金基座上脱落，导致切削齿损坏。当聚晶金刚石层因磨损或受到较大的冲击力断裂后，硬质合金基座会直接与岩石接触后摩擦，产生的热量会进一步增加，使切削齿整体温度上升，降低切削齿的强度，减少切削齿的使用寿命，还会降低切削齿的吃入能力。

技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供了一种通过改变硬质合金基座结构，增大散热面积的pdc齿。其技术方案如下：
5.pdc齿包括聚晶金刚石层和与其相连的硬质合金基座。本发明通过改变硬质合金基座的形状，增加其与钻井液的接触面积，从而提高其散热能力。其技术关键是将硬质合金基座的部分材料去除，形成肋板状的结构支撑聚晶金刚石层，同时把聚晶金刚石层工作面后的部分硬质合金基座暴露于钻井液中，增大散热面积。
6.按照上述方案，通过设置肋板来对聚晶金刚石层进行支撑。
7.按照上述方案，硬质合金基座去除材料后的局部最小厚度不小于1mm。
8.按照上述方案，去除材料可以选择将新生成的侧面保留为曲面或者平面两种方式。
9.按照上述方案，采用侧面保留为曲面的方式去除材料，剩余完整的硬质合金基座部分的角度为180
°
～330
°
。
10.按照上述方案，采用侧面保留为曲面的方式去除材料，新生成的侧面的曲面半径大于切削齿半径的1/2。
11.按照上述方案，采用侧面保留为平面的方式去除材料，新生成的侧面到pdc切削齿横截面圆心的距离大于切削齿半径r的1/2。
12.按照上述方案，采用侧面保留为曲面的方式去除材料，肋板的数量为1时，其位置
在切削齿的对称面上。
13.按照上述方案，采用侧面保留为曲面的方式去除材料，肋板的数量为大于1时，其位置关于去除材料部分新生成的侧面径向均匀分布。
14.按照上述方案，采用侧面保留为平面的方式去除材料，肋板的数量为1时，其位置在切削齿的对称面上。
15.按照上述方案，采用侧面保留为平面的方式去除材料，肋板的数量大于1时，其位置垂直于去除材料部分新生成的侧面，对称分布在切削齿对称面的两侧。
16.按照上述方案，所述肋板斜面可为平面或者弧面。
17.相比于现有的技术，本发明具有的优势是：
18.1)将硬质合金基座的部分材料去除，把聚晶金刚石层工作面后的部分硬质合金基座暴露于钻井液中，增大硬质合金基座的散热面积，增强散热能力，降低pdc切削齿的温度梯度，延长切削齿的使用寿命。
19.2)将硬质合金基座的部分材料去除，形成肋板状的结构稳定支撑聚晶金刚石层，肋板的侧面也能够帮助散热，提高散热能力，还能减小硬质合金基座与岩石的接触面积，提高切削齿的吃入能力。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是单平面肋板曲面高效散热pdc切削齿结构示意图；
22.图2是两平面肋板曲面高效散热pdc切削齿结构示意图；
23.图3是两平面肋板曲面高效散热pdc切削齿俯视图；
24.图4是三平面肋板曲面高效散热pdc切削齿结构示意图；
25.图5是三平面肋板曲面高效散热pdc切削齿俯视图；
26.图6是单平面肋板平面高效散热pdc切削齿结构示意图；
27.图7是两平面肋板平面高效散热pdc切削齿结构示意图；
28.图8是三平面肋板平面高效散热pdc切削齿结构示意图；
29.图9是单弧面肋板曲面高效散热pdc切削齿结构示意图
30.图10是高效散热pdc切削齿磨损状态对比图；
31.图11是普通pdc切削齿、单平面肋板高效散热pdc切削齿、单弧面肋板高效散热pdc切削齿摩擦面积对比图。
具体实施方式
32.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
33.实施例一
34.参考图1所示，实施例一由半径r为6.72mm，厚度为3mm的聚晶金刚石层1和与之相连的厚度为10mm的高效散热硬质合金基座2组成。高效散热硬质合金基座2以侧面保留为曲面的方式去除部分材料，将与聚晶金刚石层1工作部分相连的部分硬质合金基座平面7暴露出来，增大此处硬质合金基座2与钻井液的接触面积，增强散热能力。去除材料后形成1块肋板状的结构支撑聚晶金刚石层1，增强抗冲击性能，还能通过肋板侧面3与钻井液接触，带走热量，进一步增强切削齿的散热能力。此外将肋板6设置为三角形肋板，当聚晶金刚石层1损坏后，能减小硬质合金基座2与岩石接触的面积，提高pdc齿的吃入能力。实施例一展示的pdc齿去除材料后，高效散热合金基座完整部分4的角度α为248
°
，去除材料部分新生成的侧面5的曲面半径r为4.04mm，肋板6的宽度为2mm，位于pdc齿的对称面上，去除材料部分硬质合金基座的局部最小厚度h为2mm。还对高效散热合金基座2进行了倒角处理，减小应力集中。
35.实施例二
36.参考图2所示，实施例二由半径r为6.72mm，厚度为3mm的聚晶金刚石层1和与之相连的厚度为10mm的高效散热硬质合金基座2组成。高效散热硬质合金基座2以侧面保留为曲面的方式去除部分材料，将与聚晶金刚石层1工作部分相连的部分硬质合金基座平面7暴露出来，增大此处硬质合金基座2与钻井液的接触面积，增强散热能力。去除材料后形成2块肋板状的结构支撑聚晶金刚石层1，增强抗冲击性能，还能通过肋板侧面3与钻井液接触，带走热量，进一步增强切削齿的散热能力。此外将肋板6设置为三角形肋板，当聚晶金刚石层1损坏后，能减小硬质合金基座2与岩石接触的面积，提高pdc齿的吃入能力。实施例二展示的pdc齿去除材料后，高效散热合金基座完整部分4的角度α为240
°
，去除材料部分新生成的侧面5的曲面半径r为4.00mm，肋板6的宽度为2mm，关于去除材料部分新生成的侧面5径向均匀分布，去除材料部分硬质合金基座的局部最小厚度h为2mm。还对高效散热合金基座2进行了倒角处理，减小应力集中。
37.参考图3所示，实施例二中肋板与肋板之间的夹角β为45
°
，肋板与完整硬质合金基座部分4的夹角γ为35
°
。
38.实施例三
39.参考图4所示，实施例三由半径r为6.72mm，厚度为3mm的聚晶金刚石层1和与之相连的厚度为10mm的高效散热硬质合金基座2组成。高效散热硬质合金基座2以侧面保留曲面的方式去除部分材料，将与聚晶金刚石层1工作部分相连的部分硬质合金基座平面7暴露出来，增大此处硬质合金基座2与钻井液的接触面积，增强散热能力。去除材料后形成3块肋板状的结构支撑聚晶金刚石层1，增强抗冲击性能，还能通过肋板侧面3与钻井液接触，带走热量，进一步增强切削齿的散热能力。此外将肋板6设置为三角形肋板，当聚晶金刚石层1损坏后，能减小硬质合金基座2与岩石接触的面积，提高pdc齿的吃入能力。实施例三所展示的pdc切削齿去除材料后，高效散热合金基座完整部分4的角度α为204
°
，去除材料部分新生成的侧面5的曲面半径r为4.40mm，肋板6的宽度为2mm，关于去除材料部分新生成的侧面5径向均匀分布，去除材料部分硬质合金基座的局部最小厚度h为2mm。还对高效散热合金基座2进行了倒角处理，减小应力集中。
40.参考图5所示，实施例三中肋板与肋板之间的夹角β为45
°
，肋板距离完整硬质合金基座部分4的距离d为2.16mm。
41.实施例四
42.参考图6所示，实施例四由半径r为6.72mm，厚度为3mm的聚晶金刚石层1和与之相连的厚度为10mm的高效散热硬质合金基座2组成。高效散热硬质合金基座2以侧面保留平面的方式去除部分材料，将与聚晶金刚石层1工作部分相连的部分硬质合金基座平面7暴露出来，增大此处硬质合金基座2与钻井液的接触面积，增强散热能力。去除材料后形成1块肋板状的结构支撑聚晶金刚石层1，增强抗冲击性能，通过肋板侧面3与钻井液接触，带走热量，进一步增强切削齿的散热能力。此外将肋板6设置为三角形肋板，当聚晶金刚石层1损坏后，能减小硬质合金基座2与岩石接触的面积，提高pdc齿的吃入能力。实施例四所展示的pdc切削齿去除材料后，去除材料部分新生成的侧面5距离pdc切削齿横截面圆心的距离d为4.72mm，肋板6的宽度为2mm，位于pdc切削齿的对称面上，去除材料部分硬质合金基座的局部最小厚度h为2mm。还对切削齿进行了倒角处理，减小应力集中现象。
43.实施例五
44.参考图7所示，实施例五由半径r为6.72mm，厚度为3mm的聚晶金刚石层1和与之相连的厚度为10mm的高效散热硬质合金基座2组成。高效散热硬质合金基座2以侧面保留平面的方式去除部分材料，将与聚晶金刚石层1工作部分相连的部分硬质合金基座平面7暴露出来，增大此处硬质合金基座2与钻井液的接触面积，增强散热能力。去除材料后形成2块肋板状的结构支撑聚晶金刚石层1，增强抗冲击性能，通过肋板侧面3与钻井液接触，带走热量，进一步增强切削齿的散热能力。此外将肋板6设置为三角形肋板，当聚晶金刚石层1损坏后，能减小硬质合金基座2与岩石的接触面积，提高pdc齿的吃入能力。实施例五所展示的pdc切削齿去除材料后，去除材料部分新生成的侧面5距离pdc切削齿横截面圆心的距离d为4.22mm，肋板6的宽度为2mm，垂直于去除材料部分新生成的侧面5，且对称分布于切削齿对称面两侧，肋板与肋板之间的间距为2mm，去除材料部分硬质合金基座的局部最小厚度h为2mm。还对切削齿进行了倒角处理，减小应力集中现象。
45.实施例六
46.参考图8所示，实施例六由半径r为6.72mm，厚度为3mm的聚晶金刚石层1和与之相连的厚度为10mm的高效散热硬质合金基座2组成。高效散热硬质合金基座2以侧面保留平面的方式去除部分材料，将与聚晶金刚石层1工作部分相连的部分硬质合金基座平面7暴露出来，增大此处硬质合金基座2与钻井液的接触面积，增强了散热能力。去除材料后形成3块肋板状的结构支撑聚晶金刚石层1，增强抗冲击性能，通过肋板侧面3与钻井液接触，带走热量，进一步增强切削齿的散热能力。此外将肋板6设置为三角形肋板，当聚晶金刚石层1损坏后，能减小硬质合金基座2与岩石的接触面积，提高pdc齿的吃入能力。实施例六所展示的pdc切削齿去除材料后，去除材料部分新生成的侧面5距离pdc切削齿横截面圆心的距离d为3.72mm，肋板6的宽度为1.5mm，垂直于去除材料部分新生成的侧面5，且对称分布于切削齿对称面两侧，肋板与肋板之间的间距为2mm，去除材料部分硬质合金基座的局部最小厚度h为2mm。还对切削齿进行了倒角处理，减小应力集中现象。
47.实施例七
48.参考图9所示，高效散热pdc切削齿的肋板6可以将其斜面设置为平面或者弧面。
49.参考图10、图11所示，图10a是聚晶金刚石层1磨损前的示意图，图10b是当聚晶金刚石层1磨损后，硬质合金基座2会与岩石接触的示意图。若接触面积较大，pdc齿的吃入能
力下降，而采用肋板结构，可以通过调整剩余硬质合金基座厚度h、肋板宽度以及斜面弧度来减小接触面积，增强吃入能力。图11中的阴影部分为三种pdc切削齿在磨损程度相同的条件下的接触面积，三种pdc切削齿半径相同，肋板宽度相同，但肋板斜面形状不同，图11a普通pdc齿的接触面积为67.5304mm2、图11b平面斜面pdc齿的接触面积为50.0272mm2、图11c弧面斜面pdc齿的接触面积为48.8126mm2。

技术特征：

1.一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其结构包括聚晶金刚石层和高效散热硬质合金基座，其特征在于：去除硬质合金基座的部分材料，将聚晶金刚石层工作面后的部分硬质合金基座暴露出来，增大硬质合金基座与钻井液的接触面积，增强散热能力。2.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：去除材料后新生成的侧面保留为曲面。3.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：去除材料后新生成的侧面保留为平面。4.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：硬质合金基座去除材料后的局部最小厚度不小于1mm。5.根据权利要求1所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：通过设置肋板来对聚晶金刚石层进行支撑。6.根据权利要求2所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：剩余完整的硬质合金基座部分的角度为180
°
～330
°
。7.根据权利要求2所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：去除材料部分新生成的侧面的曲面半径大于切削齿半径的1/2。8.根据权利要求2和权利要求5所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：肋板的数量为1时，其位置在切削齿的对称面上。9.根据权利要求2和权利要求5所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：肋板的数量为大于1时，其位置关于去除材料部分新生成的曲形侧面径向均匀分布。10.根据权利要求3所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：去除部分新生成的侧面到pdc切削齿横截面圆心的距离大于切削齿半径的1/2。11.根据权利要求3和权利要求5所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：肋板6的数量为1时，其位置在切削齿的对称面上。12.根据权利要求3和权利要求5所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于：肋板6的数量大于1时，其位置垂直于去除材料部分新生成侧面，对称分布在切削齿对称面的两侧。13.根据权利要求5所述的一种具有高效散热能力的pdc切削齿，其特征在于:肋板6斜面可为平面或者弧面。

技术总结

本发明公开了一种具有高效散热能力的PDC切削齿，其结构包括高效散热硬质合金基座和与其相连的聚晶金刚石层。本发明通过将硬质合金基座的部分材料去除，把聚晶金刚石层工作面后的部分硬质合金基座暴露于钻井液中，形成肋板状的结构支撑聚晶金刚石层。采用肋板结构，在保证硬质合金基座对聚晶金刚石层支撑的前提下，能够增大聚晶金刚石层附近硬质合金基座与钻井液的接触面积，显著地提高PDC齿的散热能力，降低切削齿的温度梯度，有助于延长PDC齿的使用寿命。使用寿命。使用寿命。