專利名稱：牙輪鉆頭軸承表面的構(gòu)造的制作方法
牙輪鉆頭軸承表面的構(gòu)造
優(yōu)先權(quán)要求
本申請要求2008年3月14日提交的美國臨時(shí)申請專利序列號61/036，785的權(quán) 益，該臨時(shí)申請的公開內(nèi)容在此通過引用并入。技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明一般地涉及地鉆孔鉆頭，更具體地涉及牙輪鉆頭。
技術(shù)背景
牙輪鉆頭是在石油、天然氣和采礦領(lǐng)域中用來穿透地球巖層形成井筒的切削工 具。鉆頭的載荷和運(yùn)動傳遞至三頭和錐體(cone)組件中的軸承。對于應(yīng)用軸頸軸承的 鉆頭而言，主軸頸軸承承載了多達(dá)80%的總徑向載荷。主軸頸軸承由頭(作為軸)、軸承 襯(軸瓦，bushing)以及錐體(作為軸承箱)組成。由于高載荷(> 10，0001b)和低速 (70 250rpm)，軸承在界面或者混合潤滑作用區(qū)域運(yùn)轉(zhuǎn)，在該區(qū)域頭沒有完全與軸承襯分 離。粗糙面接觸和液體動壓力都支撐載荷。限制在那些粗糙面中的潤滑脂是有效的潤滑介 質(zhì)并且其量是相當(dāng)有限的。在接觸區(qū)域，軸承經(jīng)歷潤滑脂缺乏是常見的。此后，軸承經(jīng)常遭 受劃傷(scoring)、刮傷(scuffing)以及甚至嚴(yán)重故障(catastrophic failure)如磨損 (galling)或者咬死(seizure)。在頭和軸承襯間的接觸表面收集(trapped)更多的潤滑 脂以減小摩擦是期望的。
參考圖1A，圖IA圖解說明了典型的牙輪鉆頭的部分剖面圖。圖IA更具體地圖解 說明了一頭和錐體組件。這種鉆頭的一般構(gòu)造和操作是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的。
鉆頭的頭1包括軸承軸(bearing shaft) 2。切割錐體(cutting cone) 3可旋轉(zhuǎn)地 安置在作為軸頸的軸承軸2上。鉆頭的主體部分包括上部螺紋部分，其形成能夠幫助鉆頭 與鉆柱(未顯示)連接的鉆具接頭連接4。潤滑系統(tǒng)6被包括以用于向錐體3和軸承軸2 之間的軸頸軸承提供潤滑作用，并且將潤滑劑保留于其中。這個(gè)系統(tǒng)6具有為本領(lǐng)域技術(shù) 人員所熟知的構(gòu)造和操作。
提供若干軸承系統(tǒng)與支持錐體3圍繞軸承軸2旋轉(zhuǎn)的軸頸軸承相連。這些軸承系 統(tǒng)包括第一圓柱形滑動軸承10 (本文也稱為主軸頸軸承)、滾珠軸承12、第二圓柱形滑動軸 承14、第一徑向滑動(推力)軸承16和第二徑向滑動(推力)軸承18。
參考圖1B，其示出了另外一種典型的牙輪鉆頭的部分剖面圖。參考數(shù)字141指的 是錐體150在頭軸(驅(qū)動軸)130上的旋轉(zhuǎn)軸。參考數(shù)字106指的是鉆頭本身的中央旋轉(zhuǎn) 軸。同樣的參考數(shù)字指的是相同或者相似的零件。在此標(biāo)注使用錐形推力軸承16’ (tapered thrustbearing)0
圖2更詳細(xì)地圖解說明了圖IA的部分剖面圖，其示出軸承系統(tǒng)。第一圓柱形滑動 軸承10被在軸承軸2上的外部圓柱面20和軸承襯M的內(nèi)部圓柱面22限定，所述內(nèi)部圓柱 面已被壓配合入錐體3。軸承襯M是環(huán)形結(jié)構(gòu)，其一般由鈹銅(beryllium copper)制成， 但是其他材料的使用在本領(lǐng)域是已知的。滾珠軸承12支撐于限定在軸承軸2和錐體3之間的界面的環(huán)形滾道26內(nèi)。第二圓柱形滑動軸承14被在軸承軸2上的外部圓柱面30和 錐體3上的內(nèi)部圓柱面32限定。外部圓柱面30向內(nèi)徑向偏離外部圓柱面20。第一徑向滑 動軸承16通過在軸承軸2上的第一徑向面40和在錐體3上的第二徑向面42限定在第一 和第二圓柱形滑動軸承10和12之間。第二徑向滑動軸承18靠近位于錐體的旋轉(zhuǎn)軸的第 二圓柱形滑動軸承12，并且該第二徑向滑動軸承18由在軸承軸2上的第三徑向面50和在 錐體3上的第四徑向面52限定。
在切割錐體3和軸承軸2之間放置環(huán)形密封圈60。圓柱面密封輪轂(seal boss) 62 被設(shè)置在軸承軸上。在圖示的結(jié)構(gòu)中，該密封輪轂62的表面向外徑向偏離第一滑動軸承10 的外部圓柱面20 (偏離軸承襯M的厚度)?？梢悦靼?，如果需要，密封輪轂?zāi)軌虮憩F(xiàn)相對于 主軸頸軸承表面不偏離。在錐體3中形成環(huán)形密封套64。當(dāng)切割錐體3被可旋轉(zhuǎn)地定位于 軸承軸上時(shí)，密封套64和密封輪轂62互相對齊。環(huán)形密封圈60被壓緊在密封套64的表 面(一個(gè)或多個(gè))和密封輪轂62之間，并且該環(huán)形密封圈60作用是將潤滑劑保留在繞軸 承系統(tǒng)的軸承區(qū)域(承載面積，bearing area)中并且阻止井筒中的任何物質(zhì)(鉆井泥漿 和巖屑)進(jìn)入軸承區(qū)域。
再次參考圖1B，錐形推力滑動軸承16，(tapered thrust frictionbearing)通過 在軸承軸130上的第一錐形面40’和在錐體150上的第二錐形面42’限定在第一和第二圓 柱形滑動軸承10和12之間。圖IB的另外的特征與圖IA和圖2的大體相同。
盡管在一些情況下表面被稱為圓柱形的或者徑向的，并且示出為線性的，但是應(yīng) 該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的其他表面幾何形狀(例如，非線性的表面形狀，既不平行 與也不垂直于錐體旋轉(zhuǎn)軸141，例如環(huán)形的或者其他方式彎曲的)可用于軸承表面和推力 表面。
粗糙面接觸和液體動壓力二者都支撐著軸承系統(tǒng)中的載荷。使用系統(tǒng)6，將潤滑劑 提供在第一圓柱形滑動軸承10、第二圓柱形滑動軸承14、第一徑向滑動軸承16 (或錐形推 力軸承16’)和第二徑向滑動軸承18中、在所涉及的圓柱形表面和徑向表面之間。但是，在 軸承系統(tǒng)的這些表面接觸區(qū)域中，軸承經(jīng)歷潤滑脂缺乏是常見的。這能夠?qū)е聞潅?、刮傷?及甚至嚴(yán)重故障如磨損或者咬死。有必要在夾在軸承系統(tǒng)的所涉及的和相對的圓柱形表面 和徑向表面之間的位置中保留潤滑劑。
參考如下現(xiàn)有技術(shù)文件美國專利號3，839，774 (Oct. 8，1974)， 4，248，485 (Feb. 3，1981)和 5，485，890 (Jan. 23，1996)美國公開 2005/0252691 (Nov. 17， 2005)；以及PCT公開WO 2007/146276 (Dec. 21，2007)，這些的公開內(nèi)容在此通過引用并入。發(fā)明內(nèi)容
為解決潤滑脂缺乏和可能的軸承破壞問題，需要增加能夠保持在軸承系統(tǒng)的表面 接觸區(qū)域中的潤滑劑的量。在將更大量的潤滑劑引入這些表面接觸區(qū)域的努力中，軸承系 統(tǒng)的表面形貌以如下所述的方式進(jìn)行改變。
使用表面構(gòu)造改善牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)的一個(gè)或者更多個(gè)表面(不限于例如徑向 的或圓柱形的)的形貌。關(guān)于表面構(gòu)造的某些特征及其對減小軸承摩擦和延長鉆頭壽命的 有益影響，描述創(chuàng)新的方法和設(shè)備。這些特征解決了現(xiàn)有技術(shù)中關(guān)于主軸頸軸承表面以及 小軸頸軸承表面和推力軸承表面的結(jié)構(gòu)和操作的不足。6
由于重載荷和低速度，驅(qū)動軸(頭軸，head shaft)和主軸頸軸承的軸承襯在軸承 系統(tǒng)的載荷側(cè)接觸。這種金屬對金屬的接觸在軸承系統(tǒng)的摩擦行為中占主導(dǎo)地位。摩擦系 數(shù)正常能夠達(dá)到超過0. 1，這樣產(chǎn)生大量的熱而且可能導(dǎo)致軸承和密封件破壞。為了改善軸 承壽命，必須減小摩擦。在混合的潤滑作用區(qū)域中，有兩種方法在這些表面接觸區(qū)域中產(chǎn)生 更好的潤滑作用供應(yīng)更多的潤滑脂或者產(chǎn)生更高的液體動壓力。
根據(jù)一種實(shí)施方式，通過表面構(gòu)造技術(shù)改善頭軸承(止端軸承，headbearing)系 統(tǒng)的表面形貌。將表面構(gòu)造引入到牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)的頭側(cè)(head side)上或者軸承襯 (或者錐體)側(cè)(或兩者)上。本文公開的表面構(gòu)造包括保留額外的潤滑劑并且因此有助 于減小在邊界和混合潤滑作用區(qū)域中的摩擦的微凹。
如本文所述的表面構(gòu)造在軸承系統(tǒng)的一個(gè)或者更多個(gè)表面上產(chǎn)生特定圖案的微 凹。為了識別在根據(jù)本文描述的實(shí)施方式的軸承系統(tǒng)中可能的構(gòu)造表面，再次參考圖IA和 圖2。在一種執(zhí)行方案中，表面構(gòu)造提供在軸承軸2的外部圓柱面20上，所述外部圓柱面形 成了第一圓柱形滑動軸承10的一部分。在另一個(gè)執(zhí)行方案中，表面構(gòu)造提供在軸承襯M 的內(nèi)部圓柱面22上，所述內(nèi)部圓柱面已被壓配合入錐體3并且形成了第一圓柱形滑動軸承 10的一部分。在仍另一執(zhí)行方案中，表面構(gòu)造提供在軸承軸2的外部圓柱面30上，所述外 部圓柱面形成了第二圓柱形滑動軸承14的一部分。在仍另一執(zhí)行方案中，表面構(gòu)造提供在 錐體3的內(nèi)部圓柱面32上，所述內(nèi)部圓柱面形成了第二圓柱形滑動軸承14的一部分。在 另一個(gè)執(zhí)行方案中，表面構(gòu)造提供在軸承軸2上的第一徑向面40(或錐形表面40’ )上，所 述第一徑向面形成了第一徑向滑動軸承16(軸承16’)的一部分。在仍另一執(zhí)行方案中， 表面構(gòu)造提供在錐體3的第二徑向面42 (或錐形表面42’ )上，所述第二徑向面形成了第 一徑向滑動軸承16 (軸承16’)的一部分。在仍另一執(zhí)行方案中，表面構(gòu)造提供在軸承軸2 的第三徑向面50上，所述第三徑向面形成了第二徑向滑動軸承18的一部分。在仍另一執(zhí) 行方案中，表面構(gòu)造提供在錐體3的第四徑向面52上，所述第四徑向面形成了第二徑向滑 動軸承18的一部分。也可以使用上述構(gòu)造表面與未構(gòu)造表面的任何組合。
表面構(gòu)造的微凹表現(xiàn)為潤滑劑儲器，其將潤滑作用滲透入金屬粗糙面的內(nèi)部空 間。同時(shí)，在微凹區(qū)域上產(chǎn)生更高的液體動壓力。這兩種作用以摩擦的減小促進(jìn)了軸承系 統(tǒng)潤滑作用的提高。優(yōu)選地，表面構(gòu)造的微凹覆蓋目的接觸軸承表面的60%-100%。甚至 更加優(yōu)選地，微凹應(yīng)該覆蓋目的表面的70-90%之間。在一個(gè)執(zhí)行方案中，微凹基本上覆蓋 目的表面的100%。
本文的實(shí)施方式使用多種方法中的任何一個(gè)或者更多個(gè)來產(chǎn)生表面構(gòu)造，所 述實(shí)施方式包括機(jī)械加工、化學(xué)蝕刻、激光構(gòu)造加工(Iasertexturing)、深滾壓(de印 rolling)、振動拋光(vibratory finishing)，等等?？煽刂菩?、均一性、成本、覆蓋面積、微 凹尺寸、微凹深度以及微凹形狀是決定選擇何種方法以形成構(gòu)造的因素。
在優(yōu)選的執(zhí)行方案中，使用噴丸硬化(shot peening)產(chǎn)生表面構(gòu)造的微凹。更具 體地，使用兩步法噴丸硬化過程。根據(jù)這種兩步法過程，在第一步中將待處理的軸承系統(tǒng)表 面暴露于第一噴丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的小球介質(zhì)(media)(“噴丸”)以第一強(qiáng) 度水平轟擊表面。在第二步中，將正處理的同一軸承系統(tǒng)表面暴露于第二強(qiáng)度水平的第二 噴丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的小球介質(zhì)(“噴丸”)轟擊表面。優(yōu)選地，從第一強(qiáng)度 水平減少得到第二強(qiáng)度水平。優(yōu)選地，第二平均尺寸比第一平均尺寸小。
在優(yōu)選的執(zhí)行方案中，實(shí)行兩步法噴丸硬化過程的每一步以達(dá)到60-100%之間的 噴丸處理覆蓋面積(peened coverage area)。當(dāng)在每一步中使用少于100%的噴丸處理覆 蓋面積時(shí)，目標(biāo)是達(dá)到處理表面的以下最終噴丸處理覆蓋面積至少60%，以及更具體地 70-90%和更優(yōu)選地接近或者達(dá)到基本上100%。
可以更進(jìn)一步理解，噴丸硬化過程可使用超過兩個(gè)的單獨(dú)彈射(錘擊，peening) 作用。例如，可以使用三步法、四步法或者更多步法過程。每一步優(yōu)選地使用不同平均尺寸 的介質(zhì)和不同的強(qiáng)度水平。
公開內(nèi)容也包括對軸承表面進(jìn)行斷續(xù)類型的構(gòu)造，在這種構(gòu)造中不是所有的給定 表面都接受表面構(gòu)造處理。


圖IA圖解說明了典型的牙輪鉆頭的部分剖面圖IB圖解說明了另一典型的牙輪鉆頭的部分剖面圖2圖解說明了圖IA的部分剖面圖，其更詳細(xì)地示出軸承系統(tǒng)；
圖3圖解說明了示例性的噴丸硬化沖擊模式；
圖4以橫截面圖解說明了通過圖3的噴丸硬化處理的目的表面，有或者大約有 100%的覆蓋面積；
圖5以橫截面圖解說明了通過額外的噴丸硬化處理的目的表面，有低于100%的覆蓋面積；
圖6圖解說明了對于額外實(shí)施的噴丸硬化的示例性沖擊模式；
圖7、8和9以橫截面圖解說明了通過額外的噴丸硬化過程處理的目的表面；
圖10和11是圖解說明經(jīng)歷兩步法噴丸硬化過程的表面之間的形貌比較的圖像；
圖12是圖解常規(guī)機(jī)械加工表面的形貌的圖像；
圖13是圖解兩步法噴丸硬化表面的形貌的圖像；
圖14、15和16圖解說明了表面構(gòu)造(surface texting)引起的對摩擦系數(shù)的有 益影響；
圖17圖解說明了當(dāng)在地層中操作時(shí)，牙輪鉆頭的部分剖面圖18圖解說明了取自軸頸軸承的橫截面；和
圖19圖解說明了斷續(xù)表面構(gòu)造的可選形式。
具體實(shí)施方式
使用表面構(gòu)造修改牙輪鉆頭的軸承系統(tǒng)的一個(gè)或者更多個(gè)表面(徑向的或者圓 柱形的)的形貌。表面構(gòu)造產(chǎn)生微凹表面，微凹表面保留有益于減小在界面和混合潤滑作 用區(qū)域中的摩擦的額外潤滑劑。微凹構(gòu)造的表面覆蓋面積至少應(yīng)超過最小60%，更優(yōu)選在 70-90%之間，以及甚至更優(yōu)選地接近或者達(dá)到近似100%。
為認(rèn)識應(yīng)用該表面構(gòu)造的軸承系統(tǒng)中的構(gòu)造表面，再次參考圖1和圖2。
首先看第一圓柱形滑動軸承10，表面構(gòu)造提供在軸承軸2上的外部圓柱面20和被 壓配合入錐體3的軸承襯M的內(nèi)部圓柱面22中的一個(gè)或另一個(gè)或者兩個(gè)上，這些表面形 成第一圓柱形滑動軸承10 (或者主軸頸軸承)。
關(guān)于第二圓柱形滑動軸承14，表面構(gòu)造提供在軸承軸2的外部圓柱面30和錐體3 的內(nèi)部圓柱面32中的一個(gè)或另一個(gè)或者兩個(gè)上。
對于第一徑向滑動軸承16，表面構(gòu)造提供在軸承軸2的第一徑向面40 (或表面 40’ )和錐體3的第二徑向面42 (或表面42’ )中的一個(gè)或另一個(gè)或者兩個(gè)上。
最后，對于第二徑向滑動軸承18，表面構(gòu)造提供在軸承軸2的第三徑向面50和錐 體3的第四徑向面52中的一個(gè)或另一個(gè)或者兩個(gè)上。
也可使用上述構(gòu)造的表面與期望的未構(gòu)造表面的任何組合。
表面構(gòu)造的微凹作為潤滑劑儲器，其將潤滑作用滲透入金屬粗糙面的內(nèi)部空間。 同時(shí)，在微凹區(qū)域上產(chǎn)生更高的液體動壓力。兩種作用促進(jìn)軸承系統(tǒng)潤滑作用的提高。
多種方法中的任何一個(gè)或者更多用于產(chǎn)生微凹表面構(gòu)造，所述方法包括機(jī)械加 工、化學(xué)蝕刻、激光構(gòu)造加工、深滾壓、振動拋光、噴丸硬化，等等。可控制性、均一性、成本、 覆蓋面積、微凹尺寸、微凹深度以及微凹形狀是影響為表面構(gòu)造過程選擇何種方法的因素。
微凹的表面構(gòu)造應(yīng)是任意的并具有相同的覆蓋率(coverage)。優(yōu)選地，應(yīng)存在不 同尺寸的微凹并且微凹應(yīng)隨機(jī)分布整個(gè)表面。優(yōu)選的是在目的表面上基本上100%的最終 覆蓋面積。如果原始的表面完全被交疊的微凹構(gòu)造剔除，那么可以說已經(jīng)達(dá)到了 100%的 覆蓋面積。此外，最終的表面結(jié)構(gòu)應(yīng)沒有任何銳邊，所述銳邊可能促進(jìn)軸承系統(tǒng)中不希望的 金屬對金屬接觸。但是，應(yīng)該認(rèn)識到該益處產(chǎn)生于在目的表面上超過60%或者更優(yōu)選地在 70-90%之間以及向上接近100%的最終覆蓋面積。
在優(yōu)選的執(zhí)行方案中，選擇噴丸硬化以通過形貌(topology)改變形成微凹的表 面結(jié)構(gòu)。噴丸硬化有利地具有隨機(jī)性但是有均一覆蓋率的特點(diǎn)。噴丸硬化也是可控的過程， 因此只有那些需要的表面將具有改變的表面形貌(這允許臨近彈射表面存在機(jī)械加工表 面)。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知的，噴丸硬化是冷加工過程，其中零件的表面被稱為噴丸的 小球介質(zhì)轟擊。每一個(gè)噴丸由于撞擊在表面上留下一個(gè)很小的微凹。噴丸硬化被更廣泛地 用于產(chǎn)生壓應(yīng)力以便減少疲勞裂紋。受到在表面上產(chǎn)生細(xì)小微凹的目的(view)啟發(fā)，如本 文所述出于不同目的，使用噴丸硬化產(chǎn)生微凹的表面構(gòu)造，這種構(gòu)造可將更多的潤滑劑限 制在軸承表面接觸區(qū)域(一個(gè)或多個(gè))和產(chǎn)生更好地分開軸承表面的增加的液體動壓力。
上述的表面20、22、30、32、40、42、50和52中的任何一個(gè)或者更多個(gè)可經(jīng)歷噴丸硬 化處理。在優(yōu)選的執(zhí)行方案中，兩步法(雙重)噴丸硬化過程應(yīng)用于目的表面。
在第一步中，在表面上在第一噴丸強(qiáng)度(射擊強(qiáng)度，shot intensity)下使用第一 噴丸介質(zhì)完成噴丸硬化。第一步噴丸硬化作用進(jìn)行第一段時(shí)間以獲得需要的覆蓋面積。噴 丸介質(zhì)(射擊介質(zhì)，shot media)優(yōu)選地是鑄鋼，在示例性的執(zhí)行方案中該鑄鋼的第一平均 尺寸為0. 011英寸，和第一步的強(qiáng)度是0. 007 0. 010C (通過Almen帶測定)?？蛇x擇地， 對于較軟的表面例如在軸承襯M上的第一圓柱形滑動軸承10的內(nèi)部圓柱面22，噴丸介質(zhì) 是玻璃珠(第一步的強(qiáng)度0. 008 0.012N)。在示例性的執(zhí)行方案中，玻璃介質(zhì)的平均尺寸 是0.006英寸?？苫诶绮牧系挠捕仁欠癯^某一閾值(例如HRC45的硬度)，制定硬 表面與軟表面之間的差別。在上述主軸頸軸承的執(zhí)行方案中，硬化鋼材料的軸頸具有HRC 58-62的硬度，而鈹銅的軸承襯具有大約HRC 38的硬度。
優(yōu)選地，在第一段時(shí)間后由這種第一噴丸硬化步驟的完成而產(chǎn)生的噴丸處理覆蓋 面積在60%和100%之間。也提供超過100%的覆蓋率。覆蓋率被定義為通過過程步驟表面完成構(gòu)造(例如微凹化)的程度(以百分比計(jì))。因此，具有100%覆蓋率是已被彈射表 面的原始表面構(gòu)造已被第一噴丸硬化步驟完全剔除。超過100%的覆蓋率是通過延長彈射 暴露時(shí)間超過達(dá)到100%覆蓋率所需的時(shí)間而得到的。例如，200%覆蓋率可通過噴丸硬化 表面兩倍于得到100%覆蓋率所需時(shí)間量實(shí)現(xiàn)的。
圖3圖解說明了對于執(zhí)行第一噴丸硬化步驟，具有100%的覆蓋面積或者大約 100%的覆蓋面積的示例性的沖擊模式。
圖4以橫截面圖解說明了通過第一噴丸硬化步驟處理的目的表面。
相反地，圖5以橫截面圖解說明了通過第一噴丸硬化步驟處理的具有少于100% 的覆蓋面積(即，處理較短一段時(shí)間)的目的表面。
在第二步中，在由第一步完成得到的表面(圖4或者圖幻上，使用第二噴丸介質(zhì) 在第二強(qiáng)度下進(jìn)行噴丸硬化。第二步噴丸硬化作用進(jìn)行第二段時(shí)間以便得到需要的覆蓋面 積。噴丸介質(zhì)優(yōu)選具有第二平均尺寸0.011英寸(其比第一平均尺寸小)的鑄鋼，和第二 步的強(qiáng)度是0. 007 0. OlOA (通過Almen帶測定)?？蛇x地，對于較軟的表面諸如在軸承襯 M上的第一圓柱形滑動軸承10的內(nèi)部圓柱面22，噴丸介質(zhì)是更小的玻璃珠。優(yōu)選地，由這 個(gè)第二步噴丸硬化步驟完成得到的噴丸處理覆蓋面積在60%和100%之間。
圖6圖解說明了對于執(zhí)行第二噴丸硬化步驟，具有低于100%的覆蓋面積的示例 性沖擊模式。
圖7以橫截面圖解說明了通過第二噴丸硬化步驟(當(dāng)從圖4所示的第一步結(jié)果開 始時(shí))處理目的表面得到基本上100%覆蓋面積必需的第二段時(shí)間。
圖8以橫截面圖解說明了通過第二噴丸硬化步驟(當(dāng)從圖5所示的第一步結(jié)果開 始時(shí))處理的目的表面。在這種情況下，第二步具有小于100%的覆蓋率(由于暴露縮短的 第二段時(shí)間)。
圖9以橫截面圖解說明了通過第二噴丸硬化步驟(當(dāng)從圖5所示的第一步結(jié)果開 始時(shí))處理的目的表面。在這種情況下，通過選擇需要的第二段時(shí)間，第二步具有100%的覆蓋率。
不管用第二噴丸硬化達(dá)到的覆蓋面積百分比如何，優(yōu)選的是最小碰撞的第二噴丸 硬化步驟，如圖7所示，在由第一噴丸硬化步驟(見圖4和圖幻完成得到的表面構(gòu)造中存 在任何銳邊。這會導(dǎo)致表面構(gòu)造加工面(finish)的改進(jìn)，其中減少了在軸承系統(tǒng)中金屬對 金屬接觸的可能性。
優(yōu)選地，在目的表面的噴丸硬化(兩步或者更多步驟)的完成后，對于組合的第 一步和第二步表面微凹化處理，實(shí)現(xiàn)基本上100%的覆蓋面積。但是，覆蓋面積大于60%、 70-90%以及大于90%是有利的。
盡管描述了兩步法過程，但是可以理解噴丸硬化過程可使用多于兩個(gè)單獨(dú)的彈射 作用。例如，使用三步法、四步法、或者更多步法過程。每一步將優(yōu)選使用不同的平均尺寸 的介質(zhì)和不同的強(qiáng)度水平。
對于較軟的材料，例如硬度是HRC45或者硬度低于HRC45，可能只需一個(gè)噴丸硬化 步驟作用。但是，較硬的材料受益于如上所述的兩步或者更多步噴丸硬化作用的施行。
可以理解本文示出的橫截面的表面構(gòu)造圖解實(shí)際上是示意性的和示例性的。附圖 中示出的圖解的微凹形狀和位置的規(guī)律性和周期性不必是在橫截面處所見的實(shí)際的噴丸硬化表面的精確圖解，更確切的是代表使用兩步過程達(dá)到的結(jié)果。本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員 理解由給予各自不同第一段時(shí)間和第二段時(shí)間的第一和第二步驟的每一個(gè)進(jìn)行彈射作用 產(chǎn)生的形貌。
已知在現(xiàn)有技術(shù)中提供具有粗糙度為8至16微英寸Ra的徑向和圓柱形的軸承系 統(tǒng)表面。這將包含標(biāo)準(zhǔn)用途的典型的拋光軸承表面(也見圖12)。但是，作為本文描述的表 面處理過程完成的結(jié)果，噴丸硬化的目的軸承表面具有大于20微英寸Ra的表面加工粗糙 度(也見圖13)。
現(xiàn)在參考圖10，圖10是圖解根據(jù)上述的兩步法噴丸硬化過程處理以具有大于20 微英寸Ra的表面粗糙度的表面(見左邊的軸承軸)和具有常規(guī)的8至16微英寸Ra的表 面粗糙度的表面(見右邊的軸承軸和中間的軸承襯的內(nèi)表面)之間的形貌比較的圖像。圖 11是圖解根據(jù)上述的兩步法噴丸硬化過程處理以具有大于20微英寸Ra的表面粗糙度的表 面(見左邊的軸承軸和中間的軸承襯的內(nèi)表面)和具有常規(guī)的8至16微英寸Ra的表面粗 糙度的表面(見右邊的軸承軸)之間的形貌比較的圖像。
圖12是圖解常規(guī)的(regular)機(jī)械加工面的形貌的圖像，例如在現(xiàn)有技術(shù)中用于 軸承系統(tǒng)表面的。
圖13是圖解根據(jù)上述產(chǎn)生的兩步法噴丸硬化表面的形貌的圖像。
在相同的操作條件下，在軸承試驗(yàn)裝置上測試具有常規(guī)機(jī)械加工軸承襯的常規(guī)機(jī) 械加工軸(見圖12的表面)、具有常規(guī)機(jī)械加工軸承襯的噴丸硬化軸(見圖13的表面)， 以及具有噴丸硬化軸承襯的常規(guī)機(jī)械加工軸。圖14和圖15圖解了該測試的結(jié)果并示出表 面構(gòu)造(一般地)以及根據(jù)上述過程的兩步法噴丸硬化(具體地)對在這三個(gè)軸承系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)中摩擦系數(shù)的有益影響。制造的表面構(gòu)造的小微凹的存在產(chǎn)生液體動壓力，穩(wěn)定或者減 小摩擦。具有常規(guī)的機(jī)械加工面(在該技術(shù)領(lǐng)域熟知的)的軸和軸承襯系統(tǒng)暴露于更多粗 糙面與粗糙面接觸以至在這種軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的摩擦顯示很大的變化。但是，對噴丸硬化 的軸和/或軸承襯系統(tǒng)(圖解的兩種執(zhí)行方案)，極小微凹為潤滑脂提供了更多的儲器以潤 滑摩擦面。同時(shí)，包含在微凹中的潤滑脂將產(chǎn)生液體動壓力以更好地分開摩擦結(jié)合。因此， 摩擦趨于更加穩(wěn)定或者減小。
圖14和圖15區(qū)別僅僅在于標(biāo)示和呈現(xiàn)圖解的數(shù)據(jù)所使用的方式。
現(xiàn)在參考圖16，圖16也圖解說明了根據(jù)上述兩步過程的噴丸硬化對在這三個(gè)軸 承結(jié)構(gòu)中的摩擦系數(shù)的影響。圖16圖解說明了與圖14和圖15所提供的相同的信息，但是 以不同的方式進(jìn)行呈現(xiàn)。圖16圖解丟失了一些在圖14-15中所示的關(guān)于在常規(guī)的頭和軸承 襯系統(tǒng)中的摩擦變化以及在噴丸硬化的頭和軸承襯系統(tǒng)中的摩擦減少的信息。雖然如此， 如本文所述，軸承系統(tǒng)的表面構(gòu)造加工面的摩擦益處是顯而易見的。
總的來說，提供表面構(gòu)造的頭軸承(止端軸承)用于牙輪鉆頭中。通過兩步法噴 丸硬化過程在與軸承系統(tǒng)(例如，在主軸頸軸承中)相關(guān)的一個(gè)或者更多個(gè)目的表面上制 造極小的微凹。在目的表面上形成隨機(jī)分布和不一致尺寸的微凹(至少60%的覆蓋面積) 并且該微凹作為將更多潤滑劑限制在表面接觸區(qū)域中的儲器起作用。在微凹區(qū)域中產(chǎn)生液 體動壓力并且減小軸承摩擦。因此，改善軸承工作狀況。
現(xiàn)在參考圖17，圖17圖解說明了當(dāng)在地層中操作時(shí)，牙輪鉆頭的部分剖面圖。在 鉆頭運(yùn)行期間，錐體的切割部件將力F施加在軸頸上。但是，應(yīng)該注意力施加在軸承表面的11載荷區(qū)域上，該載荷區(qū)域比總的圓周表面小。例如，載荷區(qū)域可僅占軸承圓周表面的四分之 一(大約 90° )。
現(xiàn)在參考圖18，圖18圖解說明了取自垂直于錐體旋轉(zhuǎn)軸141的軸頸軸承(例如， 通過第一圓柱形滑動軸承10或者主軸頸軸承)的橫截面。圖17中的參考箭頭A-A—般性 地圖解說明了視圖的角度，但是不具體地確定從何處取橫截面?？梢钥闯鲚d荷區(qū)域大約是 軸承表面(主軸承的軸頸表面)的圓周表面的四分之一(大約90° )。來自接觸地層的力 F(圖17)基本上(如果不是全部地)施加在該區(qū)域的軸承表面上。因此，軸承表面的該載 荷區(qū)域需要保護(hù)以防摩擦損害。
在一個(gè)實(shí)施方式中，僅軸承表面的該載荷區(qū)域接受前述的表面構(gòu)造。因此，被認(rèn)定 為載荷區(qū)域的在拱形區(qū)域內(nèi)的軸承表面將接受構(gòu)造而剩余的表面不接受構(gòu)造。因此，注意 這圖解說明了與前面解釋不同形式的覆蓋面積百分比。與該執(zhí)行方案相關(guān)的覆蓋面積稱為 軸承表面的斷續(xù)的覆蓋并且也可以用百分比表示。在這種情況中，百分比(例如，對于提供 的四分之一表面覆蓋實(shí)例的大約25% )指的是接受任何形式構(gòu)造的表面部分與根本不接 受構(gòu)造的表面部分之比。
現(xiàn)在參考圖19，圖19圖解說明了軸承表面，其為圖18中所示的拱形B-B的從點(diǎn)0 至點(diǎn)1的展開。在載荷區(qū)域內(nèi)(展開表面的右手側(cè))，提供斷續(xù)類型的表面構(gòu)造。如上所討 論，在載荷區(qū)域內(nèi)的所有表面均可以是以本文所述的方式構(gòu)造的表面。圖19具體圖解說明 了斷續(xù)表面構(gòu)造的可選形式?？梢栽谳S承表面上的載荷區(qū)域內(nèi)提供一個(gè)或者更多個(gè)不同的 和分開的表面構(gòu)造區(qū)域?？墒褂帽疚拿枋龅谋砻鏄?gòu)造技術(shù)形成這些區(qū)域中的每一個(gè)。區(qū)域 可采取帶狀的形狀，如圖19所示，其平行于錐體旋轉(zhuǎn)軸延伸。甚至進(jìn)一步，這些帶可以與力 F施加于軸頸軸承的位置對齊。展開表面的左邊的圓周區(qū)域根本沒有接受表面構(gòu)造處理。 而且，區(qū)域之間的表面區(qū)域根本沒有接受表面構(gòu)造處理。此外，如上所討論，以百分比表示 與該執(zhí)行方案(軸承表面的斷續(xù)覆蓋)相關(guān)的覆蓋面積。在這種情況下，百分比(例如，對 于提供的在四分之一表面載荷區(qū)域?qū)嵗齼?nèi)的構(gòu)造區(qū)域的大約12-15% )指的是接受任何形 式構(gòu)造的表面部分與根本不接受構(gòu)造的表面部分之比。
上面描述和圖解說明了本發(fā)明的實(shí)施方式。本發(fā)明不限于所述公開的實(shí)施方式。
權(quán)利要求
1.一種軸承系統(tǒng)表面的表面構(gòu)造方法，包括將目的表面暴露于第一噴丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小球介質(zhì)以第一強(qiáng) 度水平轟擊所述表面；和將所述目的表面暴露于后續(xù)的第二噴丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的第二小球介 質(zhì)以第二強(qiáng)度水平轟擊所述表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述第二強(qiáng)度水平從所述第一強(qiáng)度水平減小得到。
3.根據(jù)權(quán)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.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述第二強(qiáng)度水平從所述第一強(qiáng)度水平減小得到并 且其中所述第二平均尺寸比所述第一平均尺寸小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，還包括將所述目的表面暴露于一個(gè)或者更多個(gè)額外的噴 丸硬化作用。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中所述第一噴丸硬化作用表面構(gòu)造所述目的表面的 60-100%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述方法，其中所述第二噴丸硬化作用表面構(gòu)造所述目的表面的 60-100%。
8.根據(jù)權(quán)利要求1表面所述方法，其中所述第一噴丸硬化作用和所述第二噴丸硬化作 用的每一個(gè)表面構(gòu)造所述目的表面的100%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述方法，其中，在所述第二噴丸硬化作用完成后，所述目的表面的 60-100%已經(jīng)被構(gòu)造具有隨機(jī)尺寸和分布的微凹。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述目的表面僅是包含所述目的表面的全部表 面的一部分。
11.一種構(gòu)建鉆頭的方法，包括形成軸頸軸承結(jié)構(gòu)，所述軸頸軸承結(jié)構(gòu)具有包括至少一個(gè)軸承表面的軸承系統(tǒng)；和表面構(gòu)造所述軸承系統(tǒng)的所述軸承表面的至少一部分，其中表面構(gòu)造包括將所述軸承表面的所述部分暴露于第一噴丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小 球介質(zhì)以第一強(qiáng)度水平轟擊所述表面；和將所述軸承表面的所述部分暴露于后續(xù)的第二噴丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的 第二小球介質(zhì)以第二強(qiáng)度水平轟擊所述表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述軸承表面是推力表面，例如徑向種類的表
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述軸承表面是軸頸表面，例如圓柱形種類的表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述軸頸軸承結(jié)構(gòu)包括軸承襯并且所述軸承表 面的所述部分是所述軸承襯的內(nèi)表面或者外表面之一。
15.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述軸頸軸承結(jié)構(gòu)包括軸承軸并且所述軸承表 面是所述軸的外表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中所述部分小于所述軸承表面的總圓周面。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述部分是所述軸承表面的載荷承載部分。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述部分包括所述軸承表面上的多個(gè)帶。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中所述部分是所述軸承表面的載荷承載部分并且 所述帶與施加于所述軸承表面的載荷力對齊。
20.一種具有軸承表面的牙輪鉆頭軸頸軸承的軸承系統(tǒng)，其中所述軸承表面具有多個(gè) 微凹組成的表面構(gòu)造，所述微凹覆蓋所述目的表面的至少60%。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的軸承系統(tǒng)，其中所述微凹覆蓋所述表面的70-90%。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的軸承系統(tǒng)，其中所述微凹基本上覆蓋所述表面的100%。
23.根據(jù)權(quán)利要求20所述的軸承系統(tǒng)，其中通過噴丸硬化以兩步法過程形成所述多個(gè) 微凹，所述過程包括第一噴丸硬化作用，其中由第一平均尺寸的第一小球介質(zhì)以第一強(qiáng)度 水平轟擊所述表面，和后續(xù)的第二噴丸硬化作用，其中由第二平均尺寸的第二小球介質(zhì)以 第二強(qiáng)度水平轟擊所述表面。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述第一噴丸硬化作用表面構(gòu)造所述目的表面 的 60-100% ο
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述第二噴丸硬化作用表面構(gòu)造所述目的表面 的 60-100% ο
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二噴丸硬化作用的每一個(gè)表面構(gòu) 造所述目的表面的100%。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述軸承表面是推力表面，例如徑向種類的表
28.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述軸承表面是軸頸表面，例如圓柱形種類的表面。
29.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述軸頸軸承結(jié)構(gòu)包括軸承襯并且所述軸承表 面是所述軸承襯的內(nèi)表面或者外表面之一。
30.根據(jù)權(quán)利要求20所述的系統(tǒng)，其中所述軸頸軸承結(jié)構(gòu)包括軸承軸并且所述軸承表 面是所述軸的外表面。
31.一種具有軸承表面的牙輪鉆頭軸頸軸承的軸承系統(tǒng)，其中所述軸承表面具有多個(gè) 微凹組成的表面構(gòu)造，所述多個(gè)微凹在一個(gè)或者更多個(gè)區(qū)域內(nèi)提供斷續(xù)的覆蓋，所述一個(gè) 或者更多個(gè)區(qū)域覆蓋少于全部的所述軸承表面。
32.根據(jù)權(quán)利要求31所述的軸承系統(tǒng)，其中所述一個(gè)或者更多個(gè)區(qū)域覆蓋所述表面的 大約25%。
33.根據(jù)權(quán)利要求31所述的軸承系統(tǒng)，其中通過兩步法過程的噴丸硬化形成所述多個(gè) 微凹，所述過程包括第一噴丸硬化作用，其中通過第一平均尺寸的第一小球介質(zhì)以第一強(qiáng) 度水平轟擊所述表面，和后續(xù)的第二噴丸硬化作用，其中通過第二平均尺寸的第二小球介 質(zhì)以第二強(qiáng)度水平轟擊所述表面。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述第一噴丸硬化作用表面構(gòu)造所述區(qū)域的 60-100%。
35.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述第二噴丸硬化作用表面構(gòu)造所述區(qū)域的 60-100%。
36.根據(jù)權(quán)利要求33所述的系統(tǒng)，其中所述第一和第二噴丸硬化作用的每一個(gè)表面構(gòu) 造所述區(qū)域的100%。
37.根據(jù)權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述軸承表面是推力表面，例如徑向種類的表
38.根據(jù)權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述軸承表面是軸頸表面，例如圓柱形種類的表面。
39.根據(jù)權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述軸頸軸承結(jié)構(gòu)包括軸承襯并且所述軸承表 面是所述軸承襯的內(nèi)表面或者外表面之一。
40.根據(jù)權(quán)利要求31所述的系統(tǒng)，其中所述軸頸軸承結(jié)構(gòu)包括軸承軸并且所述軸承表 面是所述軸的外表面。
41.根據(jù)權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其中所述區(qū)域小于所述軸承表面的總圓周面。
42.根據(jù)權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中所述區(qū)域是所述軸承表面的載荷承載部分。
43.根據(jù)權(quán)利要求41所述的系統(tǒng)，其中所述區(qū)域包括所述軸承表面上的多個(gè)帶。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的系統(tǒng)，其中所述部分是所述軸承表面的載荷承載部分并且 所述帶與施加于所述軸承表面的載荷力對齊。
45.一種牙輪鉆頭軸頸軸承的軸承系統(tǒng)，包括包含密封表面和軸承表面的軸；軸承襯；具有環(huán)形密封套并且容納所述軸承襯的輥錐體；其中所述輥錐體和軸承襯被可旋轉(zhuǎn)地安裝到所述軸上，以至所述軸承襯與所述軸承表 面對齊，和所述密封套與所述密封表面對齊；和其中1)所述軸上的軸承表面或者2、所述軸承襯的內(nèi)表面的至少一個(gè)具有表面構(gòu)造， 所述表面構(gòu)造包括多個(gè)微凹；其中，或者a)所述微凹覆蓋超過所述表面的60%或者b)所述微凹提供斷續(xù)的覆蓋。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的軸承系統(tǒng)，其中對于a)，所述微凹覆蓋所述表面的 70-90%。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的軸承系統(tǒng)，其中對于a)，所述微凹基本上覆蓋所述表面的 100%。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的軸承系統(tǒng)，其中通過兩步法過程的噴丸硬化形成所述多個(gè) 微凹，所述過程包括第一噴丸硬化作用，其中通過第一平均尺寸的第一小球介質(zhì)以第一強(qiáng) 度水平轟擊所述表面，和后續(xù)的第二噴丸硬化作用，其中通過第二平均尺寸的第二小球介 質(zhì)以第二強(qiáng)度水平轟擊所述表面。
49.根據(jù)權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中對于b)，所述斷續(xù)的覆蓋提供在小于所述軸承 表面的總圓周面的區(qū)域上。
50.根據(jù)權(quán)利要求45所述的系統(tǒng)，其中對于b)，所述斷續(xù)的覆蓋提供在為所述軸承表 面的載荷承載部分的區(qū)域上。
51.根據(jù)權(quán)利要求51所述的系統(tǒng)，其中對于b)，所述斷續(xù)的覆蓋提供在包括所述軸承 表面上的多個(gè)帶的區(qū)域上。
52.根據(jù)權(quán)利要求52所述的系統(tǒng)，其中所述區(qū)域是所述軸承表面的載荷承載部分并且 所述帶與施加于所述軸承表面的載荷力對齊。
全文摘要
使用表面構(gòu)造改變牙輪鉆頭軸承系統(tǒng)的一個(gè)或者更多個(gè)表面(徑向的或者圓柱形的)的形貌。該表面構(gòu)造產(chǎn)生微凹表面，所述微凹表面保留有益于減小在界面和混合潤滑作用區(qū)域中的摩擦的額外潤滑劑。噴丸硬化被公開為構(gòu)造所需表面的一種方法。
文檔編號E21B10/24GK102037208SQ200980117549
公開日2011年4月27日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月14日
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