Буровий фрезер і спосіб його виготовлення

Винаходи відносяться до області буріння глибоких свердловин, переважно на нафту та газ, а саме до аварійного інструмента, призначеного для ремонту і відновлення бурових свердловин методом бурінняфрезерування аварійних об'єктів: бурових тр уб, замків, зацементованих металевих вузлів та ін. виробів. Відомий буровий фрезер (див. К. В. Иогансен "Спутник буровика", М. 81г., с.139, рис.61), що містить корпус з ріжучим шаром закріпленим на його торці дробленим твердим сплавом ВК8 і запресованих у корпусі ріжучих пластин Г4102 з сплаву ВК8. Відомий також спосіб виготовлення бурового фрезера (див. К. В. Иогансен "Спутник буровика", М. 81г., с.139, рис.61), згідно з яким ріжучий шар наплавляють на корпус бурового фрезера, при цьому частки зносостійкого матеріалу неправильні за формою і різних розмірів розташовуються в об'ємі зв'язуючого матеріалу хаотично і утримуються за рахунок термоусадки. В процесі буріння описаним фрезером частки зносостійкого матеріалу вириваються із зв'язуючого матеріалу, руйнуючи ріжучу поверхню фрезера і знижуючи ресурс його роботи. Динамічні навантаження призводять до розвальцьовування контурів промивних каналів і пазів. Відомий також найбільш близький за технічною суттю до винаходу буровий фрезер (див. авт.св. СРСР №1803523, МПК5 Е21В29/00, опубл.23.03.1993р., Бюл.№11), що містить корпус з промивними каналами і пазами і закріплений на торці корпуса ріжучий шар, який складається із стержневих різців, закріплених по периметру торця корпуса, біля промивних каналів і пазів у зв'язуючому матеріалі, і розміщених в об'ємі зв'язуючого матеріалу часток зносостійкого матеріалу, при цьому він оснащений обичайками, виконаними по периметру торця корпуса по контурам промивних каналів і пазів, які контактують зі стержневими різцями, а торці обичайок виступають за рівень торців різців. Відомий також найбільш близький за технічною суттю до винаходу спосіб виготовлення бурового фрезера (див. авт.св. СРСР №1803523, МПК5 Е21В29/00, опубл.23.03.1993р, Бюл.№11), що включає виготовлення каналів і пазів у корпусі, свердління отворів на торці корпуса і установку в них стержневих різців, розміщення між ними зв'язуючого матеріалу із частками зносостійкого матеріалу, що у сукупності утворюють ріжучий шар, нагрівання його до температури спікання, наступне охолодження і зачистку зовнішньої частини фрезера до заданого діаметра, причому для впорядкованого розміщення часток зносостійкого матеріалу в об'ємі зв'язуючого матеріалу перед спіканням в корпусі по периметру його торця, по контурах промивних каналів і пазів виконують тонкостінну обичайку, виготовляють пластини із зв'язуючого матеріалу, свердлять в них отвори, а перед нагріванням пластини укладають у просторі робочої частини корпуса, обмеженому різцями, а частки зносостійкого матеріалу розміщують в о творах пластин між різцями. Завдяки наявності обичайок по периметру торця корпуса і по контурах промивних каналів і пазів виключається розвальцьовування контурів промивних каналів і пазів і їх закупорювання, що значно поліпшує умови очистки і охолодження, крім того при спіканні обичайки забезпечують рівномірний розподіл зв'язуючого матеріалу на торці корпуса і при високих механічних навантаженнях в процесі буріння міцно утримують його від руйнування, а завдяки укладанню у просторі робочої частини корпуса, обмеженому різцями пластин і свердлінню в них о творів по розрахунковій схемі з укладанням в них часток зносостійкого матеріалу досягається упорядкування розміщення цих часток в об'ємі зв'язуючого матеріалу, що сприятиме здійсненню фрезерування розбурювання при більш високих осьових навантаженнях, внаслідок чого поліпшуються показники проходки. Недоліком описаних способів виготовлення бурового фрезера є те, що при плавленні зв'язуючого матеріалу частки зносостійкого матеріалу, особливо більш крупні, опускаються на дно корпуса бурового фрезера, збільшуючи концентрацію, що унеможливлює регулювання розташування цих часток по висоті ріжучого шару, а в радіальному напрямку і біля промивних пазів і каналів таке регулювання також неможливе, оскільки воно обмежене наявністю отворів у пластинах, що по своїй суті імітує в процесі буріння роботу підшипника тертя. В основу винаходу покладено завдання такого удосконалення бурового фрезера і способу його виготовлення, пов'язаних єдиним винахідницьким задумом, при якому за рахунок орієнтації феромагнітних часток зносостійкого матеріалу за допомогою магнітного поля, що діє по всій поверхні ріжучого шару і/або на його наперед заданій частині при виготовленні фрезера таким чином, що міцність ріжучого шару збільшується в напрямку торця корпуса, а концентрація часток зносостійкого матеріалу зростає у радіальному напрямку до периферії корпуса фрезера, забезпечується можливість управління концентрацією і розташуванням часток зносостійкого матеріалу по наперед заданій схемі, яка буде максимально відповідати умовам експлуатації бурового фрезера. Означене завдання вирішується завдяки тому, що у буровому фрезері, що містить корпус з промивними каналами і пазами і закріплений на торці корпуса ріжучий шар, який складається із стержневих різців, закріплених на торці корпуса, біля промивних каналів і пазів у зв'язуючому матеріалі і розміщених в об'ємі зв'язуючого матеріалу часток зносостійкого матеріалу, згідно винаходу частки зносостійкого матеріалу виконані з феромагнітного матеріалу і мають міцність, що збільшується в напрямку торця корпуса, а концентрація часток зносостійкого матеріалу зростає у радіальному напрямку до периферії корпуса фрезера, оптимальним при цьому є, коли концентрація і розмір часток зносостійкого матеріалу по периметру торця корпуса по контурах промивних каналів і пазів більша, ніж в їх решті; частки зносостійкого матеріалу, переважно ти, що розташовані на торці корпуса зорієнтовані так, що одна з граней перетину їх бокових поверхонь звернена в напрямку обертання фрезера; стержневі різці також виконано з феромагнітного матеріалу, а у способі виготовлення бурового фрезера, що включає виготовлення каналів і пазів у корпусі, свердління отворів на торці корпуса і установку в них стержневих різців, розміщення між ними зв'язуючого матеріалу із частками зносостійкого матеріалу, що у сукупності утворюють ріжучий шар, нагрівання його до температури спікання, наступне охолодження і зачистку зовнішньої частини фрезера до заданого діаметра, згідно винаходу використовують частки зносостійкого матеріалу з феромагнітного матеріалу, а в процесі нагрівання ріжучого шару до температури спікання на нього або на його частину діють магнітним полем, при цьому на шляху дії магнітного поля розташовують жароміцний екран з діелектричного матеріалу, оптимальним при цьому є, коли одночасно з дією магнітного поля на корпус фрезера накладають вібрації і його обертають; дію магнітного поля здійснюють під кутом до торця фрезера; використовують стержневі різці, виконані також з феромагнітного матеріалу. Причинно-наслідковий зв'язок між пов'язаними між собою сукупностями ознак, що заявляються, і технічними результатами, які досягаються при їх реалізації, полягає у наступному. Оскільки у пропонованому технічному рішенні розподіл часток зносостійкого феромагнітного матеріалу по всій висоті ріжучого шару досягається за рахунок дії сил магнітного поля при спіканні високоміцні частки з більшою кількістю зв'язуючого матеріалу, наприклад кобальту, оскільки вони відповідають більшим феромагнітним властивостям, розташуються переважно ближче до торця фрезера, а частки зносостійкого матеріалу з меншими феромагнітними властивостями і з більш високою зносостійкістю розташуються ближче до границі між корпусом і ріжучим шаром. Такий розподіл часток зносостійкого матеріалу утримується магнітним полем на протязі спікання, але при наявності вібрацій і обертання корпуса інструмента частки зносостійкого матеріалу ще й контактують одна з одною, утворюючи дендритну структур у, найбільш раціональну з точки зору механізму дії на об'єкт, що руйн ується, оскільки дендрити матимуть більший склад зв'язуючого матеріалу, наприклад кобальту і краще змочуються зв'язуючим матеріалом, що призведе до ще більшого підвищення ріжучих властивостей інструмента. Слід відмітити, що при дії магнітного поля місцево по контуру промивних пазів і каналів, де руйнування зв'язуючого матеріалу особливо неприпустиме, досягається підвищена концентрація часток зносостійкого матеріалу саме в цій робочій частині інструмента. При дії магнітного поля під кутом до торця фрезера забезпечується така орієнтація часток зносостійкого матеріалу, при якій одна з граней перетину їх бокових поверхонь звернена у напрямку обертання фрезера, що ще в більшій мірі сприятиме підвищенню його ріжучої спроможності. А коли стержневі різці також виконано з феромагнітного матеріалу при зменшеній їх довжині досягається можливість відносно них зорієнтувати у потрібному напрямку під дією магнітного поля частки зносостійкого матеріалу і утворити таку схему розташування часток зносостійкого матеріалу, коли високоміцні зносостійкі ділянки захищають розташовані між ними ділянки з більш зносостійкими частками, які мають високі ріжучі властивості, але погано сприймають динамічні навантаження. На кресленнях проілюстровано пропоновані винаходи, де на фіг.1 показано торцеву частину корпуса бурового фрезера, на фіг.2 - схему реалізації пропонованого способу і поздовжній розріз бурового фрезера, на фіг.3 - схему реалізації способу виготовлення бурового фрезера при дії магнітним полем під кутом до торця фрезера, на фіг.4 - схему реалізації способу виготовлення бурового фрезера при дії магнітним полем місцево тільки на частину торця фрезера при виконанні стержневих різців також з феромагнітного матеріалу. Буровий фрезер містить корпус 1 з промивними каналами 2 і пазами 3, обичайками 4 і закріплений на торці корпуса 1 ріжучий шар, який складається із стержневих різців 5, розміщених біля промивних каналів 2 і пазів 3 у зв'язуючому матеріалі 6 і розташованих в об'ємі зв'язуючого матеріалу часток зносостійкого матеріалу 7, згідно винаходу частки зносостійкого матеріалу 7 виконані з феромагнітного матеріалу і мають міцність, що збільшується в напрямку торця корпуса 1, а концентрація часток зносостійкого матеріалу 7 зростає у радіальному напрямку до периферії корпуса 1 фрезера, оптимальним при цьому є, коли концентрація і розмір часток зносостійкого матеріалу 7 по периметру торця корпуса 1 по контурах промивних каналів 2 і пазів 3 більша, ніж в їх решті; частки зносостійкого матеріалу 7, переважно ті, що розташовані на торці корпуса 1 зорієнтовані так, що одна з граней перетину їх бокових поверхонь звернена в напрямку обертання фрезера; стержневі різці 5 також виконано з феромагнітного матеріалу, а у способі виготовлення бурового фрезера, що включає виготовлення каналів 2 і пазів 3 у корпусі 1 з обичайками 4, свердління отворів на торці корпуса 1 і установку в них стержневих різців 5, розміщення між ними зв'язуючого матеріалу 6 із частками зносостійкого матеріалу 7, що у сукупності утворюють ріжучий шар 5-7, нагрівання його до температури спікання, наступне охолодження і зачистку зовнішньої частини фрезера до заданого діаметра, згідно винаходу використовують частки зносостійкого матеріалу 7 з феромагнітного матеріалу, а в процесі нагрівання ріжучого шару 5-7 до температури спікання на нього або на його частину діють магнітним полем за допомогою магніту 8 (фіг.2) або локального магніту 9, відповідно, при цьому на шляху дії магнітного поля розташовують жароміцний екран 10 з діелектричного матеріалу, який може бути виконано у вигляді пластини, закріпленої гвинтами 11 на корпусі 1, оптимальним при цьому є, коли одночасно з дією магнітного поля на корпус 1 фрезера накладають вібрації і його обертають; дію магнітного поля здійснюють під кутом до торця фрезера (фіг.3); використовують стержневі різці 5, виконані також з феромагнітного матеріалу (фіг.4). Для здійснення нагрівання в процесі спікання використовують індуктор ТВЧ12, а для накладання на корпус 1 фрезера вібрацій - вібратор 13. Спосіб виготовлення бурового фрезера здійснюють таким чином. Виготовляють промивні канали 2 і пази 3 у корпусі 1 з обичайками 4, виконаними по периметру торця корпуса 1 по контурах промивних каналів 2 і пазів 3, свердлять отвори на торці корпуса 1 і установлюють в них стержневі різці 5, розміщують між ними зв'язуючий матеріал із частками зносостійкого матеріалу 7, що у сукупності утворюють ріжучий шар 5-7, нагрівають його до температури спікання, здійснюють наступне охолодження і зачистку зовнішньої частини фрезера до заданого діаметра, при цьому згідно винаходу використовують частки зносостійкого матеріалу 7 з феромагнітного матеріалу, а в процесі нагрівання ріжучого шару 5-7 до температури спікання на нього або на його частину діють магнітним полем, при цьому на шляху дії магнітного поля розташовують жароміцний екран 10 з діелектричного матеріалу, при цьому одночасно з дією магнітного поля на корпус 1 фрезера накладають вібрації за допомогою вібратора 13 і його обертають, дію магнітного поля здійснюють під кутом до торця фрезера, використовують стержневі різці 5, виконані також з феромагнітного матеріалу. Підвищення тривалості дії магнітного поля дозволяє збільшити концентрацію часток зносостійкого матеріалу 7 у наперед заданій зоні ріжучого шару 5-7, а при використанні локального магніту 9 з обмеженим за площею поперечним перерізом стає можливим підвищити концентрацію часток зносостійкого матеріалу 7 у певній зоні, наприклад у зоні розташування промивних каналів 2 і пазів 3 і/або стержневих різців 5 зменшеної довжини, що виконані з феромагнітного матеріалу для реалізації схеми розташування їх як показано на фіг.4. Буровий фрезер працює так. Після спуску на забій і надання фрезеру обертального руху і руху подачі внаслідок контактування ріжучого шару 5-7 з об'єктом фрезерування в останньому утворюється отвір, діаметр якого поступово в процесі роботи збільшується. В процесі роботи фрезера в робочу зону підводиться охолоджуюча рідина через промивні канали 2 і пази 3. Як об'єкт фрезерування в більшості випадків використовуються порожнисті трубчасті елементи (бурильні труби, насосно-компресорні труби, замки і т.п.). Оскільки завдяки пропонованому способу виготовлення бурового фрезера розподіл часток зносостійкого матеріалу 7 здійснюється за допомогою магнітного поля при спіканні високоміцні з більшими магнітними властивостями частки зносостійкого матеріалу 7 розташуються переважно на торцевій ріжучій поверхні фрезера, а частки зносостійкого матеріалу 7 з меншими магнітними властивостями, що мають більш високу зносостійкість - на протилежній частині ріжучого шару 5-7 створюються умови витримування високих динамічних навантажень без руйнування ріжучого шару 5-7 і одночасно підвищення його зносостійкості. Крім того створюються умови для управління концентрацією і розміщенням часток зносостійкого матеріалу 7 по заздалегідь заданій умовами експлуатації схемі.