用于在焊态牙轮钻头的滚珠塞销焊缝中减少残余应力的系统、方法和装置.pdf

牙轮钻头具有把牙轮固定到头部的滚珠保持系统。径向滚珠座圈包括带有滚珠塞销的滚珠道，以把滚珠保持在滚珠座圈内。滚珠塞销通过焊接固定到头部。焊区内的任何残余应力通过几种方法中的一种来减少。材料可以选择性地从焊缝、热影响区和/或周围区域除去，以促进残余应力的松弛。可替代地，施加变形和/或施加热量或振动以促进应力松弛。

1.  一种在牙轮钻头中减少残余应力的方法，该方法包括:
(a)提供牙轮钻头，其具有带有牙轮的头部；
(b)把牙轮固定到头部，其中滚珠位于每个牙轮和头部之间相交处的滚珠座圈中，每个滚珠座圈具有从滚珠座圈延伸到头部的周边区域的滚珠道；
(c)把滚珠塞销安装到每个滚珠道中以把滚珠保持在滚珠座圈中；
(d)在所述周边区域形成阻碍，以把滚珠塞销保持在滚珠道内；以及
(e)减少所述阻碍和所述周边区域处的残余应力，以增加牙轮钻头的使用载荷能力和使用寿命。

2.  如权利要求1所述的方法，其中，步骤(e)包括由第一材料在滚珠塞销附近形成内部焊缝，并由第二材料在内部焊缝上形成外部焊缝，第二材料的强度高于第一材料。

3.  如权利要求2所述的方法，其中，第一材料选自由镍、镍合金、不锈钢和Inconel合金构成的组，第二材料是钢。

4.  如权利要求1所述的方法，其中，步骤(e)包括通过热处理来进行应力释放操作。

5.  如权利要求4所述的方法，还包括在应力释放操作过程中使滚珠塞销经受高温。

6.  如权利要求4所述的方法，还包括使热处理局限在包括阻碍和周边区域的牙轮钻头的有限部分。

7.  如权利要求4所述的方法，还包括使整个牙轮钻头经受热处理。

8.  如权利要求1所述的方法，其中，步骤(e)包括对阻碍和周边区域进行超声波振动处理。

9.  如权利要求1所述的方法，其中，步骤(e)包括从阻碍去除材料。

10.  如权利要求9所述的方法，还包括在阻碍中形成在滚珠道的轴向上延伸的孔。

11.  如权利要求1所述的方法，其中，步骤(e)包括由选自由镍、镍合金、不锈钢和Inconel合金构成的组的材料形成单个焊缝。

12.  如权利要求11所述的方法，还包括以至少一个焊接道次由单一材料形成所述单个焊缝。

13.  一种用于减少牙轮钻头中残余应力的系统，包括:
具有带有牙轮的头部的钻头主体；
用于把牙轮固定到头部上的保持系统，该保持系统包括:在每个牙轮和头部之间相交处的滚珠座圈，从滚珠座圈延伸到头部的周边区域的滚珠道，位于滚珠座圈内以把牙轮机械地保持在头部上的滚珠，位于滚珠道内以把滚珠保持在滚珠座圈内的滚珠塞销，在周边区域形成以把滚珠塞销固定在滚珠道内的阻碍；和
在阻碍和周边区域处的残余应力减少，以用于增加牙轮钻头的使用载荷能力和使用寿命。

14.  如权利要求13所述的系统，其中，残余应力减少包括由第一材料在滚珠塞销附近形成的内部焊缝，并且阻碍包括由第二材料在内部焊缝上形成的外部焊缝，第二材料的强度高于第一材料。

15.  如权利要求14所述的系统，其中，第一材料选自由镍、镍合金、不锈钢和Inconel合金构成的组，第二材料是钢。

16.  如权利要求13所述的系统，其中，残余应力减少包括热处理的应力释放。

17.  如权利要求16所述的系统，其中，滚珠塞销在热处理过程中经受高温。

18.  如权利要求16所述的系统，其中，热处理局限在阻碍和周边区域处。

19.  如权利要求16所述的系统，其中，热处理在整个牙轮钻头上进行。

20.  如权利要求13所述的系统，其中，残余应力减少包括对阻碍和周边区域的超声波振动处理。

21.  如权利要求13所述的系统，其中，残余应力减少包括从阻碍去除材料。

22.  如权利要求21所述的系统，其中，通过在阻碍中形成相对于滚珠道在轴向上延伸的孔而从阻碍去除材料。

23.  如权利要求13所述的系统，其中，阻碍是由选自由镍、镍合金、不锈钢和Inconel合金构成的组的材料形成的单个焊缝。

24.  如权利要求23所述的系统，其中，所述单个焊缝以至少一个焊接道次由单一材料形成。

25.  一种牙轮钻头，包括:
具有带有牙轮的头部的钻头主体，每个头部和牙轮包括:在头部和牙轮之间相交处的滚珠座圈；从滚珠座圈延伸到头部的外径的滚珠道，头部和牙轮的各滚珠座圈被对齐以限定环形空间；位于滚珠座圈内以用于把牙轮机械地保持在头部上的滚珠；位于滚珠道内以把滚珠保持在滚珠座圈内的滚珠塞销；以及形成在头部的外径附近以把滚珠塞销固定在滚珠道内的焊缝；和
应力减少装置，用于减少在靠近所述外径的焊缝和头部的周边区域处的残余应力，以增加牙轮钻头的使用载荷能力和使用寿命。

26.  如权利要求25所述的牙轮钻头，其中，应力减少装置包括由第一材料在滚珠塞销附近形成的内部焊缝，且所述焊缝由第二材料在内部焊缝上形成，第二材料的强度高于第一材料。

27.  如权利要求26所述的牙轮钻头，其中，第一材料选自由镍、镍合金、不锈钢和Inconel合金构成的组，第二材料是钢。

28.  如权利要求25所述的牙轮钻头，其中，应力减少装置包括阻碍中的空隙。

29.  如权利要求28所述的牙轮钻头，其中，所述阻碍内的空隙是沿着滚珠道的轴向延伸的孔。

用于在焊态牙轮钻头的滚珠塞销焊缝中减少残余应力的系统、方法和装置
技术领域
本发明大体上涉及牙轮钻头的应力减少，尤其涉及用于在焊态牙轮钻头的滚珠塞销焊缝中减少残余应力的系统、方法和装置。
背景技术
旋转型的钻头包括旋转刮刀钻头和牙轮钻头。在牙轮结构中，钻头一般具有三个牙轮，每一个牙轮可相对于通过轴承组件而支撑牙轮的钻头主体独立地旋转。牙轮上支撑着用于提供钻头切削作用的整体形成的齿或者单独形成的镶齿。
牙轮钻头一般使用滚珠保持系统以把牙轮固定到头部上。保持系统包括并入在每个牙轮和头部轴承中的径向滚珠轴承座圈。在头部滚珠轴承座圈和头部外径(OD)之间提供滚珠道，以便于组装。当牙轮配合到头部上时，各滚珠轴承座圈被对齐，并且它们一起限定了环形空间。滚珠轴承通过滚珠道引入到该空间中。接着，滚珠塞销被插入到滚珠道中，以阻断头部滚珠轴承座圈中的不连续(也就是孔)，并确保滚珠轴承被保持在座圈中。滚珠塞销通过焊接被固定到头部OD上。
在焊接后冷却时，残余应力会在焊接区域(例如熔化区域和热影响区域)累积。取决于残余应力的方向和大小，组件的使用载荷能力会被显著地减少。这种结构配置导致一种头部区域失效，这种失效包括裂纹，裂纹在滚珠塞销焊缝根部开始，然后向着头部OD扩散，然后转向并向着牙轮轴颈的基部扩散。想要有解决这个问题的方案。
发明内容
本发明的系统、方法和装置的一个实施例描述了用于在焊态的滚珠塞销焊缝区域减少残余应力的几种方案。在一个实施例中，材料选择性地从焊缝、热影响区域和/或周围区域除去，以促进残余应力的松弛。在替代的实施例中，施加变形和/或施加热或振动来促进应力松弛。通过利用本发明减少焊接区域的残余应力，增加了使用载荷能力和/或使用寿命。
通过下面对本发明的详细描述以及结合权利要求和附图，本领域技术人员将清楚本发明前述的以及其它目的和优点。
附图说明
以下将明白获得本发明特征和优点以及其它方面的方式，它们可以被更详细地理解，通过参照在附图中显示的实施例，可以对以上概括的本发明进行更特别的描述，附图构成了说明书的一部分。但是应当注意到，附图仅仅显示了本发明的实施例，因此不应当被认为对其范围的限制，本发明可以容许其它等同效果的实施例。
附图1是根据本发明的牙轮钻头的一个实施例的半截面视图；
附图2是附图1的牙轮钻头的头部和牙轮部分的放大截面视图，其根据本发明构造；
附图3是根据本发明的牙轮钻头的另一个实施例的放大截面视图；
附图4是根据本发明的方法的一个实施例的高级流程图。
具体实施方式
参见附图1和2，显示了根据本发明构造的牙轮钻头11的一个实施例。钻头11包括钻头主体13，其具有带有牙轮17的头部15(显示了一个)。每个头部15和牙轮17包括保持系统，该保持系统具有在头部15和牙轮17之间相交处的滚珠座圈19。滚珠道21从滚珠座圈19向头部15的外径(附图1和2的左边)延伸。外径形成了头部15周边区域23的一部分。周边区域23通常包括从滚珠道21径向向外和相对于滚珠道21轴向向里延伸的头部15的区域。
头部15和牙轮17的各滚珠座圈19a、19b被对齐以限定环形空间。滚珠25布置在滚珠座圈19内，以把牙轮17机械地保持在头部15上。滚珠塞销27被布置在滚珠道21内，以把滚珠25保持在滚珠座圈19内。阻碍29，例如焊缝，在头部15的外径附近形成，以把滚珠塞销27固定在滚珠道21内。
本发明还包括应力减少装置，用于减少在邻近外径的阻碍(例如焊缝)29处和头部15的周边区域23处的残余应力，以增加牙轮钻头11的使用载荷能力和使用寿命。在一个实施例中，应力减少装置包括邻近滚珠塞销27的由第一材料形成的内部焊缝31(附图2)。焊缝29由第二材料形成在内部焊缝31上，第二材料的强度比第一材料高。第一材料可包括许多不同的材料，包括镍、镍合金、不锈钢和Inconel合金。第二材料可包括钢等。
此外，包括一个或多个焊接道次的单个焊缝可以用作阻碍29。这些实施例也可采用单一材料来形成焊缝，例如镍。此外，整个焊缝可以由单一、较软的材料形成。在本发明的另一个实施例中，应力减少装置包括阻碍29中的空隙39(附图3)。空隙39可包括在滚珠道21的轴向延伸的钻孔。
本发明还包括用于在牙轮钻头11中减少残余应力的系统。该系统的一个实施例包括上面描述的元件，包括用于把牙轮17固定到头部15上的保持系统。残余应力减少位于阻碍29和周边区域23处，以增加牙轮钻头11的使用载荷能力和使用寿命。残余应力减少可包括由第一材料形成的邻近滚珠塞销27的内部焊缝31，阻碍29可包括由第二材料形成的在内部焊缝31上的外部焊缝，其中第二材料的强度高于第一材料。
残余应力减少还可包括可以在整个牙轮钻头11上进行的热处理。如附图3所示，残余应力减少可以局限于阻碍29和周边区域23处，例如用小型设备35(例如热源、超声波工具等)和控制器37分别对阻碍29和周边区域23进行热处理或超声波振动处理。如上所述，通过从阻碍29去除材料可以实现残余应力减少，例如通过在阻碍29中形成相对于滚珠道21在轴向上延伸的孔39来减少残余应力。
本发明还包括用于在牙轮钻头中减少残余应力的方法。如附图4所示，该方法的一个实施例如步骤41所示开始，并且包括提供牙轮钻头，该牙轮钻头具有带有牙轮的头部(步骤43)；把牙轮固定到头部上，其中滚珠位于每个牙轮和头部之间相交处的滚珠座圈中，每个滚珠座圈具有从滚珠座圈延伸到头部的周边区域的滚珠道(步骤45)；把滚珠塞销安装到每个滚珠道中，以把滚珠保持在滚珠座圈中(步骤47)；在周边区域形成阻碍，以把滚珠塞销保持在滚珠道内(步骤49)；减少阻碍和周边区域处的残余应力，以增加牙轮钻头的使用载荷能力和使用寿命(步骤51)；在步骤53所示结束。
该方法还可包括由第一材料在滚珠塞销附近形成内部焊缝，并由第二材料在内部焊缝上形成外部焊缝，其中第二材料的强度高于第一材料。步骤51可包括进行热处理，例如通过在应力释放操作中使滚珠塞销经受高温。这个实施例还可包括使热处理局限在包括阻碍和周边区域的牙轮钻头的有限部分，或使整个牙轮钻头经受热处理。步骤51还可包括在阻碍和周边区域施加超声波振动处理，或者从阻碍除去材料，例如通过在阻碍中形成在滚珠道的轴向上延伸的孔。
尽管本发明仅通过其一些形式显示或描述，对于本领域技术人员而言显然该发明不是这样限制的，而是可以容许各种改变而不偏离本发明的范围。