薄壁鉆頭中金剛石定位排布參數設計

丁星妤，吳晶晶

(1. 湖南城市學院 土木工程學院，湖南 益陽 413000；2. 湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412099)

隨著建筑行業的迅猛發展以及老舊建筑物改造日益增多，金剛石薄壁鉆頭越來越多地使用在建筑石材、鋼筋混凝土、磚、路基、橋梁等的取樣和建筑物的管線安裝鉆孔中[1-2].提高薄壁鉆頭的質量，主要有2 個方面的要求，即提高其鉆進效率和增加其使用壽命.研究者們從胎體配方、金剛石選用、金剛石濃度設計以及鉆頭結構設計等方面進行了研究[3-5].

1997 年臺灣學者宋健民申請了美國專利“按預定模式制造金剛石工具的技術”之后，陸續有生產廠家和研究者在鋸片及鉆頭上實現了金剛石定位分布，這些工具均體現出優良的使用性能[6-8].本文提出通過金剛石定位排布技術，進一步提高薄壁金剛石鉆頭的使用性能.文中給出了薄壁金剛石鉆頭的制作過程及參數設計方法，并通過一系列的混凝土鉆進試驗檢驗了定位排布薄壁金剛石鉆頭的使用性能.

1 定位排布薄壁金剛石鉆頭制作流程

研制的定位排布金剛石薄壁鉆頭尺寸為Φ100 mm×20 mm×3.2 mm×10 mm×8 mm.該鉆頭的直徑較大，因此每個刀頭的弧度很小.先把鉆頭刀頭冷壓成長方體形狀，在熱壓燒結過程中，采用有弧度的壓頭，壓制成所需要的鉆頭刀頭形狀.制作步驟如下：

1)按照設計的金剛石定位排布方式，在紫銅板上打孔，制作模板.本次試驗采用元素六40/50金剛石，其平均粒徑為0.42 mm.紫銅板的厚度為0.5 mm，打孔直徑為0.6 mm.

2)壓制胎體薄坯，在薄坯上噴灑薄層的稀釋壓敏膠，并把模板覆在胎體薄坯上，撒上金剛石，用軟毛刷將金剛石刷入模板孔洞中，使其在薄坯上形成定位排布狀態.

3)把多層帶金剛石的胎體薄坯組合，冷壓成刀頭形狀；把冷壓成型的刀頭放入還原爐，在400 ℃的溫度下放置0.5 h 左右，使壓敏膠充分揮發.

4)從還原爐取出的刀頭和壓制好的過渡層采用豎向裝模、橫向加壓的方式裝模、燒結.

5)拆模、磨弧、焊接、開刃以及修整，即可制造出定位排布金剛石薄壁鉆頭(如圖1 所示).

圖1 定位排布薄壁金剛石鉆頭實物

2 定位排布薄壁金剛石鉆頭參數設計

雖然金剛石定位排布在技術上已經能夠順利實現，但在金剛石排布參數上仍然需要進一步優化.定位排布薄壁金剛石鉆頭中的排布參數包括其層間距、縱向間距和橫向間距(見圖2).

圖2 金剛石排布參數示意

2.1 金剛石層間距設計

章文姣[9]基于巖石破碎理論中單顆金剛石切削時破碎坑的直徑，進行釬焊定位排布金剛石層間距估算.相鄰2 顆金剛石切削示意圖見圖3.

圖3 相鄰2 顆金剛石切削示意

其中，D′為金剛石破碎坑直徑，mm，D1′與D2′分別為相鄰2顆金剛石破碎坑直徑，mm；d為金剛石直徑，mm；y為有序排布金剛石層間距，mm.

張大將等[10]利用LSM700型激光共聚焦顯微鏡，觀察不同金剛石壓頭劃擦間距下，花崗巖工件表面的劃痕形貌，發現通過破碎坑直徑計算得到的金剛石層間距與試驗結果較吻合.但在其試驗研究中，金剛石的切入深度達到30 μm，而普通孕鑲金剛石鉆頭鉆進過程中，常用的40/50金剛石的切入深度只能達到8 μm[11].金剛石切入深度越大，其破碎坑的體積越大.由此認為，根據破碎坑直徑理論計算出來的破碎坑直徑比實際切削造成的破碎坑直徑偏大.金剛石層間距過大，會導致在實際鉆頭切削過程中出現巖脊，而巖脊的存在會對胎體產生非正常磨損，從而導致金剛石過早脫落，加速鉆頭失效.綜合考慮胎體對金剛石的可靠包覆以及在切削過程中避免產生巖脊的問題，本試驗中設計的金剛石定位排布層間距取值為章文姣[9]提出的方法中最小計算值的75%.章文姣認為，金剛石定位排布層間距取值為75%時，金剛石抗熱沖擊強度最佳且使用效果顯著.本次試驗金剛石節塊厚度3.2 mm，共鋪排6層金剛石，層間距為0.64 mm.

2.2 金剛石縱向間距設計

章文姣[9]認為2層金剛石之間需要有一定的搭接高度，以保證前1層金剛石脫落后，后1層金剛石能及時出刃，且建議釬焊定位排布金剛石上下2層搭接高度為(1/3～1/2)d.李子章[12]認為2層金剛石之間不一定需要搭接高度，只要2層金剛石之間胎體層較薄，當上1層脫落時，2層之間的薄胎體層也極易被磨損，使下1層金剛石及時出刃.

在本試驗中，設計的上下2層金剛石縱向間距為0.5 mm(金剛石平均粒徑為0.42 mm)，2層金剛石之間的胎體層厚度為0.08 mm.在鉆進試驗中，各層金剛石均能順利出刃.鉆頭鉆進過程中，因金剛石與胎體硬度的差異，其磨損也是不同步的，且胎體的磨損較之金剛石的磨損更快.因此，即使上下2層金剛石之間沒有搭接高度，2層之間的薄胎體層也很容易被磨損，讓下1層金剛石及時出刃.在定位排布金剛石薄壁鉆頭的設計中，保證金剛石順利出刃的情況下，建議縱向間距取較大值.主要原因如下：當縱向間距較小時，可能出現第1層金剛石還未脫落，而第2層金剛石就已出刃的情況，這會導致參與切削的金剛石數量增加1倍，從而使得單顆金剛石受到的軸向荷載減半.由巖石破碎理論可知，單顆金剛石上的軸向壓強必須大于巖石的抗壓強度，才會使巖石產生體積破碎[13].當金剛石軸向荷載降低時，若巖石不能發生體積破碎，而僅僅是表面破碎或疲勞破碎，則鉆頭的鉆進效率會大幅降低.

2.3 金剛石橫向間距設計

本試驗中設計的定位排布薄壁金剛石鉆頭主要用于鉆進素混凝土，考慮到混凝土與巖石力學性能的相似性且混凝土材料很均勻，可沿用巖石破碎理論來進行分析.若要使混凝土產生體積破碎，則需要滿足[13]

其中，Pa為作用在單顆金剛石上的軸向荷載，N；Pk為巖石的抗壓強度，kPa；Sa為金剛石與巖石的接觸面積，mm2.

當金剛石在鉆頭胎體中隨機分布的時候，有些地方金剛石數量多，有些地方金剛石數量少.在金剛石密集區，金剛石與巖石的接觸面積大，由于作用在軸向上的總壓力是一定的，因此單顆金剛石上的軸向荷載小，不能對巖石形成有效的體積破碎；在金剛石稀疏區，單顆金剛石的受力過大，會使金剛石產生不正常破碎或者脫落.在定位排布金剛石鉆頭中，鉆頭唇面各區域進行鉆進的金剛石數量都是相同的，因此每顆金剛石的受力大小相等，且是可以定量計算的.根據鉆進過程中的總壓力和巖石抗壓強度，來設計切削面上金剛石的顆粒數，并綜合考慮切削面上金剛石的層數，即可計算得到金剛石橫向間距最大值.假設鉆進時設備提供的縱向給進力為400 N；金剛石的橫向排布間距為x，則鉆頭鉆進唇面上總的金剛石顆粒數為20 × 6 ×8/x；巖石的抗壓強度取30 MPa；隨著金剛石的磨損，單顆金剛石與巖石接觸的最大截面積為Samax=πd2/4；以上條件代入公式(5)計算可得：x≥1 mm.

在對定位排布金剛石鉆頭的橫向間距進行設計時，除了要滿足使混凝土產生體積破碎的基本要求外，要進一步提升鉆頭的性能，還需要考慮切削過程中的容屑比.參考文獻[14]中的定義，把有效容屑空間與孔底巖屑體積之比定義為容屑比.若切削體積接近容屑空間，則會導致結合劑磨損過快，金剛石過早脫落；若切削體積過小，會導致胎體磨損不足，從而使金剛石難以出刃.因此，只有在較好的容屑比范圍內，才能保證鉆頭在使用過程中，胎體和金剛石的磨損達到一個動態平衡，既能保證鋒利度，又能保證壽命.

單顆金剛石的有效容屑體積為金剛石的出刃高度與金剛石間距形成的體積，并減去金剛石本身占據的體積與結合劑拖尾所占的體積.經研究發現，結合劑拖尾所占的體積約為出刃高度與金剛石間距形成的體積的0.007 5～0.01[14]，因此計算時可忽略不計，即得

其中，vs為單顆金剛石的有效容屑體積，mm3；v0為金剛石的出刃高度與金剛石間距形成的體積，mm3；vd為金剛石本身占據的體積，mm3.

假設磨損及切入混凝土的部分為圖4中的陰影部分，則可得出金剛石占據的體積為

圖4 單顆金剛石容屑體積計算示意

其中，h為金剛石出刃高度，mm；d為金剛石直徑，mm；m為陰影部分的寬度，mm.

金剛石出刃高度與金剛石間距形成的體積為

其中，x為金剛石的橫向間距，mm；y為層間距，mm.由此，可以計算出有效容屑體積為

若金剛石鉆頭鉆進效率為qmm/min，轉速為nr/min，則鉆頭每旋轉1圈金剛石鉆進量為q/n.金剛石鉆頭內徑為D2，外徑為D1，混凝土的松散系數為ks，考慮到部分巖屑在鉆進的過程中會排出，假設巖屑在孔底的殘留率為kc，則可得到孔底巖屑體積為

容屑比為

容屑比的計算理論上可行，但在計算過程中，需考慮混凝土的松散系數ks及巖屑在孔底的殘留率kc，這2個參數的取值與試驗材料及其工況均有很大的關系，且容屑比應該達到何種標準才能使鉆頭出刃達到最優，均需大量的試驗才能得到.因此，在當前研究現狀下，要采用容屑比來設計定位排布鉆頭金剛石橫向間距還存在很大困難.按式(5)計算出來的橫向間距應滿足x≥1 mm，考慮到混凝土中存在的碎石抗壓強度大于混凝土本身的抗壓強度，為保證鉆頭在遇到硬度和強度大的碎石時能有效鉆進，橫向間距取2 mm.結合金剛石排布的層間距和縱向間距，可計算得到本次試驗定位排布鉆頭的金剛石濃度為30%.

3 試驗過程與結果

試驗使用的切割材料是統一澆注的混凝土.混凝土制作選用42.5級普通硅酸鹽水泥，各成分質量比為水∶水泥∶河砂∶碎石=0.43∶1.00∶0.98∶3.11.制作出的混凝土在初凝以后開始覆蓋養護，在終凝(12 h)后開始澆水，并覆蓋麻袋片養護，養護時間為7 d.該批次混凝土厚度均為50 mm，28 d后強度為30 MPa以上.混凝土制作1個月后，投入鉆進試驗.采用臺式鉆機鉆進，其額定電壓為220 V，額定功率為2 400 W，轉速為600 r/min.制作定位排布薄壁金剛石鉆頭和隨機排布薄壁金剛石鉆頭各1個，2個鉆頭均使用相同的鈷基胎體配方，均為元素六40/50金剛石(其濃度均為30%).2個鉆頭分別在素混凝土板上使用同樣的鉆進參數鉆進10個孔，并以此計算鉆進的平均時間和平均消耗，結果見表1.

表1 鉆進對比試驗結果

由表1可知，定位排布金剛石薄壁鉆頭的鋒利性和壽命均好于傳統薄壁金剛石鉆頭.其鋒利性提高了24.9%，壽命增加了26.5%.

4 結論

1)根據破碎坑直徑理論計算出來的破碎坑直徑比實際切削造成的破碎坑直徑偏大.金剛石定位排布層間距取值為破碎坑直徑理論最小計算值的75%時，實際鉆進中不會出現巖脊現象.

2)當定位排布金剛石縱向間距較小時，會導致參與切削的金剛石數量增加1 倍，從而使得單顆金剛石受到的軸向荷載減半，巖石難以發生體積破碎，鉆頭鉆進效率降低.定位排布金剛石縱向間距取值可稍大于金剛石直徑，在使用過程中胎體磨損會大于金剛石，金剛石也能順利出刃.

3)定位排布金剛石橫向間距可結合巖石體積破碎理論和最佳容屑比來確定.在實際設計中，可根據巖石體積破碎理論計算出最小橫向間距，并在此基礎上綜合確定.

4)金剛石濃度較低時，定位排布金剛石薄壁鉆頭鋒利性和壽命均好于傳統薄壁金剛石鉆頭.