表鑲金剛石鉆頭設(shè)計(jì)

表鑲金剛石鉆頭用于可鉆性Ⅴ～Ⅸ級、比較完整的巖石。設(shè)計(jì)表鑲金剛石鉆頭時(shí)，應(yīng)考慮的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下。

一、唇面形狀

唇面設(shè)計(jì)原則：有利于碎巖、有利于排粉冷卻、耐磨及便于加工等。唇面形狀如圖3-13-1。

1.平底唇面

如圖3-13-1中（a）所示。適用于中等強(qiáng)度、中等研磨性巖石。雖結(jié)構(gòu)簡單，便于加工，但其邊棱容易磨損，且邊刃不好鑲嵌，故目前較少使用。

2.半圓弧唇面

又稱標(biāo)準(zhǔn)唇面，如圖3-13-1中（b）所示。它克服了平底唇面邊刃不好鑲嵌的缺點(diǎn)，故目前常采用之。

3.階梯形唇面

常用于繩索取心鉆頭，增加碎巖自由面，減少壁厚對鉆速的影響。鉆頭鉆速高，穩(wěn)定性好；但加工難度較大。

圖3-13-1 唇面形狀圖

4.錐形唇面

如圖3-13-1中（d）所示?？煽醋鳛槲㈦A梯形，其優(yōu)缺點(diǎn)與階梯形唇面相同。

二、胎體性能

對于表鑲鉆頭胎體性能的要求，不如孕鑲鉆頭那么嚴(yán)格，一般能滿足如下條件即可：

（1）牢固包鑲金剛石，與鉆頭鋼體結(jié)合牢固；

（2）具有一定的強(qiáng)度、耐磨性及對金剛石的黏結(jié)力（把持力），避免金剛石脫落；

（3）有足夠的抗壓、抗沖擊強(qiáng)度，避免胎體碎裂。

表鑲金剛石鉆頭一般使用中硬胎體（HRC30～35）。

三、金剛石品級

根據(jù)鉆頭上金剛石受力情況來選擇金剛石品級。邊刃受力最惡劣，底刃次之，側(cè)刃起保徑作用。對于繩索取心鉆頭設(shè)計(jì)原則如圖3-13-2。對于邊刃采用“AAA”特優(yōu)級；底刃采用“AA”最優(yōu)級；側(cè)刃采用“A”優(yōu)級金剛石。對于普通單、雙管鉆頭，相應(yīng)降低一個(gè)等級。

四、金剛石粒度

圖3-13-2 繩索取心鉆頭底唇金剛石品級

金剛石粒度根據(jù)巖石的可鉆性和研磨性選擇。可鉆性等級愈高、研磨性愈強(qiáng)，選用的金剛石粒度愈小，其原因是粒度小的金剛石其強(qiáng)度高于粒度大的。具體選擇時(shí)可參考表3-13-1所列。

表3-13-1 表鑲金剛石粒度使用范圍

五、金剛石含量

金剛石含量取決于金剛石的布滿度C、粒度Z和唇面工作面積S。

金剛石的布滿度C由式（3-13-1）確定：

碎巖工程學(xué)

式中：Sa為單粒金剛石橫截面積，mm2，它近似金剛石粒徑的平方；Na為唇面金剛石數(shù)量，粒；S為唇面工作面積（除去水口面積），mm2。

C值取決于巖性：Ⅴ～Ⅶ級中硬巖石，C=40%～50%；Ⅷ～Ⅸ硬巖，C=50%～60%。

唇面上金剛石的含量：P=Na／Z，car（克拉）。鉆頭側(cè)刃的粒數(shù)一般等于底刃數(shù)的30%。

六、金剛石的排列

設(shè)計(jì)金剛石在底唇面上的排列方式，應(yīng)考慮如下原則：①覆蓋孔底工作面；②磨損一致；③排粉冷卻好；④機(jī)械鉆速高；⑤利于加工。

所謂的覆蓋孔底工作面，即排列時(shí)，應(yīng)注意金剛石相互之間有一個(gè)重疊系數(shù)“ζ”（圖3-13-3）。“ζ”與巖石性質(zhì)有關(guān)，可按表3-13-2選擇之。

排列方式有放射狀、螺旋狀和等間距三種（見圖3-13-4）。

圖3-13-3 重疊系數(shù)“ζ”

表3-13-2 重疊系數(shù)“ζ”

圖3-13-4 金剛石三種排列方式

1.放射狀排列

其特點(diǎn)內(nèi)外刃粒數(shù)相等，易加工；但外刃易磨損（b＞a），適用于Ⅴ～Ⅶ級中硬巖層。

2.螺旋狀排列

金剛石等距離分布在螺旋線上，使得唇面上的切削線愈靠外愈密，加強(qiáng)了外圓金剛石密度，使內(nèi)、外圓金剛石磨損一致；此外，排列合理，冷卻排粉效果好，但加工模具上劃線復(fù)雜些。適用于Ⅷ～Ⅸ級較硬巖層。

3.等間距排列

各同心圓切削線上的金剛石間距相等，則使每粒金剛石碎巖時(shí)的工作負(fù)擔(dān)基本相等。該排列方式較為合理；但加工難度大些。適用于均質(zhì)較硬巖層。

七、水路設(shè)計(jì)

鉆頭水路設(shè)計(jì)就是確定鉆頭上水口和水槽的形狀、規(guī)格及其數(shù)量。從水口和水槽中通過足夠的沖洗液，能達(dá)到冷卻鉆頭和排除巖粉的目的。

金剛石鉆頭上的水路，分主水路和副水路兩種：對于表鑲金剛石鉆頭，起主要作用的主水路是底刃金剛石的出刃高度與巖石接觸之間的環(huán)形通道；而起輔助作用的副水路即是水口。而對于孕鑲金剛石鉆頭，則相反，水口是主水路，孕鑲金剛石微小底出刃所形成的通道則為副水路。因此，同一直徑的表、孕鑲金剛石鉆頭，其水口數(shù)量和規(guī)格是不一樣的，一般而言，孕鑲鉆頭的水口數(shù)量要比表鑲多2個(gè)以上，水口高出1mm；水槽深0.5～1mm。

鉆頭上水路設(shè)計(jì)應(yīng)按下列步驟進(jìn)行：

（1）從表3-13-3內(nèi)選取相應(yīng)直徑鉆頭的水口數(shù)目、水口規(guī)格（過水?dāng)嗝妫┘八鄢叽纾?/span>

表3-13-3 表鑲金剛石鉆頭水口規(guī)格

（2）然后進(jìn)行兩個(gè)流速（v1與v2）的校核：v1為沖洗液在過水?dāng)嗝嫔系牧魉伲鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)，v1應(yīng)大于4m/s；v2為環(huán)空間隙內(nèi)的上返流速，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，它應(yīng)大于0.45m/s。

進(jìn)行v1校核時(shí)，可利用公式：

碎巖工程學(xué)

式中：A為水口總過水?dāng)嗝?，mm2；d為鉆頭內(nèi)徑，mm；dz為金剛石粒徑，mm；n為水口數(shù)目，個(gè)；a為每個(gè)水口的過水?dāng)嗝?，mm2。

求得A后，就可以從已知的沖洗液量Q，計(jì)算出v1值，即v1=Q／A。

進(jìn)行v2校核時(shí)，可利用式（3-13-2）：

碎巖工程學(xué)

式中：D為鉆頭外徑，mm；d1為鉆桿外徑，mm。