鉆頭的結構設計

　　隨著建筑行業的快速發展，應用石工鉆頭在石工行業和對砂石、混凝土和巖石的沖擊鉆孔工作，在全球范圍內迅速得到推廣和使用。但由于相對惡劣的工作環境和工作過程中的不可控和不可預見性，在使用過程中鉆頭由于各種不同形式的破壞，從而嚴重影響了其使用壽命。影響鉆頭壽命的因素除了工作環境、操作方式、工作壓力以及石材材質等外在因素，以及鉆頭鉆桿的材料和硬質硬質合金刀頭的性能等因素外，鉆頭的結構設計，如硬質合金刀頭的外形設計及其分布，鉆頭的頭部排屑槽的設計，和鉆頭鉆桿的螺旋槽的截面設計及螺旋角等，對提高鉆頭的使用壽命也有很大的影響。

　　1 鉆頭的鉆孔機理

　　要設計好的石工鉆頭結構，我們首先必須了解石工鉆頭的鉆孔機理。鉆孔時，鉆頭隨電動工具的軸作旋轉運動，同時作軸向移動運動。石工鉆頭主要通過傳遞來自于電動工具產生的錘擊沖擊力，而不斷地高頻沖擊石材表面，石材在沖擊作用下產生放射形裂紋源而破裂。同時石工鉆頭通過傳遞來自于電動工具產生的扭矩，破裂的石材在刀頭旋轉作用下產生擠壓破碎作用直接將石材切除。同時在離心力和螺旋槽擠壓作用下，破碎的石材被松碎，形成碎屑壓向孔壁，同時沿鉆桿的螺旋槽上升到石材表面。再由離心力的作用將碎屑拋到孔洞周圍，從而完成了鉆孔的過程。

　　2 石工鉆頭的結構分析

　　石工鉆頭主要由作為基體的鉆桿和參與切削作用的硬質合金刀齒組成。

　　2.1 石工鉆頭鉆桿結構

　　鉆桿除了主要起傳遞應力沖擊波、傳遞扭矩，以及保持和固定硬質合金刀齒的作用外，還起著導屑排屑的作用。它在承擔傳遞扭矩作用的同時，還要承受來自電錘/沖擊鉆的高頻軸向沖擊作用。在設計鉆頭的鉆桿部分時，首先要保證鉆桿的強度，即其最小部分不僅能承受鉆頭在工作時的沖擊力，還要能承受扭矩力，尤其是鉆頭在堵轉時產生的瞬間周向沖擊力。鉆桿的結構設計主要是頭部排屑槽的設計，以及螺旋槽的設計。頭部排屑槽主要起將碎屑從刀刃導向螺旋槽的作用，其容屑空間越大越好，導屑距離越短越好，使碎屑能快速導入到螺旋槽內，以減少刀刃的磨損，從而延長鉆頭壽命。對于螺旋槽的設計，實驗數據表明螺旋槽的螺距越小越有利于碎屑的快速排出，也能延長鉆頭壽命。

　　2.2 石工鉆頭硬質合金刀頭

　　硬質合金刀頭主要承擔來自電錘的高頻沖擊波.直接將高頻沖擊波傳遞到被鉆石材表面，并參與切削工作。硬質合金刀頭在工作時的受力情況極為復雜，在高頻沖擊力作用下.產生彎矩和扭矩，極易造成斷齒或碎齒.所以設計鉆頭時應針對鉆頭實際工作情況，選用相應的合金牌號和齒形以及硬質合金刀頭的分布。

　　2.2.1 硬質合金刀頭的露齒高

　　硬質合金刀頭抗彎抗扭能力相對較差，所以固齒后的露齒高度不能太高，否則在工作時會產生較大的彎矩，硬質合金刀頭容易發生折斷現象。同時，硬質合金刀頭在鉆孔時起沖擊及刮削石材的作用，所以固齒后的露齒高度也不能太低，否則會降低鉆頭的鉆孔速度，降低鉆孔效率。

　　2.2.2 硬質合金刀頭的數量

　　在設計硬質合金刀頭的分布時應盡可能使一面上的硬質合金刀頭受力均勻，使硬質合金刀頭在一個有效工作周期內能完全連續切除孔底石材或鋼筋。

　　通常，硬質合金刀頭的數量越多，在鉆孔時越穩定，振動越小。如下圖1，2分別是四刃硬質合金刀頭和兩刃硬質合金刀頭的鉆頭在鉆孔時的動態振動信號，從圖片中可以看出四刃刀頭的鉆頭在鉆孔時的更加穩定，有利于提高鉆孔質量，提高鉆孔效率及鉆頭壽命。

　　但是硬質合金刀頭的數量越多，鉆頭成本也越高，同時也會影響到排屑槽及螺旋槽的排屑效率，因此在保證切削有效的情況下，應合理地布置硬質合金刀頭。鉆頭硬質合金刀頭的最小數量，即在一個旋轉周期內保證石材切除的理想的刀頭數量，可以按下面的經驗公式計算加以確定。

　　如果刀頭數量偏少，那么就會出現在第一個沖擊頻次內不能全部切除的石材.在第二個沖擊頻次到來后，硬質合金刀頭在相同進給量的情況下.既要完成本次沖擊的石材/鋼筋的切除任務，又要切除前一個沖擊頻次未切除的石材/鋼筋，這樣使硬質合金刀頭瞬時受力急劇增加，當超過硬質合金的強度極限時.會造成硬質合金刀頭的斷裂而導致鉆頭報廢。因此在實際設計硬質合金刀頭分布數量時要乘上一個經驗系數k以消除這種可能.也就是說在一個沖擊頻次內，各硬質合金刀頭的切削軌跡弧長總和大于硬質合金刀頭所在圓周周長，這樣既能保證完全切除石材/鋼筋又能適當減少每顆齒的受力情況而防止因切削阻力瞬時過大造成的破壞。當然硬質合金刀頭的數量也不是越多越好，硬質合金刀頭多了除了增加鉆頭的成本外.還增加了鉆頭工作過程中的摩擦阻力，同時也減少了鉆頭的整個排屑空間，不利于排屑。設計合理的硬質合金刀頭數量，有利于提高鉆頭的使用壽命。

　　結論

　　為使鉆頭有合理的壽命，石工鉆頭結構設計時，應考慮以下幾點：

　　（1） 鉆桿 頭部排屑槽，導屑距離越短越好；螺旋槽的螺距應盡量的小；

　　（2） 硬質合金刀頭 設計露齒高時應綜合考慮刀頭強度及鉆孔效率；刀頭數量及布置應設計合理。