【正文】 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 典型 鉆頭 結(jié)構(gòu)舉例 （ 1）螺旋肋骨鉆頭 ? 外焊三塊呈 45176。 （ 2）水口形狀： 矩形、半圓形、梯形和三角形，三角弧形水口 效果最好。 （ 1）確定切削具布置方式的原則： ① 能保證鉆頭在孔底工作平穩(wěn)； ② 多環(huán)排列時，每個切削具只破碎孔底的一部分，疊加起來完成 整個唇面的切削，若各環(huán)之間能相互造成自由面，則破巖效果更佳； ③ 盡量使每個切削具負擔的破巖量接近，避免局部磨損過甚； ④ 切削具之間應保持一定的距離，以利于排粉； ⑤ 對切削具的鑲焊和修磨方便。 ~50176。 底出刃大小： 由切入深度和過水間隙兩部 分組成。上有外螺紋與巖心管連接，內(nèi)壁有內(nèi)錐，便于卡取巖心。 應根據(jù)巖性選用合適的硬質(zhì)合金牌號和型號，采用合理的鉆 頭唇面結(jié)構(gòu)。 ? 切削具的磨損面積與鉆進時間成正比，而機械鉆速與切削具接觸面積的平方成反比。 三、硬質(zhì)合金切削具的磨損 ? 費得洛夫得出磨損曲線。繼續(xù)前 移產(chǎn)生若干次小剪切。 ? 在切屑的裂隙尚未發(fā)展到全面斷裂之前，下一切屑又發(fā)生滑移。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 （一）塑性巖石的碎巖情況 切 入 巖石的過程 鉆頭上切削具切入巖石的必要條件是： 切削具與巖石接觸 面上的單位壓力必須大于或至少等于巖石的抗壓入硬度。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 一、鉆探用硬質(zhì)合金 硬質(zhì)合金的特性 （ 1）鉆探用的鎢 (WC) 鈷 (Co)合金 ,以碳化鎢粉末為骨架，鈷粉末為粘結(jié)劑，用粉末冶金方法制成。第四章 回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭 一、 硬質(zhì)合金鉆頭及其孔底的碎巖過程 二、 金剛石鉆頭及其孔底碎巖過程 三、 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 四、 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 五、 全面鉆進與鉆頭 國家精品課程 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第四章 回轉(zhuǎn)鉆進用鉆頭 ? 巖土鉆進（井）方法絕大多數(shù)是機械方式，主要有： ① 伴有循環(huán)沖洗介質(zhì)的硬質(zhì)合金、金剛石、鋼粒、牙輪鉆頭 回轉(zhuǎn)鉆進和長螺旋干式回轉(zhuǎn)鉆進； ② 采用液動、氣動孔底沖擊器的沖擊回轉(zhuǎn)鉆進； ③ 鋼絲繩沖擊鉆進； ④ 振動鉆進。稱為 YG類合金。 即： Py≥Hy F0 式中： Hy—— 巖石的壓入硬度； F0—— 切削具刃尖處與巖石的接觸面積。因此 切屑是連續(xù)、平穩(wěn)的，其切削槽寬與切削具刃寬相同。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第一節(jié) 硬質(zhì)合金鉆進孔底碎巖過程 當 刃前接觸面 較大時，前進受阻。反映切削具單位時間磨損量 W與切削具刃端面積上比壓 σ 關(guān)系。 ? 設鉆進的初始鉆速為 v0=A/S02，上式可寫成 ： 式中： k0—— 鉆速下降的特征系數(shù)， k0=θ/S0。 (3) 及時修磨切削具， 減小初始接觸面積，以降低其磨損率。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 切削具出刃 （ 1） 內(nèi)、外出刃 —— 使 鉆頭體與孔壁、巖心之間的間隙，避免摩擦孔壁和巖心，提供循環(huán)沖洗通道。 H值過大，在硬巖和裂隙性巖層中 容易造成崩刃，應增加補強。 ， Ⅰ ～ Ⅳ 級非裂隙性巖石； ?β=65176。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第二節(jié) 硬質(zhì)合金鉆頭 （ 2）切削具布置方式 ① 單環(huán)排列： 一個或二個切削具并聯(lián)覆蓋唇面，加工簡單； ② 多環(huán)排列： 多個切削具分環(huán)覆蓋唇面，造成多的碎巖自由面 ； ③ 密集排列： 多個切削具集中為一組排列，前刃掏槽，后刃擴槽， 相互支撐，承載大，抗彎、抗磨損好。 （ 3）水口的數(shù)目： 等于切削具的數(shù)目或組數(shù)。 螺旋肋骨，有助液流上返，提高清粉能力。 ? 切削具可以直鑲也可 以正斜鑲。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 ? 人造金剛石單晶 ? 人造金剛石聚晶 —— 由細小的金剛石顆粒、粘合劑燒結(jié)成較大顆粒的多晶金剛石 ? 人造金剛石復合片 （ PDC） —— 由一層金剛石多晶薄層、一層較厚的硬質(zhì)合金層復合而成。人造金剛石聚晶體一般與中硬碳化硅砂輪的磨耗比在 1： 30000 (4) 金剛石是熱的良導體，它散熱比硬質(zhì)合金刃具快。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 （ 2）金剛石的品級 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第三節(jié) 金剛石及其孔底碎巖過程 二、金剛石鉆進的孔底碎巖過程 1. 表鑲金剛石鉆頭的孔底碎巖過程 ? 把鉆頭上的一粒金剛石看作在軸向壓力 Py和切向力 Px作用下沿巖石表面移動的切削具， ? 巖石破碎時力 Px 克服巖石抵抗破碎的反力 Pg和摩擦力 T上， Px = Pg +T= Pg + Py f f—— 金剛石與巖石的摩擦系數(shù)； Py —— 每粒金剛石上的載荷。 ? 唇面金剛石出露較好時，也存在孔底的微剪切和微壓碎作用。 ? 金剛石在鉆頭唇面厚度方向多采用同心環(huán)分列 ， 并在徑向有一定的重疊度 ， 以保證鉆進中不會在孔底形成 “ 巖脊 ” 。 ? 選擇金剛石濃度的依據(jù)是所鉆巖性、金剛石的品級和粒度，兼顧胎體的包鑲能力和鉆壓值的大小。所以在堅硬的巖石中鉆進時，必須選擇低耐磨性（硬 ? 由于測定硬度的方法簡單，雖然胎體的硬度不能完全代表其耐磨性，但目前仍習慣用胎體的硬度來表示其耐磨性。 擴孔器的作用： ? 修 擴 孔壁，保證鉆孔直徑符合要求 減少新鉆頭下孔的擴孔量 ； ? 保持孔內(nèi)鉆具的穩(wěn)定性，使鉆具在高轉(zhuǎn)速下保持動平衡狀態(tài)； 四、金剛石鉆頭及 擴孔器制造 ? 無壓浸漬法 ? 熱壓法 ? 電鑄法 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第五節(jié) 鋼粒鉆頭及其孔底碎巖過程 ? 用未鑲焊切削具的鉆頭壓住自由狀態(tài)的鋼粒，并帶動它們在孔底滾動而破碎巖石的鉆進方法稱為鋼粒鉆進。 ? 整套鉆具由鉆頭、巖心管、異徑接頭、取 粉管和鉆桿柱組成。這就是鋼粒鉆進的主要破巖方式 ——動疲勞破碎。 ? 硬和堅硬巖石：鑲齒式牙輪鉆頭。 ? 牙輪自轉(zhuǎn)是破巖時牙齒與地層巖石之間相互作用的結(jié)果。 ? 由 ωc引起的速度 vcx也呈直線分布方向向后，在 b點 vcb=0。 ? 滑動速度隨超頂距 c的增大而增大。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 ? 牙齒鉆頭在軟地層鉆進時，牙齒間易積存巖屑產(chǎn)生泥包，影響鉆進效率。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第七節(jié) 全面鉆頭 一、硬質(zhì)合金全面鉆頭 1. 翼片式全面鉆頭 翼片式全面鉆頭主要包括刮刀鉆頭和翼片鉆頭。必須大于孔底碎巖傾角 。 ? 反階梯鉆頭可防縮徑 ， 但外側(cè)底刃既掏槽又保徑 ， 蹩鉆嚴重 。階梯翼片直焊。翼板按一定的角度焊在下導正圈的內(nèi)壁上，合金切削具鑲焊在翼板上（或螺栓固定）。 ? 短螺旋只靠鉆頭部分螺旋葉片把巖屑積聚在有限幾個螺旋面上，然后提至地表清除，短螺旋鉆對地層的適應性更廣。內(nèi)錐 60~70176。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第七節(jié) 全面鉆頭 水力結(jié)構(gòu) ? 金剛石全面鉆頭采用水孔、水槽式水力結(jié)構(gòu)，保證金剛石的冷卻、潤滑和清洗。適用于高轉(zhuǎn)速金剛石鉆頭。 （ 3）組合式布齒方式：具有上述兩種的優(yōu)點，用于中硬地層。 的負斜鑲，并有一定的側(cè)傾角。 ? 鋼體鉆頭用合金鋼加工而成，復合片鑲焊在鋼體上。兩者間形成一定壓差，使部分沖洗液漫過金剛石進入低壓水槽，清洗冷卻和潤滑金剛石。 無階梯，適于較硬和致密巖石。適用于一般的土層。翼板的數(shù)量視鉆頭直徑而定。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第七節(jié) 全面鉆頭 （ 3）針狀自磨式全面鉆頭： 可做成三翼、四翼或六翼。 巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第七節(jié) 全面鉆頭 1. 4 提高刀翼的耐磨性 ? 為保證足夠的強度，刀翼一般用高強度合金鋼鍛制而成。 刀翼的結(jié)構(gòu)角 （ 1）刃尖角 β：表示刀刃的尖銳程度。 一般按翼片數(shù)量命名 。 ? 這類鉆頭各牙輪的牙齒互相嚙合，一個牙輪的牙齒間積存的巖屑由另一個牙輪的牙齒剔除。 cxbxsx vvv ??巖土鉆掘工程學 國家精品課程 2022/9/20 中國地質(zhì)大學勘查教研室 第六節(jié) 牙輪鉆頭及其孔底碎巖過程 ? 復錐牙輪線速度不作直線而是折線分布，所以產(chǎn)生滑動。使牙輪的角速度 ωc降低。 ? 還由于孔底不平疊加了振幅較大的低頻振動。帶噴嘴的水力噴射式鉆頭更有利于提高軟巖的破巖效果。 ? 在實際生產(chǎn)過程中，上述兩種破巖方式往往是同時發(fā)生的，只是新鮮的圓柱形鋼粒以第一種為主，被磨圓的鋼粒以第二種為主。 1. ? 圓柱形鋼粒在孔底每翻滾一次都會給巖石一個微動載作用。但在大口徑硬巖鉆進中仍有一席之地。 ? 堅硬、弱研磨性的巖石或鉆頭壁較厚，唇面做成同心環(huán)槽、鋸齒狀或階梯形，使比壓集中并在孔底形成破巖自由面。常用濃度 70%~120%，過高了將影響胎體的包鑲能力和鉆速。 4. 鉆頭的水口與水槽 ? 鉆頭的水路直接影響著孔底沖洗及鉆進效果。 ? 微動載碎巖 有學者認為，無論表鑲或孕鑲鉆頭在孔底的碎巖過程中，孔底還存在著微動載的碎巖過程。 ? 金剛石被磨鈍時，在 Py,Px作用下巖石中出現(xiàn)一些微小的裂紋，巖石的致密結(jié)構(gòu)被改變。 ? 金剛石容易受熱損傷，雖然溫度低于燃燒溫度，但金剛石的強度、耐磨性已受到嚴重影響。 ? 金剛石的弱點： ① 脆性較大 ， 遇沖擊出現(xiàn)碎裂； ② 熱穩(wěn)定性較差 ， 高溫下氧化并 “ 石墨化 ” 。胎塊內(nèi)包裹針狀硬質(zhì)合金 。通水截面積大，循環(huán)阻力小，使孔底