新型鑽頭

⑴ 麻花鑽頭常用的規格有哪幾種

螺旋槽有2槽、3槽或更多槽，但以2槽最為常見。麻花鑽可被夾持在手動、電動的手持式鑽孔工具或鑽床、銑床、車床乃至加工中心上使用。鑽頭材料一般為高速工具鋼或硬質合金。

麻花鑽是通過其相對固定軸線的旋轉切削以鑽削工件的圓孔的工具。因其容屑槽成螺旋狀而形似麻花而得名。

麻花鑽用途為工業製造上使用最廣泛的一種鑽頭,我們一般使用的就是麻花鑽頭.鑽頭的長徑比當工藝人員為特定的孔加工任務選擇最合適的鑽頭類型時，需要計算鑽頭的長徑比。

長徑比為被加工孔的深度與鑽頭直徑之比，例如，鑽頭直徑為12.7mm，需要加工的孔深度為38.1mm，則其長徑比為3:1。當長徑比約為4:1或更小時，大多數標准麻花鑽頭的排屑槽均能較順利地排出鑽頭切削刃切除的切屑。

而當長徑比超出上述范圍時，則需採用專門設計的深孔鑽頭才能實現有效的加工。麻花鑽標准產品均採用國家標准,並等效採用國際標准。

一旦被加工孔的長徑比大於4:1，標准麻花鑽就很難將切屑頂離切削區並排出孔外，切屑很快會阻塞鑽頭排屑槽，此時需要停止鑽削，從孔中退出鑽頭，清除排屑槽中的切屑，然後重新下鑽繼續切削，上述操作需重復多次才能加工出要求的孔深，這種鑽削方式通常稱為「啄擊」法。

採用「啄擊」法加工深孔會縮短刀具壽命，降低加工效率，影響被加工孔的質量。每一次將鑽頭從孔中退出，清除切屑後重新插入孔中時，都有可能偏離孔的中心線，從而使孔徑變大，超出規定的尺寸公差范圍。

為了解決深孔加工難題，近年來鑽頭製造商開發出了兩種新型深孔加工鑽頭——普通拋物線型鑽頭和寬刃拋物線型鑽頭。

(1)新型鑽頭擴展閱讀：

麻花鑽頭缺點

麻花鑽頭的幾何形狀雖比扁鑽合理，但尚存在著以下缺點：

(1)標准麻花鑽主切削刃上各點處的前角數值內外相差太大。鑽頭外緣處主切削刃的前角約為+30°；而接近鑽心處，前角約為-30°，近鑽心處前角過小，造成切屑變形大，切削阻力大；而近外緣處前角過大，在加工硬材料時，切削刃強度常嫌不足。

(2)橫刃嫌長，橫刃的前角是很大的負值，達-5 4°～-6 0°，從而將產生很大的軸向力。

(3)與其他類型的切削刀具相比，標准麻花鑽的主切削刃很長，不利於分屑與斷屑。

(4)刃帶處副切削刃的副後角為零值，造成副後刀面與孔壁間的摩擦加大，切削溫度上升，鑽頭外緣轉角處磨損較大，已加工表面粗糙度惡化。

麻花鑽的使用保養

1、麻花鑽在使用時先將橫把部件螺栓接頭插入鑽頭部條活動連接螺母定向槽內，逆時針方向旋緊連接螺母，即可插入預定鑽孔地區用手加壓以順時針向旋入土壤中，每旋約200~250毫米即向上提撥鑽孔(若過深提撥時會很費力而不方便)、剔下鑽頭螺旋中土、此土即為離該地段距離的土樣。

2、逐次往復工作至1米時需繼續往深處鑽取，應順時針方向旋松鑽頭部分連接部分連接螺母卸下橫把，把附加第二節鑽桿部分螺栓頭部分連接插入鑽頭部件活動連接螺時針方向旋緊連接螺母，再將橫把部件與鑽桿同上(1)比接好繼續工作，三，四，五節同上直至工作完止。

3、麻花鑽桿是用蒲壁無縫鋼管製成，故不宜在堅硬土質的地區進行使用。

4、每次使用完畢後應洗凈、擦乾，塗上防銹油脂，以防生銹。

⑵ 民間這個鑽頭是有多牛，竟可以申請專利

我國專利法規定的專利類型有三種:發明專利、實用新型專利、外觀設計專利。

• 發明專利

  針對產品、方法或者產品、方法的改進所提出的新的技術方案，可以申請發明專利；

• 實用新型專利

  針對產品的形狀、構造或者其結合所提出的適於實用的新的技術方案，可以申請實用新型專利；

• 外觀設計專利

  針對產品的形狀、圖案或者其結合以及色彩與形狀、圖案的結合所作出的富有美感並適於工業應用的新設計，可以申請外觀設計專利。

⑶ 新型耐磨切削齒Quantec系列PDC鑽頭

一、內容概述

Hughes Christensen公司應用新型設計工藝製造的Quantec系列優質PDC鑽頭（圖1）採用了與具體鑽井工程相匹配的新型耐磨齒和鑽頭結構，能獲得更高的平均機械鑽速、更好的穩定性與耐用性，並能降低鑽井成本。這種鑽頭的金剛石體積控制設計還能提高鑽頭的機械和水力效率。

圖1 Quantec系列PDC鑽頭

該公司的SmoothCut切削深度控制專利技術使鑽頭能夠更平穩地鑽進，從而減輕切削齒（尤其是在鑽夾層地層時）的早期磨損。這種新型鑽頭還融合了負載平衡切削結構技術，此切削結構中含有弦降控制技術以及側向運動緩解技術，以減輕鑽頭的振動並提高其對迴旋的抵抗能力。在鑽頭上應用的熱穩定聚晶齒能夠使鑽頭在最具研磨性的環境中最大程度發揮保徑能力。計算流體力學技術的應用能保證鑽頭最好的岩屑清除效果，同時還能在鑽井液流量、切削齒冷卻和抗沖蝕性之間達到最佳的平衡。

所採用的D技術集成了EZSteer和LGC等一系列用於進行持續定向控制的技術，應用該技術可提高機械鑽速，優化井眼質量，延長工具壽命。EZSteer技術是一種控制切割深度的專利技術，可以有效地控制鑽頭反扭矩的生成，對承壓面的控制精準，可使對PDC鑽頭的控制如同普通鑽頭，因此保留了PDC鑽頭的鑽速優勢。LGC技術是一種優化鑽頭長度、幾何形狀和切削齒的技術，使D技術PDC鑽頭所鑽井眼更加平滑、標准。

二、應用范圍及應用實例

在美國懷俄明州Pinedale地區的背斜小井眼區段，帶有夾層的砂岩和頁岩、高鑽井液密度以及過高的壓力都會導致很高的圍壓，鑽井作業商曾使用多家鑽頭公司的5刀翼PDC鑽頭來鑽S形井眼的底部井段。其中一個作業商選用了休斯公司ϕ152.4mm的QuantecQ405和Q505鑽頭鑽這一小井眼井段，鑽時平均值比鄰井少了72h，每個井隊1年能夠節省將近140萬美元。

三、資料來源

黃蕾蕾，薛啟龍.2010.國外鑽頭技術新進展.石油機械，（4）

⑷ 據說，中國石化西南工程院自主研發出新型鑽頭，請問新型鑽頭的具體情況是怎樣的能夠降低多少成本

12月11日，由西南工程技術研究院自主研製的個性化新型孕鑲金剛石鑽頭「T1-SP281」在羊深1井須家河組四段應用取得突破,該鑽頭進尺117米，平均機械鑽速1.79米每小時，同比進口金剛石鑽頭提高47.93%。

針對低滲氣緻密氣藏深層須家河高研磨性地層，該鑽頭創新性設計採用了柱狀立式和卧式孕鑲齒混合布齒，強化鑽頭抗研磨和攻擊性能。在入井前，技術人員深入鑽頭製造廠、鑽井公司、科研高校，充分論證了鑽頭入井技術措施和應急預案，並根據工況實時優化了鑽井參數。本鑽頭在羊深1井為第二次入井試驗，合計鑽井進尺262.36米，主要鑽遇了頁岩和砂岩，及少量礫石層，進一步驗證了鑽頭在須家河井段的適應性。

近年來，西南工程院緊密圍繞「降本增效、鑽井提速提效」狠下功夫。新型孕鑲金剛石鑽頭「T1-SP281」自主研製和提高鑽速方面的突破，打破了深層須家河組地層依賴進口鑽頭的局面，單只鑽頭成本降低了30%，在提速、降本增效方面摸索出一條自主創新的路子。

⑸ DPI-ReedHycalog公司新型小井眼雙心鑽頭

一、內容概述

DPI-ReedHycalog公司開發了一種新型小井眼（ϕ250.8mm或更小）雙心鑽頭。它能減小在切線段井斜角，增大對鑽柱振動的抵抗能力，改善其磨損狀況。這種鑽頭由導眼體、擴眼體和中擴眼體組成。中擴眼體可提高其幾何穩定性。為了使中擴眼體起到應有作用，導眼體和擴眼體之間的直徑差就必須足夠大。但隨著雙心鑽頭直徑的變小，這個直徑差就越來越小，在導眼體和擴眼體之間就沒有空間設置中擴眼體。為此，DPI-ReedHycalog公司將中擴眼體設計成導眼體的一部分，使中擴眼體的優點保存下來了，導眼體的直徑也足夠大。

二、應用范圍及應用實例

這種新型ϕ215.9mm×241.3mm CSD＋322雙心鑽頭在南得克薩斯某井使用，以8.53m/h的機械鑽速鑽完了全部井段的371.86m，是同地區雙心鑽頭效果最好的。上述新型井底鑽井工具都有其獨特之處，適應於雙心鑽井作業、旋轉導向鑽井和套管鑽井作業等各種場合，滿足鑽井市場的需要，並可提高鑽井效率，值得借鑒。

三、資料來源

黃蕾蕾，薛啟龍.2010.國外鑽頭技術新進展.石油機械，（4）

申守慶（編譯）.2009.國外鑽頭公司隆重推出貼近需求的新品（二）.石油與裝備，（5）

⑹ 銑刀與鑽頭有什麼區別

區別一、用途不同

銑刀主要用於在銑床上加工平面、台階、溝槽、成形表面和切斷工件等；

鑽頭是進行石油鑽井工作的重要工具之一，一般用於鑽孔。

區別二、類別不同

銑刀分為尖齒銑刀和鏟齒銑刀；鑽頭分為金剛石鑽頭、牙輪鑽頭與刮刀鑽頭。

銑刀，是用於銑削加工的、具有一個或多個刀齒的旋轉刀具。工作時各刀齒依次間歇地切去工件的餘量。

在鑽井過程中鑽頭是破碎岩石的主要工具，井眼是由鑽頭破碎岩石而形成的。一個井眼形成得好壞，所用時間的長短，除與所鑽地層岩石的特性和鑽頭本身的性能有關外，更與鑽頭和地層之間的相互匹配程度有關 。

(6)新型鑽頭擴展閱讀：

鑽頭研發歷程：

1969～1975年鄭州三磨所分別生產了幾種不同直徑的JR20SN一2聚晶體，首先用於保徑的孕鑲鑽頭和擴孔器的製造，鑽進礦山7級以下的地層；

在上世紀80年代初期我國自主研發的PDC尚未成功之前，6×6mm聚晶體曾大量用於石油、天然氣鑽井的取芯鑽頭和西瓜皮式的全面鑽進鑽頭；

80年代末一直到現在，PDC製造廠對PDC進行了一系列的改進與創新，使PDC的各項性能得到了很大提高，而各大鑽頭公司隨著能源市場的景氣、原油價格的不斷創新高，他們與石油公司一起積極開發了一系列新型PDC鑽頭，改善了使用效果與擴大了使用領域；

90年代起，從鑽頭水力學角度出發，通過完善鑽井泥漿以控制頁岩中鑽頭泥包現象獲得了成功，使解決鑽進頁岩夾層存在的問題獲得了突破性進展。

⑺ 我做機械加工，正在研製一種革命性的新型鑽頭，可自己沒有個這設備及財力進行開發，該怎麼辦，怎麼辦呢

如何讓人相信你的是革命性的,發個郵件到[email protected].

⑻ 普通鑽頭與群鑽有何區別

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目錄

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群鑽

群鑽，是將標准麻花鑽的切削部分修磨成特殊形狀的鑽頭。群鑽是中國人倪志福於1953年創造的，原名倪志福鑽頭，後經本人倡議改名為「群鑽」，寓群眾參與改進和完善之意。標准麻花鑽的切削部分由兩條主切削刃和一條橫刃構成，最主要的缺點是橫刃和鑽心處的負前角大，切削條件不利。群鑽是把標准麻花鑽的切削部分磨出兩條對稱的月牙槽，形成圓弧刃，並在橫刃和鑽心處經修磨形成兩條內直刃。這樣，加上橫刃和原來的兩條外直刃，就將標准麻花鑽的「一尖三刃」磨成了「三尖七刃」。

群鑽簡介

修磨後鑽尖高度降低，橫刃長度縮短，圓弧刃、內直刃和橫刃處的前角均比標准麻花鑽相應處大。因此，用群鑽鑽削鋼件時，軸向力和扭矩分別比標准麻花鑽降低30～50%和10～30%，切削時產生的熱量顯著減少。標准麻花鑽鑽削鋼件時形成較寬的螺旋形帶狀切屑，不利於排屑和冷卻。群鑽由於有月牙槽，有利於斷屑、排屑和切削液進入切削區，進一步減小了切削力和降低切削熱。由於以上原因，刀具壽命可比標准麻花鑽提高2～3倍，或生產率提高 2倍以上。群鑽的三個尖頂，可改善鑽削時的定心性，提高鑽孔精度，為了鑽削鑄鐵、紫銅、黃銅、不銹鋼、鋁合金和鈦合金等各種不同性質的材料，群鑽又有多種變型，但「月牙槽」和「窄橫刃」仍是各種群鑽的基本特點。

普通麻花鑽受其固有結構的限制，其幾何形狀存在著某些缺陷。通過對其切削部分的修磨，可以得到一定改善。「群鑽」就是一種行之有效的修磨形式。如果採用比普通高速鋼性能更好的新型刀具材料，或變革麻花鑽的結構，在此基礎上再將鑽頭切削部分修磨成「群鑽」鑽型，則鑽孔效果將進一步提高。新刀具材料的研製技術和刀具的製造技術有了很大的發展，故使變革麻花鑽的材料和結構成為可能。此外，隨著被鑽孔材料和鑽孔條件日益多樣化，「群鑽」的鑽型也有了很多發展，形成了一個系列。

⑼ 新型熱壓孕鑲金剛石鑽頭設計與研究

安徽地礦局313隊探礦工程技術研究所依託承擔的「高效長壽命金剛石鑽頭研製」項目,結合深部鑽探對金剛石鑽頭的特殊要求,研製了下述三種新型鑽頭。

(一)熱壓直角梯形齒孕鑲金剛石鑽頭

1.鑽頭結構設計

這類鑽頭的切削單元是直角梯形齒。與等腰梯形相比,直角梯形齒的橫截面積小,在相同鑽壓下可增大鑽進比壓。直角梯形齒可分解為長方體和三角體兩部分。長方體是破碎岩石主體,而三角體支撐著長方體並參與破碎岩石,提高了切削齒的抗彎強度。直角梯形鑽頭如圖6-24所示。該型鑽頭已獲國家實用新型專利(專利號ZL201320108265.4)。

圖6-24 直角梯形齒鑽頭外形

(1)直角梯形齒受力分析

設直角梯形齒的直角邊高為H,梯形頂部寬為L,梯形斜角為α,受垂直鑽壓P和回轉力W的作用(圖6-25)。為了方便計算分析,忽略直角梯形齒鑽頭在孔底的振動、彎曲等交變應力作用。

圖6-25 直角梯形齒受力分析示意圖

直角梯形ABCD如圖6-26所示,假設B端面承受均布的軸向壓力,其合力P作用在對稱位置。鑽進中,該鑽齒可視為左端齒根部固定,右端自由的一根懸臂梁。在回轉力矩和鑽壓同時作用下,懸臂梁承受軸向壓縮和彎曲。按材料力學分析,梁組合變形時危險橫截面在固定端A截面。

圖6-26 平面直角梯形齒受力分析

一般鑽齒的α角較大,故該變截面梁左端橫截面上的彎曲變形中性軸可近似認為在該截面上下對稱位置,即y=h₁/2;A橫截面上的內力有:

軸力(壓縮)N=P;剪力(彎曲)Q=F;

彎矩(彎曲)M=P·e-F·(l-x)_x=0=P·e-F·l

若忽略剪力Q對材料強度的影響,則該截面上各點的正應力為:

深部岩心鑽探技術與管理

式中:A=b·h₁=b·(h+l/tanα);

e=h₁/2-h/2=(h₁-h)/2=(h+l/tanα-h)/2=l/2tanα;

I_z=b

/12;

h₂=l/tanα;

h₁=h+h₂=h+l/tanα。

圖6-27 鑽齒A端橫截面

假設A端橫截面為矩形(圖6-27),則A橫截面上各點的正應力為:

深部岩心鑽探技術與管理

A橫截面上最大拉應力位於上邊緣線各點,最大壓應力位於下邊緣線各點,兩者絕對值相等。則:

深部岩心鑽探技術與管理

將h₁代入化簡後得:

深部岩心鑽探技術與管理

深部岩心鑽探技術與管理

深部岩心鑽探技術與管理

利用推導出的式(6-5),再結合鑽頭的規格、結構、胎體力學性能和所鑽岩石的物理力學性能,就可以設計直角梯形齒鑽頭的齒形規格。

(2)直角梯形齒結構設計分析

考慮到鑽頭胎體的抗壓強度一般都很高,遠遠超過鑽壓引起的軸向應力,即梯形切削齒的抗壓強度能滿足鑽進要求,所以,對梯形切削齒的軸向壓力不作過多分析。設直角梯形齒的尺寸如下:梯形頂寬h,梯形齒厚度b,梯形底角α,直角梯形高l。以規格Φ77/48mm的熱壓金剛石鑽頭為例,b=(77-48)/2=14.5mm。而l由工作層高和過水間隙確定,若工作層高10mm,過水間隙取3mm,則l為13mm。剩下的變數就只有α角和梯形頂寬h。式(6-3)可寫成:

深部岩心鑽探技術與管理

將上面數據代入式(6-6),得:

深部岩心鑽探技術與管理

梯形頂寬h決定了鑽頭與岩石的初始接觸面積,對可鑽性Ⅶ～Ⅸ級岩石,選擇h值在8～12mm之間。以岩石可鑽性Ⅷ級h=10mm為例,式(6-7)可寫成:

深部岩心鑽探技術與管理

梯形底角α可根據岩石力學性質和鑽頭規格在55°～70°之間選擇。在h值一定的條件下,α越小,直角梯形齒的抗彎能力越大,但受到鑽頭水口的限制。因此,設計直角梯形齒鑽頭時,只要知道F力和α角的大小就可以得出梯形齒的應力σ,只要梯形齒的實際抗彎強度大於σ,這個梯形齒就是安全的。其中,F力主要取決於岩石抗剪強度和齒與孔底的摩擦力。一般採用試演算法決定α角。

例如,對於鑽進Ⅷ級花崗岩的Φ77/48mm鑽頭取α=60°進行試算,已知岩石抗剪強度約為315MPa,得出梯形齒承受的應力約為553MPa,顯然低於鑽頭胎體要求的最低抗彎強度(700MPa)。因此,這個設計是安全的。

2.鑽頭金剛石參數設計

1)直角梯形齒由長方體M和三角體N兩部分組成(圖6-28),它們的胎體成分及性能相同,而M部分的金剛石濃度較高,N部分較低。鑽進初期,只有BDFG平面與岩石接觸,面積小,比壓大,鑽進硬而緻密的岩石效率高。隨著鑽頭磨損,接觸面積逐漸增大,鑽速將有所下降。但由於N部分的耐磨性較低,鑽速降幅不很大(在15%～18%范圍內)。此時,N部分的作用是支撐破岩主體M部分,增大其抗彎強度和抗沖擊韌性,並起輔助碎岩作用。因此,該類鑽頭的設計主要在於根據岩石性質確定M與N兩部分的比例及其性能。

圖6-28 金剛石分布示意圖

2)對硬、中等至較強研磨性岩石,可設計使長方體M與三角體N的胎體性能相同。而對硬至堅硬、弱研磨性岩石應選長方體M的胎體較硬、金剛石濃度較高;三角體N部分的胎體較軟、金剛石濃度較低。

3)通過改變長方體M、三角體N的比例及α角的大小,可以調節鑽頭的性能和鑽進效果。長方體M越小,α角越大,鑽進速度將越高,反之亦然。

4)該類鑽頭可供調節的結構參數有:長方體M、三角體N、α角、金剛石和胎體性能參數。一般鑽頭水口取6～8mm;α角取75°～65°;M∶N=3∶2或5∶3。金剛石粒度、品級和濃度的基本規律與普通鑽頭相同。對硬至堅硬、弱研磨性岩石,長方體M的金剛石品級SMD₃₅,濃度60%～65%,粒度:40/50目佔50%～60%,50/60目佔40%～50%。而三角體N的金剛石品級SMD₃₀～SMD₃₅,濃度45%～50%;粒度:50/60目佔45%～50%,40/50目佔50%～55%。對硬、中等至較強研磨性岩石,兩部分的性能相同,金剛石品級SMD₃₀～SMD₃₅,濃度75%～85%,粒度:30/35目佔20%～25%,40/50目佔50%～60%,50/60目佔20%～25%。

5)該型鑽頭的鑽進規程參數應依據岩石硬度與研磨性來確定。對中硬、完整度較差的岩層,鑽壓與轉速宜偏低,以防切削齒切入岩石過深而憋鑽。而對硬而緻密岩層可採用較高的鑽壓和轉速,以獲得高鑽速。

(二)熱壓孕鑲碎聚晶金剛石鑽頭

碎聚晶材料是聚晶體合成過程中產生的次品,但因其高硬度與高磨耗比性能不變而同樣具有利用價值。大多數碎聚晶粒為徑高比接近1的圓柱體,可以用來製造孕鑲鑽頭。對於中硬至硬、中等研磨性岩石具有好的適應性。

1.碎聚晶粒破碎岩石原理

與普通孕鑲粗顆粒金剛石鑽頭相似,碎聚晶粒在孕鑲鑽頭胎體中成無序排列。接近圓柱體的碎聚晶粒在熱壓胎體中可能有三種隨機分布的基本形態:直立、橫卧和與孔底成一定角度(圖6-29),其破碎岩石的機理與效果也有所差異。

1)直立狀碎聚晶粒。直立狀碎聚晶粒破碎岩石的原理與完整聚晶體基本相同,在鑽壓P作用下切入岩石一定深度,並在水平力Q作用下剪切破碎岩石[圖6-29(a)]。鑽壓越大,切入越深,產生的剪切體越大,破碎效果越好。

圖6-29 碎聚晶在胎體中不同形態與破碎岩石的情形

2)成一定角度的碎聚晶粒。鑽進初期,成一定角度的碎聚晶粒與岩石接觸面積最小[圖6-29(b)],具有一定的尖稜角,容易切入岩石,鑽進效率高。隨著碎聚晶粒的銳角逐漸變鈍,鑽速逐步下降,但總的鑽進效率還是較高的。

3)橫卧狀態碎聚晶粒。橫卧狀態碎聚晶粒破碎岩石的原理與直立狀碎聚晶粒不同,鑽進初期橫卧碎聚晶粒與岩石的接觸面積比直立狀小得多[圖6-29(c)],鑽進效率高。隨著鑽進時間的推移,碎聚晶粒與岩石的接觸面積逐漸變大鑽速有所下降,但總的鑽進效率仍較高。橫卧狀碎聚晶粒不易崩刃,鑽進比較平穩。當碎聚晶粒磨損過半後,與孔底接觸面積逐步減小,又將出現鑽速提高的階段。

以上三種隨機分布的碎聚晶粒的破岩機理和效果各有所長,可以實現優勢互補,可以在可鑽性Ⅷ級以下(含部分Ⅷ級)較完整岩石(如大理岩、灰岩、玄武岩、砂岩等)中保持較穩定、較高的鑽進速度。它比碎合金粒鑽頭適應的岩層更廣,只要胎體性能設計合理,還可用於鑽進硬、脆、碎的較強研磨性岩層。

2.碎聚晶孕鑲鑽頭的胎體性能設計

碎聚晶的粒度比金剛石單晶粗,而比碎合金粒細。因此,胎體性能應介於普通金剛石鑽頭和碎合金粒鑽頭之間,具備中等硬度、中等耐磨性。硬度設計為HRC25～HRC30;而耐磨性可設計為(0.55～0.6)×10^-5,採用MPX-2000型摩擦磨損試驗機測試時,其耐磨性可設計為420mg～450mg。

由於碎聚晶粒的抗壓強度高,磨耗比為2萬～8萬,甚至更高,從理論上講它可以鑽進任何岩石,但由於其顆粒較粗,切入岩石阻力大,破碎硬岩的時間效應明顯,所以鑽進的岩石級別受到一定限制,適於鑽進Ⅷ級以下、中等至較強研磨性、完整至較完整的岩層。

3.碎聚晶參數設計

由金剛石破碎岩石原理可知,粗粒金剛石多用於鑽進較軟的和低研磨性岩石。碎聚晶鑽頭中一般選取直徑Φ1.5～Φ2.5mm,高2～2.5mm,即徑高比接近1的碎聚晶。這種粒度接近於表鑲鑽頭中天然金剛石的粒度,由於其硬度與磨耗比遠不如天然金剛石,所以只能製造孕鑲鑽頭。對可鑽性Ⅵ級及其以下的岩石體積濃度取20%,而對Ⅵ～Ⅷ級岩石取25%。考慮到隨機混料時難以保證粗粒碎聚晶在鑽頭胎體中均勻分布,必須採用如圖6-30所示的制粒機,邊旋轉邊噴撒金屬粉料和黏結劑,使碎聚晶顆粒裹上一層厚厚的金屬膜,以達到胎體中顆粒均勻分布之目的。

圖6-30 制粒機

4.碎聚晶鑽頭結構設計

在生產實踐中,人們都希望新鑽頭下孔後便能有效鑽進,而傳統的孕鑲碎聚晶鑽頭必須要有個初磨過程才能進入正常鑽進。為改變這種狀況,可把碎聚晶鑽頭設計成表鑲與孕鑲結合的結構,即第一層為有序排列的表鑲形式,而後續工作層為無序排列的孕鑲形式。按照這個思路,石墨模具也設計成普通模具和第一層表鑲模具(如圖6-31所示)兩部分。取心式碎聚晶金剛石鑽頭的結構如圖6-32所示。

圖6-31 取心式碎聚晶鑽頭

用第一層模具

圖6-32 取心式碎聚晶鑽頭結構示意圖

1—鑽頭鋼體;2—鑽頭胎體材料;3—孕鑲碎聚晶;4—表鑲碎聚晶;5—單晶金剛石;6—鑽頭保徑材料;7—鑽頭水口

在熱壓碎聚晶鑽頭結構中,除了碎聚晶主磨料外,還孕鑲有品級SMD₃₀、粒度30/40目、濃度20%～25%的單晶金剛石。這部分金剛石不僅參與破碎岩石,更重要的是可以保持工作層平衡磨損,提高鑽頭的使用效果。孕鑲碎聚晶鑽頭已獲得國家實用新型專利,專利號:ZL201320109451.X。

(三)添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鑽頭

氧化鋁空心球是粉末冶金材料中的一種造孔劑,硬度不高,脆性大,基本不與胎體其他材料發生反應,把它隨胎體材料與金剛石一起混合均勻後裝入模具中熱壓燒結(圖6-33),可起到提高胎體材料孔隙度,弱化耐磨性的作用。

圖6-33 氧化鋁空心球的作用機理示意圖

1—金剛石;2—氧化鋁空心球

由於氧化鋁空心球的抗壓強度遠低於金剛石,在熱壓過程中部分被壓碎的空心球將形成薄弱點陣,隨著胎體磨損這些薄弱點陣很容易脫落,並在底唇面留下許多空穴,使之變得粗糙,摩擦系數提高,胎體磨損加快,金剛石出刃效果更好。加之與孔底接觸面減少,有利於提高在硬而緻密岩石中的鑽進效率。添加氧化鋁空心球的熱壓金剛石鑽頭已獲國家實用新型專利,專利號ZL201220651088.X。

1.氧化鋁空心球的參數設計

(1)氧化鋁空心球的粒度

市場上不同粒度的氧化鋁空心球如圖6-34、圖6-35所示。空心球的粒度對弱化胎體耐磨性和強度具有明顯影響。濃度一定時,空心球粒度小,比表面積大,意味著分散性好,在胎體唇面形成的空穴小且多,弱化胎體耐磨性的效果將提高。但如果粒度太小形成的孔隙過小,對胎體的弱化效果並不明顯。而粒度過大,分散性變差,同樣不利於弱化胎體。因而空心球的粒徑應選擇0.2～1.0mm,相當於70目～20目的金剛石粒徑。岩石越硬、越緻密,空心球的粒度應越粗,使磨損後的底唇面越粗糙,胎體耐磨性下降越多,有利於工作金剛石出刃,提高鑽進速度。

圖6-34 粗粒氧化鋁空心球

圖6-35 混合粒度氧化鋁空心球

(2)氧化鋁空心球的濃度

空心球在胎體中的濃度高則胎體的弱化程度也高,但濃度過高會降低胎體的強度,影響金剛石鑽頭的正常使用。而空心球的濃度過低則對弱化胎體耐磨性作用不大。一般認為其體積濃度12%～18%比較合理。岩石越硬、越緻密,胎體中空心球的含量應越高,使胎體耐磨性下降得明顯,金剛石的出刃效果更好。

(3)氧化鋁空心球參數的試驗研究

取氧化鋁空心球粒度0.3mm、0.6mm、0.9mm三種規格,濃度10%、20%、30%三種水平進行試驗設計。胎體配方:FeCuNi佔40%,FeCu30佔40%,CuSn10佔20%。按試驗設計分別燒結出胎塊並測試耐磨性,其對胎體弱化的效果見表6-5。根據表中數據繪制的柱狀圖見圖6-36。

表6-5 鑽頭胎體耐磨性弱化試驗設計表

圖6-36 氧化鋁空心球粒度及含量與耐磨性的關系

粒徑:A—0.3mm;B—0.6mm;C—0.9mm

由圖6-36可以看出,隨著氧化鋁空心球的濃度增加,胎體的磨損量增大,耐磨性呈下降趨勢。而不論含量如何變化,只要空心球的粒度增加,胎體的耐磨性呈增加趨勢。可見,氧化鋁空心球的濃度對胎體弱化具有顯著影響,而空心球的粒度同樣是影響胎體性能的重要因素。

2.鑽頭金剛石參數的設計

含氧化鋁空心球熱壓金剛石鑽頭主要為堅硬緻密的「打滑」岩石設計。必須明確,在堅硬緻密岩石中盡管採用高轉速,也不可能取得較高的鑽速,只有實現微壓入以微體積破碎方式破碎岩石,才能取得好的破碎效果。

(1)金剛石粒度設計

在硬而緻密岩石中粗粒金剛石鑽頭極難自銳,鑽進效率反而很低。因而必須選擇較細粒的金剛石,但如果太細,金剛石與胎體接觸面積甚小,很快隨胎體磨損而掉粒。因而多選擇50/60目與60/70目的金剛石。

(2)金剛石濃度設計

一般認為鑽進堅硬緻密岩石的鑽頭應採用低的金剛石濃度,但究竟濃度多低合適還需要研究。雖然在相同鑽壓條件下,低濃度的每顆金剛石上壓力增大,更容易切入岩石。但濃度過低鑽進效率和鑽頭壽命也會隨之下降。所以,金剛石的濃度應存在一個優化值。設計濃度時,還必須考慮添加材料的造孔作用,由於造孔後胎體的孔隙度增加,應適當降低金剛石的濃度,以保證其包鑲強度不受影響。另外,金剛石的濃度與粒度有相互依存關系。金剛石的粒度越細,其濃度也應適當降低。

(3)金剛石品級設計

堅硬緻密岩石的抗壓入硬度很高,所以必須使用高品級的金剛石,單顆金剛石的抗壓碎強度不能低於300N,金剛石的TTi值能達到85%。

綜上所述,金剛石參數設計如下:粒度採用50/60目～60/70目,其中50/60目佔40%,60/70目佔60%;濃度為60%～70%;金剛石品級不低於SMD₃₅。

⑽ 採用不同形狀PDC 片的鑽頭試驗效果

考慮到復合片經(沿不同方向)切割和磨銳後，必然對新形成的切削刃質量有一定影響。為了查明新切削刃的耐磨特性，曾採用不同形狀PDC片的鑽頭在Ⅷ～Ⅸ級砂岩和Ⅸ級輝長岩中進行鑽進台架試驗，以測定切削刃沿高度方向的耐磨性。

為此，製造了7個直徑76mm的試驗鑽頭，每個鑽頭上焊了4片同型號的復合片。參加試驗的復合片有5種形狀:包括一片直徑13.5mm的完整圓柱形復合片和4片形狀如表3－5中編號為№1、№2、№3和№5的復合片。

復合片以新形成的切削刃定位在鑽頭端部或內、外側面，以便切削破碎岩石。

表3－6列出了焊有試驗復合片的鑽頭結構圖。

№1號鑽頭的端面寬度13.5mm，焊有4片完整的圓柱形復合片。

№2號鑽頭的端面寬度13.5mm，焊有4片表3－5中的№1形復合片。

№3號鑽頭的端面寬度11.2mm，焊有4片№2形復合片，該復合片有兩個新切削刃，讓一個朝向端部，而另一個朝向外側或內側面。№4號鑽頭焊有№3形復合片，其朝向端部的刃寬為13.4mm。

表3－6 復合片鑽頭結構示意圖

在上述鑽頭中，鑽頭端面上的復合片都沒有相對錯位分布，因此孔底仍處於槽內封閉式切削模式。

№5號鑽頭焊有№3形復合片，其刃部朝向內外側面。鑽頭端部的寬度9mm，與常規地質勘探用鑽頭相對應。這時復合片交替安裝在外徑或內徑方向上，以實現孔底半封閉的切削方式。

№6號和№7號鑽頭焊有№5形復合片，也像№5號鑽頭一樣採用半封閉式切削方式，鑽頭端部的寬度也是9mm。№6號鑽頭的復合片被做成端部和內外側切削刃。№7號鑽頭只是把復合片依次排放在鑽頭內外側，用復合片自身的切削刃作為端部切削刃。

鑽頭首先以125r/min的轉速在砂岩上進行磨合，接著在轉速250r/min和軸向載荷5～10kN的條件下進行試驗。最後用該鑽頭在10～20kN載荷下鑽進輝長岩岩塊。

表3－7列出了在砂岩上的試驗結果。由表3－7可以看出，復合片直徑較小且以半封閉式和邊角處封閉式切削方式工作的№5、№6、№7號鑽頭顯示出更高的鑽進速度。裝有半圓形復合片，切削刃朝向端部的№4鑽頭鑽速有所下降。其原因在於復合片很快被磨鈍。

表3－7 非整形復合片鑽頭在n=250r/min條件下鑽進Ⅷ～Ⅸ級砂岩的試驗結果

表3－8列出了在輝長岩中鑽進的鑽速情況和復合片磨損情況的試驗結果。試驗表明，機械鑽速也有類似於砂岩的結果。在耐磨性方面，№2和№3形復合片效果更好。但由於復合片朝向端部的刃尖部分出現碎裂，使其磨損量有所增大。磨損量增大主要集中在位於環形鑽頭體端面中線處的小尺寸切削刃上。鑽頭體端面中線部分的復合片磨損強度比偏離中線5～6mm的№2、№3形復合片大2～3倍。這可解釋為，中線部分的復合片承受的壓力和振動載荷最大，而排粉和冷卻條件最差。

表3－8 非整形復合片鑽頭在n=250r/min條件下鑽進Ⅸ級輝長岩的試驗結果

根據試驗結果，可繪制出磨損強度曲線圖(圖3－16)，由圖可看出，布置在距離中線5～6mm地方的復合片將具有更高的使用壽命。於是可以得出結論，尺寸為11.2mm的№2、№3形復合片工作性能最好，而且應該把它們設計成半封閉式或邊角封閉的切削方式。

根據試驗結果及其總結的復合片鑽頭結構特徵，烏克蘭超硬材料研究所設計並製造了一批新型PDC試驗鑽頭，並把它們與批量生產的КГ－84МС型鑽頭一起用於生產試驗。根據生產試驗的對比結果(表3－9)可以看出，焊有№2形復合片的鑽頭可使鑽進效率提高0.5～2倍。

圖3－16 復合片切削刃磨損程度與其到鑽頭體端面中線距離的關系

表3－9 鑲有直徑8mm和13.5mm復合片的新型鑽頭生產試驗結果