|
R-618型钻机大口径钻头用复合型截齿
摘 要 介绍了一种新型桩基工程中常用的复合型截齿。该截齿经武汉地质勘察基础工程总公司在长江广场与进口截齿和国内仿制截齿应用对比，表现出多项独特性能。
关键词 R618型钻机 复合型截齿 钢体 固齿 耐磨 Composite Cutters Used in Large-diameter Bit for R618 Drilling Machine Lan Fangxin， Gui Bingxiang Zhang Hanbin， Liu Zhijian， Zhang Ke (Wuhan Geological Survey and Foundation Engineering Corporation, Wuhan, 430022)， (China University of Geo-sciences， Wuhan， 430074) Abstract A new type of composite cutter bits applied to pile foundation engineering is introduced. The cutter bit possess of several distinctive features comparing with the cutter bits imported from foreign countries and the domestic copy cutter bits by engineering application of Wuhan geological survey and foundation engineering corporation in Changjiang square.
Key words R618 drilling machine， composite cutter bits， steel matrix， fixed bits， hard-wearing
1 问题的提出
R618型钻机是由意大利土力公司设计制造，具有国际先进水平的全液压回转钻机，主要用于高层建筑灌注桩的钻孔施工，可钻进直径600～2000 mm，成孔最大深度达60 m，其最大回转扭矩172 kN*m。钻机在复杂地层钻进中，主要采用镶有硬质合金截齿的钻头，这种截齿以前主要依赖进口，后经国内仿制。然而，遇有较坚硬的地层，该截齿的使用寿命较短，不仅增大了钻进工程成本，而且影响工程进度。如在武汉长江广场的施工中，由于该工地上部基岩有5～6 m厚的铁矿礁石胶结层，在钻进过程中，截齿消耗极为严重，进口产品价高而且难于购买，仿制品的使用效果又很不理想，寿命短，更换频繁，耗工费时。为此，武汉地质勘察基础工程总公司委托中国地质大学(武汉)掘进工程研究所飞龙钎具厂研制新型截齿，以解决施工困难。
2 原用截齿的失效分析
对原用进口截齿报废残体及仿制截齿分析，其使用寿命不高的原因主要有以下2个方面。
2.1 几何结构设计缺陷
原用截齿为单一球齿型，其工作部位呈锥状，中间镶焊16 mm硬质合金球齿，球齿周边钢体壁厚为2 mm(如图1)。这种设计导致截齿在钻进过程中，不耐磨的钢体超前磨耗，使得硬质合金根部裸露，失去钢体所提供的抱紧力，易造成硬质合金球齿脱落。截齿在失掉硬质合金的情况下，钻进效率急剧下降，严重时，因孔内脱落的硬质合金难于破碎而损坏大钻头本体。
2.2 制造工艺缺陷
仿制截齿在制造工艺和材质选择上也存在严重缺陷。首先，采用氧焊固齿工艺，无法保证焊接强度。其次，母体采用45号钢，而耐磨性及韧性均低于进口截齿用钢，所以使仿制截齿掉齿的概率大，寿命低。
3 新型复合型截齿的设计制造
3.1 设计
针对原用截齿在设计上的缺陷，在设计中充分利用硬质合金抗压强度比其抗弯强度高3～4倍这一特性，并采用仿生学原理，模仿动物臼齿形状，将截齿设计为对称分布、3个刃角为120°的片状硬质合金及中间设置1颗弹头齿硬质合金的三片一齿形(图2)。
这一设计的特点在于使截齿工作部位上的硬质合金在破岩中全部承受正面压力，从而减少碎片、断齿现象；工作部位硬质合金露在外圆上，减少基体钢材的磨损，以增强截齿的整体坚固性；由1点破岩改为4点破岩，大大提高了破岩效率，从而提高钻进速度，加快工程进度。
3.2 材质选择
截齿在桩孔钻进过程中承受拉、压、弯、扭等复杂应力，并且不断与孔底碎岩发生磨蚀、撞击，因此对截齿用钢的选择我们依据以下3个原则：
(1)坚韧耐磨。耐磨损：在合理的固片、固齿工艺条
件下，头部钢体的硬度应达到HRC40～50，从而具有 
图1 进口(仿制)截齿头部结构示意图 图2 新型复合型截齿头部结构示意图
良好的刚性、耐磨性和夹持硬质合金片齿的能力；抗冲击：有较高的屈服极限(δs)、疲劳强度(δ-1)、冲击韧性(αk)，能有效地防止截齿钢体的塑性变形和脆性断裂，足以保证截齿几何形状的稳定性和工作的持久性。
(2)工艺性能良好。易切削：退火后硬度≯HB260，但也不宜过软，以免粘刀影响粗糙度；淬透性好：适当控制加热温度和钎焊工艺，空冷硬度应达到HRC40～45；可焊性好：对一般铜基或银基焊料的亲合力强，焊缝钢体界面能形成固溶，线膨胀系数和硬质合金比较接近，以减小焊接应力。
(3)符合国情，价格较廉。我国Ni、Cr较少，钎具这种大量消耗性工具，可以多用SiMnMo系合金钢。
借鉴多年来在小直径冲击破岩钎头方面的经验，最终选择用40MnMoV为截齿基体用钢。该钢种淬透性好，在感应加热钎焊的工艺条件下，连续空冷或控制风冷，可以获得复相的贝氏体或马氏体组织，硬度可以在HRC35～55范围内调节，具有良好的强度和韧性。此外，该钢可焊性好，价格较廉。
3.3 新型复合型截齿的制造工序
下料→锻造毛坯→退火→粗车外形→精车外形→铣合金槽→铣排粉槽→铣120°夹角→清洗配片→感应钎焊→热处理→细部修磨→喷砂→喷漆包装。
加工过程中，尤其应注重固片、固齿质量。为此我们采用沉底式感应钎焊固齿工艺，通过超音频或高频均匀加热，利用毛细作用，使焊料得以充分充填焊缝，硬质合金与钢体固熔为一体，杜绝掉片、掉齿现象。
4 应用效果对比
1997年6～8月，我们对新型复合型截齿与2种原用截齿进行了现场试验，其效果见表1和图3。 表1 进口、仿制截齿与新型复合型截齿应用效果对比
|
