国内金刚石工程薄壁钻台架对比钻进实验研究

邓福铭,王博,邓雯丽,周小彦,,赵烨,刘波,张红林

(1.中国矿业大学(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083; 2.河北小蜜蜂工具集团有限公司,河北石家庄 050800)

国内金刚石工程薄壁钻台架对比钻进实验研究

邓福铭1,王博1,邓雯丽1,周小彦2,1,赵烨1,刘波1,张红林2

(1.中国矿业大学(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083; 2.河北小蜜蜂工具集团有限公司,河北石家庄 050800)

使用寿命长短以及钻切效率高低是衡量金刚石工程薄壁钻的使用性能优劣的重要指标。采用新工艺制备的金刚石工程薄壁钻与传统热压工艺生产的国内某著名厂家产品进行了钢筋混凝土台架钻切对比实验,结果表明,新工艺制备的1#钻头的钻孔数为94孔,其耐磨性比目前国内使用寿命最长的产品高51.6%,且钻速基本上与之相当,属于高耐磨型产品;3#钻头的平均钻进时间为12.3min/孔,钻速为19.5mm/min,与国内钻速最高的产品相当,但其使用寿命相比却提高52%,属于高效钻切型产品;2#钻头的钻孔数为72孔,平均钻速为17.7mm/min,其耐磨性和钻进速度分别比国内最先进产品提高了29%～32%和26%～33%,实验证实了该工艺方法制备的金刚石工程薄壁钻头具有高效、长寿命的特点,克服了传统热压烧结技术产品耐磨性与钻速不可兼得的矛盾。

金刚石工程薄壁钻;钢筋混凝土;钻削;使用寿命;钻进速度

0 引言

金刚石工程薄壁钻是我国基础设施建设及建筑工程行业的常用工具[1-4],衡量金刚石工程薄壁钻的使用性能优劣主要表现在两个方面:一是金刚石工程薄壁钻使用寿命的长短,反映在实际使用中就是每个金刚石薄壁钻所能钻切的钢筋混凝土孔数或平均每孔钢筋混凝土磨耗的刀头高度[5]。金刚石工程薄壁钻所能钻切的钢筋混凝土的孔数越多,每孔磨耗的金刚石薄壁钻刀头高度越少,则说明该钻头的使用寿命越长。二是金刚石工程薄壁钻的钻切效率,反映在实际使用中就是每个金刚石工程薄壁钻钻切钢筋混凝土时的钻切速度或每孔钻进时间。金刚石工程薄壁钻钻切钢筋混凝土时钻切速度越快,平均每孔钻进时间越短,则说明该钻头的钻切效率越高。优质金刚石工程薄壁钻,不仅要追求较长的使用寿命而且更要追求较高的钻切效率,但传统金刚石工程薄壁钻的使用寿命和钻切效率之间又是此消彼长的关系[6],实际生产经验表明,采用热压法制备的金刚石工程薄壁钻要想提高其钻进速度则必须以牺牲其耐磨性为代价。因此如何制备高效长寿命的金刚石工程薄壁钻已成为国内所有钻头厂家所面临的技术性难题。本实验通过创新工艺方法制备了新型金刚石薄壁钻头,并与国内主要厂家的金刚石工程薄壁钻进行了钢筋混凝土台架钻进对比实验,对比分析新型金刚石工程薄壁钻头与传统产品的性能差异,以期解决传统金刚石工程薄壁钻二者不可兼得的矛盾。

1 实验方案

实验选用三组应用新工艺制备的Φ63mm金刚石工程薄壁钻分别定为1#、2#、3#钻头,通过市场调研选取国内四个著名厂家同规格的五种类型的金刚石工程薄壁钻作为比较对象,分别命名为4#、5 #、6#、7#、8#钻头,以作钻进性能对比测试。被选取样品的四家公司均为行业内领军企业,其生产的金刚石工程薄壁钻头代表国内领先技术水平。将以上八种金刚石工程薄壁钻头进行台架钻进实验,实验测试对象为含Φ18mm钢筋、上下四层依次纵横排列的钢筋混凝土块,同一平面钢筋依次平行排列,混凝土块高度240mm,钢筋水平排布间距80mm。分别记录每种钻头的打孔数目、每孔磨耗、每孔钻进时间,最后计算每种钻头的平均钻头磨耗、平均每孔钻进时间以及平均钻切速度,以对比分析八种金刚石工程薄壁钻头的使用性能。实验结果如表1所示。

表1 八种金刚石工程薄壁钻的使用性能Table 1 The performance of eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

2 台架实验结果分析与讨论

2.1 国内金刚石工程薄壁钻的耐磨性和使用寿命对比

图1为八种金刚石工程薄壁钻在打孔数上的对比分析柱状图。从图中可知,某公司一4#、5#钻头的打孔数目分别为43和61孔。某公司二6#钻头的打孔数目与5#钻头的打孔数目相当,为62孔。某公司三7#钻头的打孔数目比5#钻头和7#钻头的打孔数目低,为51孔。打孔数目最少的是某公司四的8#钻头,打孔数仅为27孔。本实验研制的1#金刚石工程薄壁钻的打孔数为94孔,比目前实验选取的最好的金刚石工程薄壁钻5#钻头和7#钻头的打孔数(61和62孔),分别多出33和32孔,使用寿命分别提高54.1%和51.6%。研制的2#金刚石工程薄壁钻的打孔数为72孔,比5#钻头和7#钻头的打孔数分别多出11和10孔,使用寿命分别提高18%和16.1%。说明新工艺制备的金刚石工程薄壁钻头,其使用寿命已超过国内目前的最高水平。

图1 八种金刚石工程薄壁钻的打孔数Fig.1 total drill hole number of the eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

图2为八种金刚石工程薄壁钻在平均每钻一孔后的钻头磨耗对比。从图中可以看出,4#、5#钻头平均每孔钻头磨耗为0.160～0.167mm/孔。6#钻头平均每孔钻头磨耗为0.098 mm/孔,比4#、5#钻头的平均每孔钻头磨耗低0.062～0.069mm/孔。7#钻头的平均每孔钻头磨耗为0.155mm/孔,比 4#、5#钻头的平均每孔钻头磨耗略小,比6#钻头平均每孔钻头磨耗高0.057mm/孔。8#钻头平均每孔磨耗最高,达到0.284mm/孔,最不耐磨。本实验研制的1#金刚石工程薄壁钻的平均每孔钻头磨耗最少,仅为0.087mm/孔,比5#钻头降低48%,比6 #钻头的平均每孔钻头磨耗降低11%,比7#、8#钻头分别降低44%和69%。实验研制的2#金刚石工程薄壁钻的平均每孔胎体磨耗也较低,为0.113mm/孔,与6#钻头的平均每孔钻头磨耗相接近,比4#、7#钻头分别降低27%和32%,比8#钻头降低60%。这些数据说明新工艺制备的金刚石工程薄壁钻头,其平均钻头磨耗低,耐磨性已达到甚至超过国内最好水平。

图2 八种金刚石工程薄壁钻头的平均磨耗Fig.2 The average abrasion of the eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

综合图1和图2可以得出,本实验所研制的1#和2#金刚石工程薄壁钻头的耐磨性比国内最耐磨的6#产品分别高出51.6%和16.1%,是国内其它公司产品的2～3倍,说明本实验所研制的1#、2#金刚石工程薄壁钻的使用寿命长,具有高耐磨型产品的特征。

2.2 国内金刚石工程薄壁钻头的钻进速率对比

图3 八种金刚石工程薄壁钻的平均每孔钻进时间Fig.3 The average drilling time per hole of the eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

图4 八种金刚石工程薄壁钻的平均钻切速度Fig.4 The average drill rate of the eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

图3为八种金刚石薄壁钻平均每孔钻进时间的对比,图4为八种金刚石薄壁钻头平均钻切速度对比。从图3和图4可以看出,在国内四厂家产品中,某厂家四8#钻头的钻进速度最快,达到19.2mm/ min,平均用时最短,为每孔12.5min;其次是6#、7 #钻头,平均钻速分别为17.2mm/min和17.4mm/ min,平均用时分别为每孔13.9min和13.8min。本实验研制的1#金刚石工程薄壁钻的平均钻进时间为18min/孔,钻切速度为13.3mm/min,每孔钻进耗时和平均钻速基本上与4#、5#钻头相当,平均钻切速度比6#、7#、8#钻头的稍低。本实验研制的3#钻头的平均钻进时间为12.3min/孔,钻切速度为19.5mm/min,钻进速率为八组钻头中最高的,与国内钻速最快的某公司四8#钻头相当。本实验研制的2#钻头的平均钻进时间为13.5min/孔,钻速为17.7mm/min,比3#钻头钻速略低,但仍高于其他公司产品。说明本实验制备的2#、3#钻头,其钻进效率已达到甚至超过国内最好水平,属于高效钻切型金刚石工程薄壁钻头。

综上所述,1#钻头生产工艺制备的金刚石工程薄壁钻胎体层耐磨且对金刚石的包镶能力强,总钻孔数达到94孔,其平均每孔钻头磨耗最少,仅为0.087mm/孔,其钻头磨耗低,优于国内其它厂家同类产品,且其钻切速度与国内某厂家一的两种型号的产品基本接近,具有使用寿命长、经久耐用特点。3#钻头生产工艺制备的金刚石工程薄壁钻钻切速度高达19.5mm/min,且使用寿命也达到了41孔,明显领先于国内某公司四的锋利型金刚石工程薄壁钻产品,其钻头具有锋利度高、钻切效率高的特点,属于新一代锋利型产品。2#钻头生产工艺制备的金刚石工程薄壁钻头综合了前两者的优点,钻孔数达到72个,平均每孔磨耗仅为0.113mm,平均钻速高达17.7mm/ min,该工艺制备的钻头具有钻切效率高、使用寿命长的特点,其产品突破了目前金刚石工程薄壁钻的性能局限,在未来的市场竞争中优势明显,是目前国内最好的高效长寿命金刚石工程薄壁钻产品。

3 结论

(1)本实验所研制的1#金刚石工程薄壁钻头的耐磨性是国内其它公司产品的2～3倍,其使用寿命比目前国内使用寿命最长的7#产品高出51.6%,且钻进速度基本上与4#、5#钻头相当,说明本实验所研制的1#金刚石工程薄壁钻的耐磨性高,具有使用寿命长的特征,属于高耐磨型产品。

(2)本实验所研制的2#金刚石工程薄壁钻头的钻孔数高达72个,平均每孔磨耗仅为0.113mm,平均钻速高达17.7mm/min,其耐磨性较4#、5#钻头分别提高了32%和29%,切割速度较4#、5#钻头分别提高了33%、26%,说明本实验制备的2#钻头无论是耐磨性还是钻速都达到了国内金刚石工程薄壁钻的领先水平,属于高效长寿命兼顾型金刚石工程薄壁钻。

(3)本实验研制的3#金刚石工程薄壁钻的平均钻进时间为12.3min/孔,钻切速度为19.5mm/min,其钻速与国内钻速最高的8#钻头相当,但使用寿命为41孔,比8#钻头提高52%,说明本实验制备的3 #金刚石工程薄壁钻头属于高效钻切型钻头。

[1] 张所邦,周玉龙.金刚石薄壁钻技术的发展与展望[J].探矿工程(岩土钻掘工程),2003,(S1):187-189.

[2] 郑超.我国激光焊接金刚石薄壁工程钻头发展评述[J].超硬材料工程,2006,18(2):37-41.

[3] 王智慧,谢志刚,郭桦,杨奇琦,周新翔.钢筋混凝土金刚石薄壁钻头用结合剂及金刚石的研究[J].超硬材料工程,2006,18 (5):11-14.

[4] 李坊明,唐振兴,常建和.金刚石薄壁钻头钻进钢筋混凝土性能研究[J].金刚石与磨料磨具工程,2000,(6):31-33.

[5] 宋月清,康志君,高云.金刚石与金属(或合金)的结合界面分析[J].人工晶体学报,1999,28(4):404-408.

[6] 杨俊德.金刚石钻头和金刚石锯片磨损机理、设计及性能测试研究[D].长沙:中南大学,2004.

Drilling Contrast Experiment Study of Domestic Diamond Engineering Thin-Walled Drill Bit

DENG Fu-ming1,WANG Bo1,DENG Wen-li,ZHOU Xiao-yang2,1,ZHAO Ye1LIU Bo1,ZHANG Hong-lin2
(1.Institute of Super-hard Cutting Tool Materials,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing,100083; 2.Hebei Xiaomifeng Tool Enterprises Corporation,Sijiazhuang,Hebei 050800)

Service life and drilling efficiency are the important measurement indexes of the performance of diamond engineering thin-walled drill bit.Reinforced concrete drilling contrast experiments between engineering thin-walled drill bit manufactured by new technique and a well known domestic product by conventional hot-pressing technique have been conducted.Result shows that the quantity of drill hole of the 1#drill bit manufactured by new technique is 94,and the abrasive resistance of it is 51.6%higher than that of the most durable procuct in China and their drill rate is similar.This drill bit can be categorized into the high abrasive resistance products;the average drill time of 3#drill bit is 12.3min/hole and the dirll rate of it is 19.5mm/min which is similar to the domestic product of the highest drilling rate while the service life of it is 52%longer which makes is a high efficiency drilling product;the quantity of drill hole of the 2#drill bit is 72 with an average drill rate of 17.7mm/min,its abrasive resistance and drill rate are respectively29～32%and 26～33%higher than those of the most advanced domestic products.The experiments have confirmed that the engineering thin-walled drill bit manufactured by new technique has a nature of high efficiency and long service life which has overcome the incompatibility of abrasive resistance and drill rate of the conventional product of hotpressing sintering technique.

diamond engineering thin-walled drill bit;reinforced concrete;drilling;service life; drill rate

TQ164

A

1673-1433(2015)01-0001-05

2015-01-26

邓福铭(1963-),男,所长,教授/博导,主要从事金刚石等超硬材料及其应用研究。E-mail:dfm@cumtb.edu.cn

国家自然科学基金(No.51172278);北京市自然科学基金联合基金(15L00025);石家庄市科技支撑计划(141080831A)

邓福铭,王博,邓雯丽,等.国内金刚石工程薄壁钻台架对比钻进实验研究[J].超硬材料工程,2015,27(1):1-5.