干钻金刚石钻头及钻进系统开发

徐 良,刘一波,朱亚南 ,徐 强,孙延龙

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100095;2.北京安泰钢研超硬材料制品有限责任公司，北京 102200)

0 前言

当前，国内外均越来越重视环境保护，对污水、粉尘等污染物的治理力度也在不断加大。金刚石工具加工石材、混凝土及其他建材时大部分在水冷却的条件下进行，过程中形成的污水、废渣会对环境有一定的污染，客观上要求减少污水的排放。在建筑装修过程中，一些石材、墙体的加工不能沾水，否则就变色或者被污染不易清洗，这种情况下必须要求金刚石工具在无水的条件下切钻磨。另外，在干旱缺水或某些特殊场合，在没有水冷却的情况下也要求金刚石工具能顺利工作。因此，国内外厂家纷纷就干钻、干切、干磨等金刚石工具进行系统研究，分别推出了干钻钻头、干切锯片以及钎焊砂轮等。本文重点介绍干式钻进类金刚石工具，包括干钻墙砖短钻头、干钻瓷砖钎焊小钻头、干钻石材小钻头以及干钻素混凝土、钢筋混凝土长钻头等[1]。

国内对于干钻金刚石钻头的研究主要集中在对钻头结构的研究方面，即在干钻过程中如何排屑和冷却钻头：如采用波纹型刀头或者其他异型刀头结构、基体表面带螺纹槽等设计；国外除了对金刚石钻头结构进行研究外，出于对环境保护和操作员自身工作环境的考虑，配套了集尘装置和空气冷却装置，钻头在压缩空气冷却条件下正常工作，集尘装置使得施工现场没有粉尘，符合环保的要求。

1 干钻金刚石钻头结构

1.1 干钻墙砖短钻头

这一类干钻钻头一般用于砌块、普通墙砖或者耐火砖等硬度较低材料的钻进，钻进难度不大，对钻头的要求不高。钻头直径Φ25～200mm，长度150～170mm，没有集尘装置和压缩空气冷却装置，因此刀头和钻管的设计需要充分考虑散热、排屑等功能。刀头的设计需要尽可能地降低刀头与被钻材料的接触面积，既能提高钻头的锋利度，又能及时地将热量散发出去，所以一般设计成波纹型刀头，或者异形刀头；钻管的设计主要考虑排屑效果好，所以一般钻管侧面带螺纹或者带孔，利于岩屑沿着排屑槽顺利排出，如图1所示。

图1 干钻墙砖钻头Fig.1 Dry drilling bits for wall brick

1.2 干钻瓷砖小钻头

干钻瓷砖小钻头多为钎焊金刚石小钻头，直径Φ(5～120)mm，但大多数为直径Φ(5～14)mm，用于瓷砖膨胀栓打孔的小钻头，长度60～80mm。为了散热，小钻头中心需要灌蜡处理。这一类钻头的特点是金刚石出露高，钻进速度快，但寿命相对较短，可用于瓷砖、石材或者混凝土墙面的打孔[2]，如图2所示。

图2 干钻瓷砖钻头Fig.2 Dry drilling bits for tile

1.3 干钻石材小钻头

这一类钻头多用于燃气管和水管通过厨房台面时的钻孔，直径多为32～38mm，长度60～90mm，刀头多为平齿或者波纹齿，钻进材料为石英石或者人造石，也有少量的天然大理石或花岗岩。要求钻头的速度快，寿命长，且崩边效果满足要求。这类钻头的钻管外侧常钎焊几根金刚石保护条，如图3所示。由于钻头的转速在10000r/min以上，对金刚石的热稳定性要求比较高，且该系列钻头胎体的散热也要好。

1.4 干钻钢筋混凝土长钻头

在所有干钻钻头里面，干钻钢筋混凝土长钻头(图4)是开发难度最大的产品，需要综合考虑胎体成分、钻头结构、冷却、集尘等多种因素，也是目前欧美市场上最为流行的产品。这一类产品所钻进的材料包括中硬混凝土(C25)、硬混凝土(C45)及直径6～20mm的钢筋，钻头直径25～200mm，刀头可为平齿或者波纹齿，长度超过400mm；钻深超过200mm后，钻头冷却和集尘难度增加，要求刀头与钻管之间的间隙比常规湿钻钻头大，钻头的齿数量也要比湿钻钻头少；同时金刚石热稳定好，胎体的散热性好，钻进钢筋时平稳。

图3 干钻石材钻头Fig.3 Dry drilling bits for stone

图4 干钻钢筋混凝土钻头Fig.4 Dry drilling bits for reinforced concrete

不同于干钻短钻头，干钻长钻头如果胎体成分不符钻切对象，或者冷却和排屑效果不好，在高速旋转摩擦下，钻头刀头很可能就会烧红变黑，造成钻头的失效，如图5所示。

图5 失效的干钻钻头Fig.5 Failed dry drilling bits

2 干钻金刚石钻头原材料

2.1 金刚石参数

由于干钻金刚石钻头需要承受钻机高速旋转产生大量的热量，岩屑不能及时排出导致刀头温度不断升高等不利因素，所以对金刚石的热稳定性要求非常高；因此一般用于干钻钻头的金刚石，热冲击性能(TTI)不能低于80%，静压强度不低于280N，且晶型完整。按照经验数据，用于干钻钻头的金刚石浓度较低，其目的是钻头刀头底部排列金刚石的颗数少，金刚石之间的间距大，利于金刚石的散热和岩屑的排出[3]。

2.2 胎体成分

针对干钻墙砖、砌块等强度较低的材料来说，胎体的硬度中等、耐磨性中等即能满足钻进要求，因此此类钻头的胎体设计难度不大，一般用铜锡合金，搭配钴、镍等粉末即可组成胎体成分，胎体较软，刀头的硬度一般为HRB80左右，钻头锋利度好，但寿命不长。

针对硬度较高且带筋混凝土或者研磨性很弱的花岗岩的干钻，钻头胎体的选择就显得非常重要：既能保证金刚石出刃，又能使金刚石尽可能少的石墨化和破碎、掉落而保持钻头具有一定的寿命。近年来钨铜合金粉末在干钻钻头方面有一些研究和应用[4]，相关应用结果表明：钨铜合金粉末搭配Ag、Co、Ni等粉末组成胎体成分，能够有效降低胎体的烧结温度，提高刀头的硬度(可达HRB110)，有利于金刚石的出刃，在钻进钢筋混凝土和花岗岩时表现出了良好的锋利度和较长的寿命[5]。

3 干钻长钻头钻进系统

3.1 钻进系统

干钻钻机的功率1.8～2.2kW，转速360～660r/min，有些钻机带细微的冲击功能，对于硬质材料钻进有辅助功能。针对直径100mm以内的钻头，可手持钻机钻进，如图6(a)所示；直径超过100mm的钻头，由于钻进摩擦力比较大，手持力度不够，需要配备钻架辅助钻进，如图6(b)所示。

图6 钻进系统Fig.6 The drilling system

3.2 冷却系统

冷却系统采用空气压缩机，功率7.5kW，可提供0.8MPa、900L/min的压缩空气，从钻头中间吹入，对钻头刀头进行冷却。

3.3 集尘系统

集尘系统包括集尘吸盘和吸尘器,如图7所示。其中集尘吸盘上面的橡胶垫可以根据钻头直径的不同进行裁剪，钻进时要基本保证橡胶垫和钻管贴合在一起；吸尘器开启后在集尘吸盘内形成负压，将钻进的形成的岩屑吸出来，达到排屑的效果。除此之外，集尘吸盘还具有防止粉尘飘散的作用，能保持钻进现场的清洁。

图7 集尘装置Fig.7 The dust collecting device

4 展望与展望

(1)本文介绍了干式钻进的现状及优点，重点介绍了四种用途的干钻金刚石钻头的规格、特点及使用时的注意事项。

(2)通过对原材料的分析，介绍了干式钻进用金刚石的性能要求，胎体配方设计的依据等。

(3)本文最后介绍了干钻长钻头的钻进系统，包括工作系统、冷却系统和集尘系统。