國內(nèi)金剛石工程薄壁鉆臺架對比鉆進實驗研究

鄧福銘,王博,鄧雯麗,周小彥,,趙燁,劉波,張紅林

(1.中國礦業(yè)大學(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083; 2.河北小蜜蜂工具集團有限公司,河北石家莊 050800)

國內(nèi)金剛石工程薄壁鉆臺架對比鉆進實驗研究

鄧福銘1,王博1,鄧雯麗1,周小彥2,1,趙燁1,劉波1,張紅林2

(1.中國礦業(yè)大學(北京)超硬刀具材料研究所,北京 100083; 2.河北小蜜蜂工具集團有限公司,河北石家莊 050800)

使用壽命長短以及鉆切效率高低是衡量金剛石工程薄壁鉆的使用性能優(yōu)劣的重要指標。采用新工藝制備的金剛石工程薄壁鉆與傳統(tǒng)熱壓工藝生產(chǎn)的國內(nèi)某著名廠家產(chǎn)品進行了鋼筋混凝土臺架鉆切對比實驗,結(jié)果表明,新工藝制備的1#鉆頭的鉆孔數(shù)為94孔,其耐磨性比目前國內(nèi)使用壽命最長的產(chǎn)品高51.6%,且鉆速基本上與之相當,屬于高耐磨型產(chǎn)品;3#鉆頭的平均鉆進時間為12.3min/孔,鉆速為19.5mm/min,與國內(nèi)鉆速最高的產(chǎn)品相當,但其使用壽命相比卻提高52%,屬于高效鉆切型產(chǎn)品;2#鉆頭的鉆孔數(shù)為72孔,平均鉆速為17.7mm/min,其耐磨性和鉆進速度分別比國內(nèi)最先進產(chǎn)品提高了29%～32%和26%～33%,實驗證實了該工藝方法制備的金剛石工程薄壁鉆頭具有高效、長壽命的特點,克服了傳統(tǒng)熱壓燒結(jié)技術(shù)產(chǎn)品耐磨性與鉆速不可兼得的矛盾。

金剛石工程薄壁鉆;鋼筋混凝土;鉆削;使用壽命;鉆進速度

0 引言

金剛石工程薄壁鉆是我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)及建筑工程行業(yè)的常用工具[1-4],衡量金剛石工程薄壁鉆的使用性能優(yōu)劣主要表現(xiàn)在兩個方面:一是金剛石工程薄壁鉆使用壽命的長短,反映在實際使用中就是每個金剛石薄壁鉆所能鉆切的鋼筋混凝土孔數(shù)或平均每孔鋼筋混凝土磨耗的刀頭高度[5]。金剛石工程薄壁鉆所能鉆切的鋼筋混凝土的孔數(shù)越多,每孔磨耗的金剛石薄壁鉆刀頭高度越少,則說明該鉆頭的使用壽命越長。二是金剛石工程薄壁鉆的鉆切效率,反映在實際使用中就是每個金剛石工程薄壁鉆鉆切鋼筋混凝土時的鉆切速度或每孔鉆進時間。金剛石工程薄壁鉆鉆切鋼筋混凝土時鉆切速度越快,平均每孔鉆進時間越短,則說明該鉆頭的鉆切效率越高。優(yōu)質(zhì)金剛石工程薄壁鉆,不僅要追求較長的使用壽命而且更要追求較高的鉆切效率,但傳統(tǒng)金剛石工程薄壁鉆的使用壽命和鉆切效率之間又是此消彼長的關(guān)系[6],實際生產(chǎn)經(jīng)驗表明,采用熱壓法制備的金剛石工程薄壁鉆要想提高其鉆進速度則必須以犧牲其耐磨性為代價。因此如何制備高效長壽命的金剛石工程薄壁鉆已成為國內(nèi)所有鉆頭廠家所面臨的技術(shù)性難題。本實驗通過創(chuàng)新工藝方法制備了新型金剛石薄壁鉆頭,并與國內(nèi)主要廠家的金剛石工程薄壁鉆進行了鋼筋混凝土臺架鉆進對比實驗,對比分析新型金剛石工程薄壁鉆頭與傳統(tǒng)產(chǎn)品的性能差異,以期解決傳統(tǒng)金剛石工程薄壁鉆二者不可兼得的矛盾。

1 實驗方案

實驗選用三組應(yīng)用新工藝制備的Φ63mm金剛石工程薄壁鉆分別定為1#、2#、3#鉆頭,通過市場調(diào)研選取國內(nèi)四個著名廠家同規(guī)格的五種類型的金剛石工程薄壁鉆作為比較對象,分別命名為4#、5 #、6#、7#、8#鉆頭,以作鉆進性能對比測試。被選取樣品的四家公司均為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)軍企業(yè),其生產(chǎn)的金剛石工程薄壁鉆頭代表國內(nèi)領(lǐng)先技術(shù)水平。將以上八種金剛石工程薄壁鉆頭進行臺架鉆進實驗,實驗測試對象為含Φ18mm鋼筋、上下四層依次縱橫排列的鋼筋混凝土塊,同一平面鋼筋依次平行排列,混凝土塊高度240mm,鋼筋水平排布間距80mm。分別記錄每種鉆頭的打孔數(shù)目、每孔磨耗、每孔鉆進時間,最后計算每種鉆頭的平均鉆頭磨耗、平均每孔鉆進時間以及平均鉆切速度,以對比分析八種金剛石工程薄壁鉆頭的使用性能。實驗結(jié)果如表1所示。

表1 八種金剛石工程薄壁鉆的使用性能Table 1 The performance of eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

2 臺架實驗結(jié)果分析與討論

2.1 國內(nèi)金剛石工程薄壁鉆的耐磨性和使用壽命對比

圖1為八種金剛石工程薄壁鉆在打孔數(shù)上的對比分析柱狀圖。從圖中可知,某公司一4#、5#鉆頭的打孔數(shù)目分別為43和61孔。某公司二6#鉆頭的打孔數(shù)目與5#鉆頭的打孔數(shù)目相當,為62孔。某公司三7#鉆頭的打孔數(shù)目比5#鉆頭和7#鉆頭的打孔數(shù)目低,為51孔。打孔數(shù)目最少的是某公司四的8#鉆頭,打孔數(shù)僅為27孔。本實驗研制的1#金剛石工程薄壁鉆的打孔數(shù)為94孔,比目前實驗選取的最好的金剛石工程薄壁鉆5#鉆頭和7#鉆頭的打孔數(shù)(61和62孔),分別多出33和32孔,使用壽命分別提高54.1%和51.6%。研制的2#金剛石工程薄壁鉆的打孔數(shù)為72孔,比5#鉆頭和7#鉆頭的打孔數(shù)分別多出11和10孔,使用壽命分別提高18%和16.1%。說明新工藝制備的金剛石工程薄壁鉆頭,其使用壽命已超過國內(nèi)目前的最高水平。

圖1 八種金剛石工程薄壁鉆的打孔數(shù)Fig.1 total drill hole number of the eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

圖2為八種金剛石工程薄壁鉆在平均每鉆一孔后的鉆頭磨耗對比。從圖中可以看出,4#、5#鉆頭平均每孔鉆頭磨耗為0.160～0.167mm/孔。6#鉆頭平均每孔鉆頭磨耗為0.098 mm/孔,比4#、5#鉆頭的平均每孔鉆頭磨耗低0.062～0.069mm/孔。7#鉆頭的平均每孔鉆頭磨耗為0.155mm/孔,比 4#、5#鉆頭的平均每孔鉆頭磨耗略小,比6#鉆頭平均每孔鉆頭磨耗高0.057mm/孔。8#鉆頭平均每孔磨耗最高,達到0.284mm/孔,最不耐磨。本實驗研制的1#金剛石工程薄壁鉆的平均每孔鉆頭磨耗最少,僅為0.087mm/孔,比5#鉆頭降低48%,比6 #鉆頭的平均每孔鉆頭磨耗降低11%,比7#、8#鉆頭分別降低44%和69%。實驗研制的2#金剛石工程薄壁鉆的平均每孔胎體磨耗也較低,為0.113mm/孔,與6#鉆頭的平均每孔鉆頭磨耗相接近,比4#、7#鉆頭分別降低27%和32%,比8#鉆頭降低60%。這些數(shù)據(jù)說明新工藝制備的金剛石工程薄壁鉆頭,其平均鉆頭磨耗低,耐磨性已達到甚至超過國內(nèi)最好水平。

圖2 八種金剛石工程薄壁鉆頭的平均磨耗Fig.2 The average abrasion of the eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

綜合圖1和圖2可以得出,本實驗所研制的1#和2#金剛石工程薄壁鉆頭的耐磨性比國內(nèi)最耐磨的6#產(chǎn)品分別高出51.6%和16.1%,是國內(nèi)其它公司產(chǎn)品的2～3倍,說明本實驗所研制的1#、2#金剛石工程薄壁鉆的使用壽命長,具有高耐磨型產(chǎn)品的特征。

2.2 國內(nèi)金剛石工程薄壁鉆頭的鉆進速率對比

圖3 八種金剛石工程薄壁鉆的平均每孔鉆進時間Fig.3 The average drilling time per hole of the eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

圖4 八種金剛石工程薄壁鉆的平均鉆切速度Fig.4 The average drill rate of the eight kinds of diamond engineering thin-walled drill bits

圖3為八種金剛石薄壁鉆平均每孔鉆進時間的對比,圖4為八種金剛石薄壁鉆頭平均鉆切速度對比。從圖3和圖4可以看出,在國內(nèi)四廠家產(chǎn)品中,某廠家四8#鉆頭的鉆進速度最快,達到19.2mm/ min,平均用時最短,為每孔12.5min;其次是6#、7 #鉆頭,平均鉆速分別為17.2mm/min和17.4mm/ min,平均用時分別為每孔13.9min和13.8min。本實驗研制的1#金剛石工程薄壁鉆的平均鉆進時間為18min/孔,鉆切速度為13.3mm/min,每孔鉆進耗時和平均鉆速基本上與4#、5#鉆頭相當,平均鉆切速度比6#、7#、8#鉆頭的稍低。本實驗研制的3#鉆頭的平均鉆進時間為12.3min/孔,鉆切速度為19.5mm/min,鉆進速率為八組鉆頭中最高的,與國內(nèi)鉆速最快的某公司四8#鉆頭相當。本實驗研制的2#鉆頭的平均鉆進時間為13.5min/孔,鉆速為17.7mm/min,比3#鉆頭鉆速略低,但仍高于其他公司產(chǎn)品。說明本實驗制備的2#、3#鉆頭,其鉆進效率已達到甚至超過國內(nèi)最好水平,屬于高效鉆切型金剛石工程薄壁鉆頭。

綜上所述,1#鉆頭生產(chǎn)工藝制備的金剛石工程薄壁鉆胎體層耐磨且對金剛石的包鑲能力強,總鉆孔數(shù)達到94孔,其平均每孔鉆頭磨耗最少,僅為0.087mm/孔,其鉆頭磨耗低,優(yōu)于國內(nèi)其它廠家同類產(chǎn)品,且其鉆切速度與國內(nèi)某廠家一的兩種型號的產(chǎn)品基本接近,具有使用壽命長、經(jīng)久耐用特點。3#鉆頭生產(chǎn)工藝制備的金剛石工程薄壁鉆鉆切速度高達19.5mm/min,且使用壽命也達到了41孔,明顯領(lǐng)先于國內(nèi)某公司四的鋒利型金剛石工程薄壁鉆產(chǎn)品,其鉆頭具有鋒利度高、鉆切效率高的特點,屬于新一代鋒利型產(chǎn)品。2#鉆頭生產(chǎn)工藝制備的金剛石工程薄壁鉆頭綜合了前兩者的優(yōu)點,鉆孔數(shù)達到72個,平均每孔磨耗僅為0.113mm,平均鉆速高達17.7mm/ min,該工藝制備的鉆頭具有鉆切效率高、使用壽命長的特點,其產(chǎn)品突破了目前金剛石工程薄壁鉆的性能局限,在未來的市場競爭中優(yōu)勢明顯,是目前國內(nèi)最好的高效長壽命金剛石工程薄壁鉆產(chǎn)品。

3 結(jié)論

(1)本實驗所研制的1#金剛石工程薄壁鉆頭的耐磨性是國內(nèi)其它公司產(chǎn)品的2～3倍,其使用壽命比目前國內(nèi)使用壽命最長的7#產(chǎn)品高出51.6%,且鉆進速度基本上與4#、5#鉆頭相當,說明本實驗所研制的1#金剛石工程薄壁鉆的耐磨性高,具有使用壽命長的特征,屬于高耐磨型產(chǎn)品。

(2)本實驗所研制的2#金剛石工程薄壁鉆頭的鉆孔數(shù)高達72個,平均每孔磨耗僅為0.113mm,平均鉆速高達17.7mm/min,其耐磨性較4#、5#鉆頭分別提高了32%和29%,切割速度較4#、5#鉆頭分別提高了33%、26%,說明本實驗制備的2#鉆頭無論是耐磨性還是鉆速都達到了國內(nèi)金剛石工程薄壁鉆的領(lǐng)先水平,屬于高效長壽命兼顧型金剛石工程薄壁鉆。

(3)本實驗研制的3#金剛石工程薄壁鉆的平均鉆進時間為12.3min/孔,鉆切速度為19.5mm/min,其鉆速與國內(nèi)鉆速最高的8#鉆頭相當,但使用壽命為41孔,比8#鉆頭提高52%,說明本實驗制備的3 #金剛石工程薄壁鉆頭屬于高效鉆切型鉆頭。

[1] 張所邦,周玉龍.金剛石薄壁鉆技術(shù)的發(fā)展與展望[J].探礦工程(巖土鉆掘工程),2003,(S1):187-189.

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[3] 王智慧,謝志剛,郭樺,楊奇琦,周新翔.鋼筋混凝土金剛石薄壁鉆頭用結(jié)合劑及金剛石的研究[J].超硬材料工程,2006,18 (5):11-14.

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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

鄧福銘(1963-),男,所長,教授/博導(dǎo),主要從事金剛石等超硬材料及其應(yīng)用研究。E-mail:dfm@cumtb.edu.cn

國家自然科學基金(No.51172278);北京市自然科學基金聯(lián)合基金(15L00025);石家莊市科技支撐計劃(141080831A)

鄧福銘,王博,鄧雯麗,等.國內(nèi)金剛石工程薄壁鉆臺架對比鉆進實驗研究[J].超硬材料工程,2015,27(1):1-5.