全自動智能燒結機系統在金剛石鉆頭制造中的應用①

劉碧湘，劉青，吳水平，毛英哲，朱新偉

（1.江西核工業260廠天一公司，江西南昌330002；2.湖北長江精工材料技術有限公司，湖北鄂州436000）

1 前言

人造金剛石鉆頭熱壓燒結過程中，溫度難以準確測量、溫度不能隨時間變化而有效控制，使熱壓出的鉆頭質量很不穩定，很難生產出高質量產品。在德國、韓國、意大利等發達國家，傳統式的憑經驗燒結鉆頭的工藝早已淘汰，幾乎全部采用智能操作系統［1］。國內騰龍、金海威等單位通過合作開發、消化吸收及自主研發等形式已開發出金剛石鉆頭全自動智能燒結設備，并在一些鉆頭生產廠家成功使用，取得了較好效果［2］。

通過與湖北長江精工材料技術有限公司合作，對現有設備進行改造，引入全自動智能燒結機系統，并根據我廠金剛石鉆頭的制造工藝特點和要求，制定燒結工藝及編制工藝曲線。經過大量實驗，確定了鉆頭燒結的三要素——溫度、壓力、時間。應用該全自動智能燒結機系統燒結金剛石鉆頭，不但智能化程度高，可以完全按照預先編制的工藝曲線進行燒結，且實現了一鍵式操作，降低了工人的體力勞動強度。應用該系統燒結出的金剛石鉆頭，不但質量穩定，且鉆頭的使用壽命和鉆進時效都得到了大幅提高，產生了較好的社會經濟效益。

2 全自動電腦控制智能燒結設備系統

2.1 基本原理：

本系統是將中頻電源信號、壓力信號、紅外測溫信號輸入到控制臺內的兩套計算機系統中，其中AI808P的一套計算機系統用于溫度檢測以及溫度控制，另一套計算機系統則控制整個工作過程，并存儲所有工藝參數。在設備工作過程中，兩套計算機系統之間不斷地進行數據傳輸，以協調控制壓力、溫度，保證壓力和溫度隨時間按照工藝要求（工藝曲線）而變化，自動完成鉆頭的燒結過程［1］。系統基本原理見圖1。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Diagram of system principle

2.2 主要設備

整套設備系統由中頻電源、雙柱式壓機、智能控制臺及紅外測溫儀等幾部分組成

2.3 主要技術參數

載入功率： 100k W（可調）

最大壓力： 240k N

二次電壓： 5V、6V、7V

油缸直徑： 160mm

控溫范圍： 400℃～1200℃

控壓范圍： 0.5～16MPa

存儲工藝： 無限（視硬盤大小而定）

遠程監控： 有

工藝組數： 100

溫度－壓力－時間曲線段： 20

圖2 人造金剛石地質鉆頭全自動智能燒結機系統Fig.2 The fully－automatic intelligent sintering system for producing synthetic diamond geological drilling bits

圖3 Φ75繩索取芯鉆頭的燒結工藝Fig.3 Sintering ofΦ75 wire line core drilling bit

3 鉆頭燒結工藝

金剛石地質鉆頭的燒結過程包括，低溫低壓排氣—快速升溫—保溫保壓—保壓降溫—降溫降壓—卸壓出爐等工序環節。在這幾套工序中，每套工序對鉆頭質量都有一定影響。其中以保溫保壓工序中的保溫溫度影響最大。

在以往的鉆頭燒結過程中，一般都是靠手動，憑經驗操作來完成，在最關鍵的溫度調節方面，主要是采用鎳鉻—鎳硅熱電偶進行測溫，因為影響測精度的因素較多，基本上都是靠工人根據石墨模體在不同溫度下的顏色憑個人經驗來調節溫度，至使有的鉆頭燒結溫度偏高，造成過燒；有的則溫度偏低，造成欠燒，人為因素影響較大；在壓力方面，則只能以階梯式突加壓力和突降壓力的加壓方式，且隨意性較強；因而，人為因素會使鉆頭質量產生較大波動。

由于熱電偶與紅外的測溫方式不同，采集點不同，兩者之間還是存在一定差別的，為了找到實際燒結溫度，采用了標準鎳鉻—鎳硅熱電偶與紅外對比測溫方式，經過大量測試，最終找出編制工藝曲線所需要的遠紅外實際顯示溫度。

使用該智能燒結機系統，可以實現原來很多靠人都不可能完成的工序，在工藝編制方面，可以根據最佳的鉆頭燒結需求編制工藝，燒結溫度和壓力均采用了按一定斜率逐漸升高或逐漸降低的工藝，保溫時間則視鉆頭大小、壁厚而定，一般為4～6分鐘。這種按一定斜率逐漸升溫、加壓的工藝，可以使鉆頭在燒結過程中溫度更加均勻、壓力更加平穩，更有利于鉆頭胎體在燒結過程中的致密化和合金化，使鉆頭胎體性能更好。

圖3是Φ75繩索取芯鉆頭的燒結工藝曲線，從圖中可以看出，實際燒結曲線與預先設定的曲線能夠完全吻合，充分顯示了該系統的高度智能化。

4 使用效果

采用全自動智能化金剛石鉆頭燒結系統，其目的就是要最大限度地消除人為因素對金剛石鉆頭整個燒結過程的影響，使鉆頭質量保持一致。通過對普通燒結機和智能燒結機各自燒結的3285只地質鉆頭進行質量統計，鉆頭質量對比情況見表1。

表1 使用智能燒結系統與普通燒結的鉆頭質量統計對比結果Table 1 Statistical result of drilling bit quality after using intelligent sintering system

從鉆頭燒結后的質量對比情況可以看出，鉆頭的報廢率由使用前的6.7%降為1.58%，特別是鉆頭的優質品率由76.9%上升到了為96.3%。報廢品率降低，可降低生產成本，而優質品率的提高則表明產品質量穩定性和產品的整體質量得到了大幅提高。另外，用戶使用智能燒結鉆頭，由于鉆頭性能基本一致，可大幅提高金剛石鉆頭的使用壽命和鉆進時效，產生了較好的經濟效益。

5 鉆頭使用情況

有了新的鉆頭燒結設備、技術，是否能生產出高質量產品，只有經過使用才能進行評定，只有用戶滿意才有市場。近幾年來，利用全自動智能燒結機燒結的各種硬度（耐磨性）人造金剛石地質鉆頭，分別在全國各地各種地層中使用，反映最明顯的就是鉆頭質量的穩定性得到了大幅提高，用戶意見少了，針對質量問題的索賠少了，用戶滿意度得到大幅提高。

某礦區地層為碎斑溶巖和流紋英安巖，巖石可鉆性8－9級，巖層較完整，局部破碎，往年使用我廠Φ56雙管鉆頭，鉆頭使用壽命不足30米，其中最主要的問題在于質量的不穩定，鉆頭時好時壞，雖然大多數鉆頭使用壽命超過40米，但還是有相當一部分鉆頭使用壽命不足10米，且每年都有幾起因鉆頭質量問題而發生的索賠情況，機臺人員意見較大。自使用我廠智能燒結鉆頭后，鉆頭平均壽命達到38米，機臺人員由過去的被動使用我廠鉆頭變為主動使用我廠鉆頭。鉆頭的使用量也較以往增長了30%，且沒有發生過因質量問題要求廠家賠償的情況。

6 結論

（1）在現有設備的基礎上，經過智能化改造，新一代智能燒結機系統完全可以滿足金剛石地質鉆頭燒結要求，其性能達到或超過了國內同類產品水平。

（2）智能化效果好，實現了一鍵式操作，可最大限度地減少人為因素對鉆頭燒結工藝的影響。

（3）使用智能燒結機系統燒結金剛石地質鉆頭，不但可降低產品報廢率，產品優質品率也得到大幅提高，提高了金剛石鉆頭產品質量，產生了較好的經濟效益。

（4）雖使用遠紅外光纖測溫儀進行測溫，比以往的鎳鉻－鎳硅熱電偶測溫更穩定一些，但還是對石墨質量、模具大小、模具新舊程度、表面氧化層厚度等有一定影響，與實際燒結溫度會產生一定誤差，因此還需要人工對燒結溫度進行微調。

［1］ 胡郁樂，等.智能化中頻感應金剛石鉆頭燒結設備的研制［J］.金剛石與磨料磨具工程，2011（3）：53－51.

［2］ 張紹和.金剛石鋸片刀頭配方設計神經網絡專家系統研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2001（6）：33－36.