干鉆金剛石鉆頭及鉆進系統(tǒng)開發(fā)

徐 良,劉一波,朱亞南 ,徐 強,孫延龍

(1.安泰科技股份有限公司，北京 100095;2.北京安泰鋼研超硬材料制品有限責任公司，北京 102200)

0 前言

當前，國內外均越來越重視環(huán)境保護，對污水、粉塵等污染物的治理力度也在不斷加大。金剛石工具加工石材、混凝土及其他建材時大部分在水冷卻的條件下進行，過程中形成的污水、廢渣會對環(huán)境有一定的污染，客觀上要求減少污水的排放。在建筑裝修過程中，一些石材、墻體的加工不能沾水，否則就變色或者被污染不易清洗，這種情況下必須要求金剛石工具在無水的條件下切鉆磨。另外，在干旱缺水或某些特殊場合，在沒有水冷卻的情況下也要求金剛石工具能順利工作。因此，國內外廠家紛紛就干鉆、干切、干磨等金剛石工具進行系統(tǒng)研究，分別推出了干鉆鉆頭、干切鋸片以及釬焊砂輪等。本文重點介紹干式鉆進類金剛石工具，包括干鉆墻磚短鉆頭、干鉆瓷磚釬焊小鉆頭、干鉆石材小鉆頭以及干鉆素混凝土、鋼筋混凝土長鉆頭等[1]。

國內對于干鉆金剛石鉆頭的研究主要集中在對鉆頭結構的研究方面，即在干鉆過程中如何排屑和冷卻鉆頭：如采用波紋型刀頭或者其他異型刀頭結構、基體表面帶螺紋槽等設計；國外除了對金剛石鉆頭結構進行研究外，出于對環(huán)境保護和操作員自身工作環(huán)境的考慮，配套了集塵裝置和空氣冷卻裝置，鉆頭在壓縮空氣冷卻條件下正常工作，集塵裝置使得施工現(xiàn)場沒有粉塵，符合環(huán)保的要求。

1 干鉆金剛石鉆頭結構

1.1 干鉆墻磚短鉆頭

這一類干鉆鉆頭一般用于砌塊、普通墻磚或者耐火磚等硬度較低材料的鉆進，鉆進難度不大，對鉆頭的要求不高。鉆頭直徑Φ25～200mm，長度150～170mm，沒有集塵裝置和壓縮空氣冷卻裝置，因此刀頭和鉆管的設計需要充分考慮散熱、排屑等功能。刀頭的設計需要盡可能地降低刀頭與被鉆材料的接觸面積，既能提高鉆頭的鋒利度，又能及時地將熱量散發(fā)出去，所以一般設計成波紋型刀頭，或者異形刀頭；鉆管的設計主要考慮排屑效果好，所以一般鉆管側面帶螺紋或者帶孔，利于巖屑沿著排屑槽順利排出，如圖1所示。

圖1 干鉆墻磚鉆頭Fig.1 Dry drilling bits for wall brick

1.2 干鉆瓷磚小鉆頭

干鉆瓷磚小鉆頭多為釬焊金剛石小鉆頭，直徑Φ(5～120)mm，但大多數(shù)為直徑Φ(5～14)mm，用于瓷磚膨脹栓打孔的小鉆頭，長度60～80mm。為了散熱，小鉆頭中心需要灌蠟處理。這一類鉆頭的特點是金剛石出露高，鉆進速度快，但壽命相對較短，可用于瓷磚、石材或者混凝土墻面的打孔[2]，如圖2所示。

圖2 干鉆瓷磚鉆頭Fig.2 Dry drilling bits for tile

1.3 干鉆石材小鉆頭

這一類鉆頭多用于燃氣管和水管通過廚房臺面時的鉆孔，直徑多為32～38mm，長度60～90mm，刀頭多為平齒或者波紋齒，鉆進材料為石英石或者人造石，也有少量的天然大理石或花崗巖。要求鉆頭的速度快，壽命長，且崩邊效果滿足要求。這類鉆頭的鉆管外側常釬焊幾根金剛石保護條，如圖3所示。由于鉆頭的轉速在10000r/min以上，對金剛石的熱穩(wěn)定性要求比較高，且該系列鉆頭胎體的散熱也要好。

1.4 干鉆鋼筋混凝土長鉆頭

在所有干鉆鉆頭里面，干鉆鋼筋混凝土長鉆頭(圖4)是開發(fā)難度最大的產品，需要綜合考慮胎體成分、鉆頭結構、冷卻、集塵等多種因素，也是目前歐美市場上最為流行的產品。這一類產品所鉆進的材料包括中硬混凝土(C25)、硬混凝土(C45)及直徑6～20mm的鋼筋，鉆頭直徑25～200mm，刀頭可為平齒或者波紋齒，長度超過400mm；鉆深超過200mm后，鉆頭冷卻和集塵難度增加，要求刀頭與鉆管之間的間隙比常規(guī)濕鉆鉆頭大，鉆頭的齒數(shù)量也要比濕鉆鉆頭少；同時金剛石熱穩(wěn)定好，胎體的散熱性好，鉆進鋼筋時平穩(wěn)。

圖3 干鉆石材鉆頭Fig.3 Dry drilling bits for stone

圖4 干鉆鋼筋混凝土鉆頭Fig.4 Dry drilling bits for reinforced concrete

不同于干鉆短鉆頭，干鉆長鉆頭如果胎體成分不符鉆切對象，或者冷卻和排屑效果不好，在高速旋轉摩擦下，鉆頭刀頭很可能就會燒紅變黑，造成鉆頭的失效，如圖5所示。

圖5 失效的干鉆鉆頭Fig.5 Failed dry drilling bits

2 干鉆金剛石鉆頭原材料

2.1 金剛石參數(shù)

由于干鉆金剛石鉆頭需要承受鉆機高速旋轉產生大量的熱量，巖屑不能及時排出導致刀頭溫度不斷升高等不利因素，所以對金剛石的熱穩(wěn)定性要求非常高；因此一般用于干鉆鉆頭的金剛石，熱沖擊性能(TTI)不能低于80%，靜壓強度不低于280N，且晶型完整。按照經驗數(shù)據(jù)，用于干鉆鉆頭的金剛石濃度較低，其目的是鉆頭刀頭底部排列金剛石的顆數(shù)少，金剛石之間的間距大，利于金剛石的散熱和巖屑的排出[3]。

2.2 胎體成分

針對干鉆墻磚、砌塊等強度較低的材料來說，胎體的硬度中等、耐磨性中等即能滿足鉆進要求，因此此類鉆頭的胎體設計難度不大，一般用銅錫合金，搭配鈷、鎳等粉末即可組成胎體成分，胎體較軟，刀頭的硬度一般為HRB80左右，鉆頭鋒利度好，但壽命不長。

針對硬度較高且?guī)Ы罨炷粱蛘哐心バ院苋醯幕◢弾r的干鉆，鉆頭胎體的選擇就顯得非常重要：既能保證金剛石出刃，又能使金剛石盡可能少的石墨化和破碎、掉落而保持鉆頭具有一定的壽命。近年來鎢銅合金粉末在干鉆鉆頭方面有一些研究和應用[4]，相關應用結果表明：鎢銅合金粉末搭配Ag、Co、Ni等粉末組成胎體成分，能夠有效降低胎體的燒結溫度，提高刀頭的硬度(可達HRB110)，有利于金剛石的出刃，在鉆進鋼筋混凝土和花崗巖時表現(xiàn)出了良好的鋒利度和較長的壽命[5]。

3 干鉆長鉆頭鉆進系統(tǒng)

3.1 鉆進系統(tǒng)

干鉆鉆機的功率1.8～2.2kW，轉速360～660r/min，有些鉆機帶細微的沖擊功能，對于硬質材料鉆進有輔助功能。針對直徑100mm以內的鉆頭，可手持鉆機鉆進，如圖6(a)所示；直徑超過100mm的鉆頭，由于鉆進摩擦力比較大，手持力度不夠，需要配備鉆架輔助鉆進，如圖6(b)所示。

圖6 鉆進系統(tǒng)Fig.6 The drilling system

3.2 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)采用空氣壓縮機，功率7.5kW，可提供0.8MPa、900L/min的壓縮空氣，從鉆頭中間吹入，對鉆頭刀頭進行冷卻。

3.3 集塵系統(tǒng)

集塵系統(tǒng)包括集塵吸盤和吸塵器,如圖7所示。其中集塵吸盤上面的橡膠墊可以根據(jù)鉆頭直徑的不同進行裁剪，鉆進時要基本保證橡膠墊和鉆管貼合在一起；吸塵器開啟后在集塵吸盤內形成負壓，將鉆進的形成的巖屑吸出來，達到排屑的效果。除此之外，集塵吸盤還具有防止粉塵飄散的作用，能保持鉆進現(xiàn)場的清潔。

圖7 集塵裝置Fig.7 The dust collecting device

4 展望與展望

(1)本文介紹了干式鉆進的現(xiàn)狀及優(yōu)點，重點介紹了四種用途的干鉆金剛石鉆頭的規(guī)格、特點及使用時的注意事項。

(2)通過對原材料的分析，介紹了干式鉆進用金剛石的性能要求，胎體配方設計的依據(jù)等。

(3)本文最后介紹了干鉆長鉆頭的鉆進系統(tǒng)，包括工作系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和集塵系統(tǒng)。