石工鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，應(yīng)用石工鉆頭在石工行業(yè)和對(duì)砂石、混凝土和巖石的沖擊鉆孔工作，在全球范圍內(nèi)迅速得到推廣和使用。但由于相對(duì)惡劣的工作環(huán)境和工作過程中的不可控和不可預(yù)見性，在使用過程中鉆頭由于各種不同形式的破壞，從而嚴(yán)重影響了其使用壽命。影響鉆頭壽命的因素除了工作環(huán)境、操作方式、工作壓力以及石材材質(zhì)等外在因素，以及鉆頭鉆桿的材料和硬質(zhì)硬質(zhì)合金刀頭的性能等因素外，鉆頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如硬質(zhì)合金刀頭的外形設(shè)計(jì)及其分布，鉆頭的頭部排屑槽的設(shè)計(jì)，和鉆頭鉆桿的螺旋槽的截面設(shè)計(jì)及螺旋角等，對(duì)提高鉆頭的使用壽命也有很大的影響。

　　1 鉆頭的鉆孔機(jī)理

　　要設(shè)計(jì)好的石工鉆頭結(jié)構(gòu)，我們首先必須了解石工鉆頭的鉆孔機(jī)理。鉆孔時(shí)，鉆頭隨電動(dòng)工具的軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)作軸向移動(dòng)運(yùn)動(dòng)。石工鉆頭主要通過傳遞來自于電動(dòng)工具產(chǎn)生的錘擊沖擊力，而不斷地高頻沖擊石材表面，石材在沖擊作用下產(chǎn)生放射形裂紋源而破裂。同時(shí)石工鉆頭通過傳遞來自于電動(dòng)工具產(chǎn)生的扭矩，破裂的石材在刀頭旋轉(zhuǎn)作用下產(chǎn)生擠壓破碎作用直接將石材切除。同時(shí)在離心力和螺旋槽擠壓作用下，破碎的石材被松碎，形成碎屑?jí)合蚩妆?，同時(shí)沿鉆桿的螺旋槽上升到石材表面。再由離心力的作用將碎屑拋到孔洞周圍，從而完成了鉆孔的過程。

　　2 石工鉆頭的結(jié)構(gòu)分析

　　石工鉆頭主要由作為基體的鉆桿和參與切削作用的硬質(zhì)合金刀齒組成。

　　2.1 石工鉆頭鉆桿結(jié)構(gòu)

　　鉆桿除了主要起傳遞應(yīng)力沖擊波、傳遞扭矩，以及保持和固定硬質(zhì)合金刀齒的作用外，還起著導(dǎo)屑排屑的作用。它在承擔(dān)傳遞扭矩作用的同時(shí)，還要承受來自電錘/沖擊鉆的高頻軸向沖擊作用。在設(shè)計(jì)鉆頭的鉆桿部分時(shí)，首先要保證鉆桿的強(qiáng)度，即其最小部分不僅能承受鉆頭在工作時(shí)的沖擊力，還要能承受扭矩力，尤其是鉆頭在堵轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的瞬間周向沖擊力。鉆桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是頭部排屑槽的設(shè)計(jì)，以及螺旋槽的設(shè)計(jì)。頭部排屑槽主要起將碎屑從刀刃導(dǎo)向螺旋槽的作用，其容屑空間越大越好，導(dǎo)屑距離越短越好，使碎屑能快速導(dǎo)入到螺旋槽內(nèi)，以減少刀刃的磨損，從而延長(zhǎng)鉆頭壽命。對(duì)于螺旋槽的設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明螺旋槽的螺距越小越有利于碎屑的快速排出，也能延長(zhǎng)鉆頭壽命。

　　2.2 石工鉆頭硬質(zhì)合金刀頭

　　硬質(zhì)合金刀頭主要承擔(dān)來自電錘的高頻沖擊波.直接將高頻沖擊波傳遞到被鉆石材表面，并參與切削工作。硬質(zhì)合金刀頭在工作時(shí)的受力情況極為復(fù)雜，在高頻沖擊力作用下.產(chǎn)生彎矩和扭矩，極易造成斷齒或碎齒.所以設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)應(yīng)針對(duì)鉆頭實(shí)際工作情況，選用相應(yīng)的合金牌號(hào)和齒形以及硬質(zhì)合金刀頭的分布。

　　2.2.1 硬質(zhì)合金刀頭的露齒高

　　硬質(zhì)合金刀頭抗彎抗扭能力相對(duì)較差，所以固齒后的露齒高度不能太高，否則在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的彎矩，硬質(zhì)合金刀頭容易發(fā)生折斷現(xiàn)象。同時(shí)，硬質(zhì)合金刀頭在鉆孔時(shí)起沖擊及刮削石材的作用，所以固齒后的露齒高度也不能太低，否則會(huì)降低鉆頭的鉆孔速度，降低鉆孔效率。

　　2.2.2 硬質(zhì)合金刀頭的數(shù)量

　　在設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金刀頭的分布時(shí)應(yīng)盡可能使一面上的硬質(zhì)合金刀頭受力均勻，使硬質(zhì)合金刀頭在一個(gè)有效工作周期內(nèi)能完全連續(xù)切除孔底石材或鋼筋。

　　通常，硬質(zhì)合金刀頭的數(shù)量越多，在鉆孔時(shí)越穩(wěn)定，振動(dòng)越小。如下圖1，2分別是四刃硬質(zhì)合金刀頭和兩刃硬質(zhì)合金刀頭的鉆頭在鉆孔時(shí)的動(dòng)態(tài)振動(dòng)信號(hào)，從圖片中可以看出四刃刀頭的鉆頭在鉆孔時(shí)的更加穩(wěn)定，有利于提高鉆孔質(zhì)量，提高鉆孔效率及鉆頭壽命。

　　但是硬質(zhì)合金刀頭的數(shù)量越多，鉆頭成本也越高，同時(shí)也會(huì)影響到排屑槽及螺旋槽的排屑效率，因此在保證切削有效的情況下，應(yīng)合理地布置硬質(zhì)合金刀頭。鉆頭硬質(zhì)合金刀頭的最小數(shù)量，即在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)保證石材切除的理想的刀頭數(shù)量，可以按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算加以確定。

　　如果刀頭數(shù)量偏少，那么就會(huì)出現(xiàn)在第一個(gè)沖擊頻次內(nèi)不能全部切除的石材.在第二個(gè)沖擊頻次到來后，硬質(zhì)合金刀頭在相同進(jìn)給量的情況下.既要完成本次沖擊的石材/鋼筋的切除任務(wù)，又要切除前一個(gè)沖擊頻次未切除的石材/鋼筋，這樣使硬質(zhì)合金刀頭瞬時(shí)受力急劇增加，當(dāng)超過硬質(zhì)合金的強(qiáng)度極限時(shí).會(huì)造成硬質(zhì)合金刀頭的斷裂而導(dǎo)致鉆頭報(bào)廢。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金刀頭分布數(shù)量時(shí)要乘上一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)k以消除這種可能.也就是說在一個(gè)沖擊頻次內(nèi)，各硬質(zhì)合金刀頭的切削軌跡弧長(zhǎng)總和大于硬質(zhì)合金刀頭所在圓周周長(zhǎng)，這樣既能保證完全切除石材/鋼筋又能適當(dāng)減少每顆齒的受力情況而防止因切削阻力瞬時(shí)過大造成的破壞。當(dāng)然硬質(zhì)合金刀頭的數(shù)量也不是越多越好，硬質(zhì)合金刀頭多了除了增加鉆頭的成本外.還增加了鉆頭工作過程中的摩擦阻力，同時(shí)也減少了鉆頭的整個(gè)排屑空間，不利于排屑。設(shè)計(jì)合理的硬質(zhì)合金刀頭數(shù)量，有利于提高鉆頭的使用壽命。

　　結(jié)論

　　為使鉆頭有合理的壽命，石工鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：

　?。?） 鉆桿 頭部排屑槽，導(dǎo)屑距離越短越好；螺旋槽的螺距應(yīng)盡量的小；

　?。?） 硬質(zhì)合金刀頭 設(shè)計(jì)露齒高時(shí)應(yīng)綜合考慮刀頭強(qiáng)度及鉆孔效率；刀頭數(shù)量及布置應(yīng)設(shè)計(jì)合理。