孕镶金刚石钻头中有序排列参数的确定
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基金项目： 武汉市科技攻关项目资助（ 项目编号： 200910321113 ）
*
22
金Hale Waihona Puke Baidu石与磨料磨具工程
总第 179 期
with ordered arrangement of diamonds can be achieved by using the template method or electromagnetic adsorption approach． Keywords ordered arrangement； horizontal distance； overlapping distance； vertical distance 个切削体的破碎岩石示意图。
理， 对金刚石有序排列的横向和纵向间距进行了分析设计和计算 。分析表明： 金刚石的粒径 d 和金刚石 的横向间距 l 影响着破碎坑的直径 D， 而纵向间距 s 则影响着金刚石的自锐性能。 间距计算结果表明， 金刚石颗粒的横向间距合理值为 （ 1 ～ 4 / 3 ） D ， 其中 D = （ 2 ． 8 ～ 3 ． 1 ） d ； 搭接高度 h = （ 1 / 3 ～ 1 / 2 ） d ， 纵 以及应用不同的工艺制作钻头时， 金刚石的横向和纵 向间距 s = （ 1 / 2 ～ 2 / 3 ） d。 针对具体不同的岩层， 向间距值应作适当的调整。在确定合理间距值的前提下， 可通过模板法， 电磁吸附法等， 实现有序排列 金刚石钻头的产业化。 关键词 有序排列； 横向间距； 搭接高度； 纵向间距 TQ164 ； TG74 文献标识码 A DOI 编码 10． 3969 / j． issn． 1006 － 852X． 2010． 05． 005 中图分类号
章文姣
1
*
段隆臣
2
叶宏煜
3
杨凯华
2
（ 1． 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉 430074 ） （ 2． 中国地质大学工程学院，武汉 430074 ） （ 3． 武汉万邦激光金刚石工具有限公司，武汉 430056 ）
摘要
有序排列技术既可以降低原料成本 ， 又可以提高工具的寿命和效率。 结合金刚石钻头的碎岩机
Fig． 1 图1 相邻两个切削体的碎岩示意图
The sketch map of rock disintegration with two
adjacent cutting units
相邻的两个切削体之间的合理距离， 取决于所钻 岩石的性质和切削体本身的几何尺寸与机械性能 。 岩 石性质不同， 则单个切削体在造成一次大剪切的条件 差别甚大。 为了避免切 下产生的最大破碎穴的尺寸， 削体布置过密而剪切发育不充分 （ 能力未得到充分地 利用） ， 以及相邻两个切削体之间的间距过大造成中间 部分不能破碎而产生的岩脊， 文献
［1 ］
， 但是也并未实现产业化。 不同工具工作
环境和对象不一样， 其受力也不一样。 例如锯片一般 工作对象相对 是对石材进行加工或者路面进行切割， 统一， 锯片转速较快， 冷却效果也较好。而钻头在孔底 钻进对象变化不一， 钻具转速较慢， 冷却效果 钻进时， 也相对较差， 金刚石钻头的受力与锯片的受力完全不 一样。本文通过结合金刚石钻头在孔底的碎岩机理， 借鉴有序排列锯片的成功运用， 对钻头中的金刚石进 行有序排列设计， 以期望快速实现有序排列金刚石钻 头的产业化。 有序排列模板的设计与钻头中金刚石的受力密切 而金刚石的受力又与钻头的碎岩机理密不可分 。 相关，
［3 ］
通过分析认为， 相
1
1． 1
孕镶金刚石钻头碎岩机理
球体压模压入时的岩石破碎机理 不同形状的切削体具有不同的破碎机理， 如直径
邻切削体之间的适宜间距应当是在 1 / 2 （ D1 + D2 ） 和 2 / 3 （ D1 + D2 ） 之间。其中 D1 、 D2 分别为两个相邻的切 削体破碎岩石产生一次大剪切时， 破碎穴的直径。 若 则 D1 = D2 。 切削体的外形尺寸相似， 1． 3 二向载荷作用下的岩石破碎机理 金刚石钻头在孔底钻进时， 一般是回转钻进， 岩石 的破碎实际上是在垂直和水平荷载同时作用下发生 的。金刚石单纯压入破碎岩石， 远比在轴向载荷和回 转载荷共同作用时困难。 据资料显示
图2 Fig． 2 单颗金刚石在二向载荷作用下破碎岩石 Single diamond cuts rock with two loads
（ 3）
4 D］ ， 即 3 （ 4）
1 ． 11 ＜ l ＜ 1． 47 mm
当用钎焊法制作金刚石钻头时， 钎料包镶金刚石 的能力较强， 且钻头在实际工作过程中还有回转力矩 ， 破碎岩石比只有轴向载荷破碎要容易得多 ， 因此设计 有序排列模板时， 金刚石颗粒之间的间距， 可按公式 （ 4 ） 较大值确定， 取 l = 1． 4 mm。56． 5 /39 mm 钻头胎 体径向宽度为 8． 75 mm， 则刻取该宽度时所需金刚石 切削线的条数为： W= 8． 75 mm = 6． 25 ≈6 条 1． 4 mm
影响到金刚石的出刃情况， 若纵向距离太小， 则上一层
图3 Fig． 3 diamond 有序排布金刚石参数设计示意图
2010 年 10 月 第 5 期 第 30 卷 总第 179 期
金刚石与磨料磨具工程 Diamond ＆ Abrasives Engineering
No． 5
Oct． 2010 Vol． 30 Serial． 179
文章编号： 1006 － 852X（ 2010 ） 05 － 0021 － 05
孕镶金刚石钻头中有序排列参数的确定
0
引言
近年来在金刚石工具产业， 对金刚石进行有序排
列已成为了热点。 有序排列技术既可以降低原料成 本， 又可以提高工具的寿命和效率， 因此越来越多的企 业和科研工作者对该工作进行了研究。 在锯片、 磨轮 等金刚石工具行业已经实现了有序排列技术产业化 ， 但是在地质金刚石钻头中， 该项技术还尚未成功运用， 虽有报导
间距应有不同设计， 因为不同岩 针对不同的岩石， 间距 石的破碎坑直径有所变化。 钻进硬脆性岩石时， 可稍微大些， 而钻进坚硬致密弱研磨性地层时 ， 金刚石 颗粒间的距离应该小些， 为使金刚石能够侵入岩石， 可 增加单颗金刚石的轴向钻压。
3
有序排列纵向间距设计
金刚石层与层之间的距离称为纵向距离 s， 它直接
service life and efficiency of tool． The horizontal and vertical spacing of diamond grains with regular pattern were analyzed and calculated considering the cutting mechanism of diamond bit． It is shown that both particle size（ d） and horizontal interparticle distance（ l） of diamond affect the diameter of cutting valley （ D ） while the vertical interparticle distance（ s） affects the performance of selfsharpening of diamond． The results of distance calculation indicate that the reasonable value of horizontal distance between diamond particles is （ 1 ～ 4 / 3 ） D， where D = （ 2 ． 8 ～ 3 ． 1 ） d ，the overlapping height h = （ 1 / 3 ～ 1 / 2 ） d ，and the vertical spacing of diamond s = （ 1 / 2 ～ 2 / 3 ） d． The value of both horizontal and vertical distances between diamond particles should be appropriately adjusted when drilling in different rock formations or using various techniques for diamond fabrication． Based upon the determination of reasonable distance values，the industrialization of diamond bit
由以上金刚石钻头碎岩理论分析可知， 金刚石钻 头的钻进效率与金刚石的浓度以及排列方式密切相 因而对金刚石的排布进行合理的设计显得非常重 关， 要。
2
有序排列横向间距设计
假设钻头唇面的金刚石粒度分布均匀， 如图 3 所
示。以垂直于钻头唇面的单元为例， 计算金刚石有序 横向距离。 金刚石颗粒之间的横向距离的 排列纵向、 大小决定了破碎岩石的范围， 纵向距离的大小决定了 金刚石层与层之间的及时出刃。
第5 期
章文姣等： 孕镶金刚石钻头中有序排列参数的确定
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则在只有轴向压力的情况下， 单颗金刚石破碎岩 石的影响直径 D 为： D = 2 ． 9 d = 2 ． 9 × 0 ． 38 = 1． 11 mm D1 = D2 ， 假设金刚石粒径均匀， 则两颗金刚石之 间的合理间距为： 1 2 l∈［ （ D1 + D2 ） ～ （ D1 + D2） ］ mm 2 3 l∈［ D～
The determination of parameters for ordered arrangement of diamonds in impregnated diamond bit
Zhang Wenjiao1 Duan longchen2 Ye Hongyu3 Yang Kaihua2
（ 1 ． Engineering Research Center of RockSoil Drilling ＆ Excavation and Protection， Ministry of Education，Wuhan 430074 ，China） （ 2 ． Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074 ， China） （ 3 ． Wuhan Wanbang Laser Diamond Tools Company，Wuhan 430056 ，China） Abstract Technology of ordered arrangement not only reduces the cost of raw materials but also improves the
［3 ］
其与岩石破碎坑直径 D 的关系 为 d 的半球形压头， 为
［2 ］
： D = 2． 8 ～ 3． 1 （ 脆性岩石） d （ 1）
孕镶金刚石钻头在钻进过程中， 金刚石一部分被 胎体包镶着， 另一部分出露刻取岩石， 金刚石钻头的出 刃（ 当其最佳状态出现时 ） 认为是浑圆状与岩石相接 触， 接触面为半球形， 其工作状态与半球形压头相似。 1． 2 多个压入载荷作用下的岩石破碎机理 当同时在岩石表面上作用着两个或两个以上的荷 其总的破碎效果取决于变形交叉带的性质。 孕 载时， 镶金刚石钻头在孔底钻进时， 有着无数颗金刚石参与 磨削破碎工作， 其破碎机理与之类似。 图 1 为相邻两
， 当轴向载荷
达到使岩石出现赫兹裂纹所需载荷的 1 /5 甚至 1 /10 时， 若再施加少量水平载荷， 岩石便可出现破裂缝。 在 合理的钻压和转速条件下， 金刚石在轴向载荷 P 作用 形成破碎穴； 同时， 在回转载荷 R J 作 下压入破碎岩石， 用下， 金刚石克服本身与岩石的摩擦力 T， 并以一定的 转速持续旋转运动， 使其前面的岩石产生大体积剪切， 后部的岩石产生张力破碎（ 见图 2 所示） 。
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金Hale Waihona Puke Baidu石与磨料磨具工程
总第 179 期
with ordered arrangement of diamonds can be achieved by using the template method or electromagnetic adsorption approach． Keywords ordered arrangement； horizontal distance； overlapping distance； vertical distance 个切削体的破碎岩石示意图。
理， 对金刚石有序排列的横向和纵向间距进行了分析设计和计算 。分析表明： 金刚石的粒径 d 和金刚石 的横向间距 l 影响着破碎坑的直径 D， 而纵向间距 s 则影响着金刚石的自锐性能。 间距计算结果表明， 金刚石颗粒的横向间距合理值为 （ 1 ～ 4 / 3 ） D ， 其中 D = （ 2 ． 8 ～ 3 ． 1 ） d ； 搭接高度 h = （ 1 / 3 ～ 1 / 2 ） d ， 纵 以及应用不同的工艺制作钻头时， 金刚石的横向和纵 向间距 s = （ 1 / 2 ～ 2 / 3 ） d。 针对具体不同的岩层， 向间距值应作适当的调整。在确定合理间距值的前提下， 可通过模板法， 电磁吸附法等， 实现有序排列 金刚石钻头的产业化。 关键词 有序排列； 横向间距； 搭接高度； 纵向间距 TQ164 ； TG74 文献标识码 A DOI 编码 10． 3969 / j． issn． 1006 － 852X． 2010． 05． 005 中图分类号
章文姣
1
*
段隆臣
2
叶宏煜
3
杨凯华
2
（ 1． 岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉 430074 ） （ 2． 中国地质大学工程学院，武汉 430074 ） （ 3． 武汉万邦激光金刚石工具有限公司，武汉 430056 ）
摘要
有序排列技术既可以降低原料成本 ， 又可以提高工具的寿命和效率。 结合金刚石钻头的碎岩机
Fig． 1 图1 相邻两个切削体的碎岩示意图
The sketch map of rock disintegration with two
adjacent cutting units
相邻的两个切削体之间的合理距离， 取决于所钻 岩石的性质和切削体本身的几何尺寸与机械性能 。 岩 石性质不同， 则单个切削体在造成一次大剪切的条件 差别甚大。 为了避免切 下产生的最大破碎穴的尺寸， 削体布置过密而剪切发育不充分 （ 能力未得到充分地 利用） ， 以及相邻两个切削体之间的间距过大造成中间 部分不能破碎而产生的岩脊， 文献
［1 ］
， 但是也并未实现产业化。 不同工具工作
环境和对象不一样， 其受力也不一样。 例如锯片一般 工作对象相对 是对石材进行加工或者路面进行切割， 统一， 锯片转速较快， 冷却效果也较好。而钻头在孔底 钻进对象变化不一， 钻具转速较慢， 冷却效果 钻进时， 也相对较差， 金刚石钻头的受力与锯片的受力完全不 一样。本文通过结合金刚石钻头在孔底的碎岩机理， 借鉴有序排列锯片的成功运用， 对钻头中的金刚石进 行有序排列设计， 以期望快速实现有序排列金刚石钻 头的产业化。 有序排列模板的设计与钻头中金刚石的受力密切 而金刚石的受力又与钻头的碎岩机理密不可分 。 相关，
［3 ］
通过分析认为， 相
1
1． 1
孕镶金刚石钻头碎岩机理
球体压模压入时的岩石破碎机理 不同形状的切削体具有不同的破碎机理， 如直径
邻切削体之间的适宜间距应当是在 1 / 2 （ D1 + D2 ） 和 2 / 3 （ D1 + D2 ） 之间。其中 D1 、 D2 分别为两个相邻的切 削体破碎岩石产生一次大剪切时， 破碎穴的直径。 若 则 D1 = D2 。 切削体的外形尺寸相似， 1． 3 二向载荷作用下的岩石破碎机理 金刚石钻头在孔底钻进时， 一般是回转钻进， 岩石 的破碎实际上是在垂直和水平荷载同时作用下发生 的。金刚石单纯压入破碎岩石， 远比在轴向载荷和回 转载荷共同作用时困难。 据资料显示
图2 Fig． 2 单颗金刚石在二向载荷作用下破碎岩石 Single diamond cuts rock with two loads
（ 3）
4 D］ ， 即 3 （ 4）
1 ． 11 ＜ l ＜ 1． 47 mm
当用钎焊法制作金刚石钻头时， 钎料包镶金刚石 的能力较强， 且钻头在实际工作过程中还有回转力矩 ， 破碎岩石比只有轴向载荷破碎要容易得多 ， 因此设计 有序排列模板时， 金刚石颗粒之间的间距， 可按公式 （ 4 ） 较大值确定， 取 l = 1． 4 mm。56． 5 /39 mm 钻头胎 体径向宽度为 8． 75 mm， 则刻取该宽度时所需金刚石 切削线的条数为： W= 8． 75 mm = 6． 25 ≈6 条 1． 4 mm
影响到金刚石的出刃情况， 若纵向距离太小， 则上一层
图3 Fig． 3 diamond 有序排布金刚石参数设计示意图
2010 年 10 月 第 5 期 第 30 卷 总第 179 期
金刚石与磨料磨具工程 Diamond ＆ Abrasives Engineering
No． 5
Oct． 2010 Vol． 30 Serial． 179
文章编号： 1006 － 852X（ 2010 ） 05 － 0021 － 05
孕镶金刚石钻头中有序排列参数的确定
0
引言
近年来在金刚石工具产业， 对金刚石进行有序排
列已成为了热点。 有序排列技术既可以降低原料成 本， 又可以提高工具的寿命和效率， 因此越来越多的企 业和科研工作者对该工作进行了研究。 在锯片、 磨轮 等金刚石工具行业已经实现了有序排列技术产业化 ， 但是在地质金刚石钻头中， 该项技术还尚未成功运用， 虽有报导
间距应有不同设计， 因为不同岩 针对不同的岩石， 间距 石的破碎坑直径有所变化。 钻进硬脆性岩石时， 可稍微大些， 而钻进坚硬致密弱研磨性地层时 ， 金刚石 颗粒间的距离应该小些， 为使金刚石能够侵入岩石， 可 增加单颗金刚石的轴向钻压。
3
有序排列纵向间距设计
金刚石层与层之间的距离称为纵向距离 s， 它直接
service life and efficiency of tool． The horizontal and vertical spacing of diamond grains with regular pattern were analyzed and calculated considering the cutting mechanism of diamond bit． It is shown that both particle size（ d） and horizontal interparticle distance（ l） of diamond affect the diameter of cutting valley （ D ） while the vertical interparticle distance（ s） affects the performance of selfsharpening of diamond． The results of distance calculation indicate that the reasonable value of horizontal distance between diamond particles is （ 1 ～ 4 / 3 ） D， where D = （ 2 ． 8 ～ 3 ． 1 ） d ，the overlapping height h = （ 1 / 3 ～ 1 / 2 ） d ，and the vertical spacing of diamond s = （ 1 / 2 ～ 2 / 3 ） d． The value of both horizontal and vertical distances between diamond particles should be appropriately adjusted when drilling in different rock formations or using various techniques for diamond fabrication． Based upon the determination of reasonable distance values，the industrialization of diamond bit
由以上金刚石钻头碎岩理论分析可知， 金刚石钻 头的钻进效率与金刚石的浓度以及排列方式密切相 因而对金刚石的排布进行合理的设计显得非常重 关， 要。
2
有序排列横向间距设计
假设钻头唇面的金刚石粒度分布均匀， 如图 3 所
示。以垂直于钻头唇面的单元为例， 计算金刚石有序 横向距离。 金刚石颗粒之间的横向距离的 排列纵向、 大小决定了破碎岩石的范围， 纵向距离的大小决定了 金刚石层与层之间的及时出刃。
第5 期
章文姣等： 孕镶金刚石钻头中有序排列参数的确定
23
则在只有轴向压力的情况下， 单颗金刚石破碎岩 石的影响直径 D 为： D = 2 ． 9 d = 2 ． 9 × 0 ． 38 = 1． 11 mm D1 = D2 ， 假设金刚石粒径均匀， 则两颗金刚石之 间的合理间距为： 1 2 l∈［ （ D1 + D2 ） ～ （ D1 + D2） ］ mm 2 3 l∈［ D～
The determination of parameters for ordered arrangement of diamonds in impregnated diamond bit
Zhang Wenjiao1 Duan longchen2 Ye Hongyu3 Yang Kaihua2
（ 1 ． Engineering Research Center of RockSoil Drilling ＆ Excavation and Protection， Ministry of Education，Wuhan 430074 ，China） （ 2 ． Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074 ， China） （ 3 ． Wuhan Wanbang Laser Diamond Tools Company，Wuhan 430056 ，China） Abstract Technology of ordered arrangement not only reduces the cost of raw materials but also improves the
［3 ］
其与岩石破碎坑直径 D 的关系 为 d 的半球形压头， 为
［2 ］
： D = 2． 8 ～ 3． 1 （ 脆性岩石） d （ 1）
孕镶金刚石钻头在钻进过程中， 金刚石一部分被 胎体包镶着， 另一部分出露刻取岩石， 金刚石钻头的出 刃（ 当其最佳状态出现时 ） 认为是浑圆状与岩石相接 触， 接触面为半球形， 其工作状态与半球形压头相似。 1． 2 多个压入载荷作用下的岩石破碎机理 当同时在岩石表面上作用着两个或两个以上的荷 其总的破碎效果取决于变形交叉带的性质。 孕 载时， 镶金刚石钻头在孔底钻进时， 有着无数颗金刚石参与 磨削破碎工作， 其破碎机理与之类似。 图 1 为相邻两
， 当轴向载荷
达到使岩石出现赫兹裂纹所需载荷的 1 /5 甚至 1 /10 时， 若再施加少量水平载荷， 岩石便可出现破裂缝。 在 合理的钻压和转速条件下， 金刚石在轴向载荷 P 作用 形成破碎穴； 同时， 在回转载荷 R J 作 下压入破碎岩石， 用下， 金刚石克服本身与岩石的摩擦力 T， 并以一定的 转速持续旋转运动， 使其前面的岩石产生大体积剪切， 后部的岩石产生张力破碎（ 见图 2 所示） 。