硬質合金球齒鑽頭分佈優化

硬質合金球齒的主要組成成分為硬質相碳化鎢以及粘結相鈷，其具有高硬度、高強度、高耐磨耐蝕性以及良好的抗衝擊性能，在一些高壓潛孔、石油鑽井、隧道掘進、採礦工業以及民用建築中有著較為廣泛的運用。由於其自身良好的耐磨性和衝擊韌性，使得與其他材料的球齒相比具有更高的鑽掘速度，相應的球齒鑽頭、釺頭的使用壽命延長，不需要頻繁換齒，提高了整體的工作效率也減輕了人力勞動。常用的硬質合金球齒牌號、性能以及相關應用範圍如下：

在保證球齒性能穩定的基礎上，鑽頭上以及釺頭上合理球齒數量和分佈也是對於鑽掘性能重要的影響因素。對硬質合金球齒鑽頭分佈優化的實質是在維持良好的挖掘性能的前提下保證鑽頭上具有最少的球齒數和最佳的分佈位置。在實際的工作中發現合理的球齒分佈有利於降低破岩的損耗，提高整體的鑽進效率，防止切削齒過早發生磨損，發揮出最佳的切削性能。以潛孔鑽頭為例，其底部由中心向四周分佈多個球齒，而其中的機械鑽速最低的球齒決定了鑽頭的機械鑽速，且壽命最低的齒也決定了鑽頭的壽命。早在20世紀80年代就有研究學者提出鑽頭上球齒的分佈應遵循三大準則：即每個切削齒破岩體積相等、磨損速度相等、破岩損耗相等。滿足這三大準則才能保證鑽頭破岩能量均勻分配在每個切削齒上，從而獲得最佳的破岩效果。

從理論上說，硬質合金球齒破岩的過程分為三個階段：彈性形變階段（當力解除，岩石面可恢復原狀）、疲勞階段（又稱為壓力壓皺階段，表面裂隙不再消失，岩層表面發生破碎）以及體積破碎階段（形成剪切體，在不斷增大的壓力下形成破碎坑）。當向鄰近的幾個球齒同時侵入岩層時，其總體的破碎效果取決於變形交叉帶的性質。合理的球齒間距可在體積中時發出彈性形便能而產生斷裂，並隨著增加的載荷將岩石推出；若相鄰球齒間距太小則使得壓實區過分靠近，使岩石大剪切的難度增加；而相鄰球齒間距過大則使得中間部分的岩石不被破碎產生岩脊。從衝擊功的角度上看，對於直徑固定的鑽頭來說，球齒數越少，每個齒的衝擊能量越大，破碎的岩石體積也相應增大。但是相應的齒數過少，單個球齒所受應力超過了硬質合金球齒的斷裂韌性，球齒發生斷裂。

球齒的分佈位置首先取決於鑽頭端面的形狀，包括平頭狀、圓弧狀、突出狀、凹陷狀等等。常見的以平頭狀和圓弧狀為主。其中大直徑的球齒鑽頭一般採用圓弧狀端面，而小直徑的球齒鑽頭則採用平端面，中間球齒分佈在垂直於鑽頭軸線的斷面上，邊齒則分佈在鑽頭的傾斜面上。最外圈的邊齒不僅要承受機械支撐作用還要承擔破碎功能，因此磨損量要遠大於中心齒，且由於其線速度也較大，所以要求邊齒的應具有直徑大、分佈寬、品質好的優點。另外，相應的齒數也應由內向外逐步增加且要求在受力複雜面或磨損嚴重的區域進行重點加強。