硬质合金球齿钻头分布优化

硬质合金球齿的主要组成成分为硬质相碳化钨以及粘结相钴，其具有高硬度、高强度、高耐磨耐蚀性以及良好的抗冲击性能，在一些高压潜孔、石油钻井、隧道掘进、采矿工业以及民用建筑中有着较为广泛的运用。由于其自身良好的耐磨性和冲击韧性，使得与其他材料的球齿相比具有更高的钻掘速度，相应的球齿钻头、钎头的使用寿命延长，不需要频繁换齿，提高了整体的工作效率也减轻了人力劳动。常用的硬质合金球齿牌号、性能以及相关应用范围如下：

在保证球齿性能稳定的基础上，钻头上以及钎头上合理球齿数量和分布也是对于钻掘性能重要的影响因素。对硬质合金球齿钻头分布优化的实质是在维持良好的挖掘性能的前提下保证钻头上具有最少的球齿数和最佳的分布位置。在实际的工作中发现合理的球齿分布有利于降低破岩的损耗，提高整体的钻进效率，防止切削齿过早发生磨损，发挥出最佳的切削性能。以潜孔钻头为例，其底部由中心向四周分布多个球齿，而其中的机械钻速最低的球齿决定了钻头的机械钻速，且寿命最低的齿也决定了钻头的寿命。早在20世纪80年代就有研究学者提出钻头上球齿的分布应遵循三大准则：即每个切削齿破岩体积相等、磨损速度相等、破岩损耗相等。满足这三大准则才能保证钻头破岩能量均匀分配在每个切削齿上，从而获得最佳的破岩效果。

从理论上说，硬质合金球齿破岩的过程分为三个阶段：弹性形变阶段（当力解除，岩石面可恢复原状）、疲劳阶段（又称为压力压皱阶段，表面裂隙不再消失，岩层表面发生破碎）以及体积破碎阶段（形成剪切体，在不断增大的压力下形成破碎坑）。当向邻近的几个球齿同时侵入岩层时，其总体的破碎效果取决于变形交叉带的性质。合理的球齿间距可在体积中时发出弹性形便能而产生断裂，并随着增加的载荷将岩石推出；若相邻球齿间距太小则使得压实区过分靠近，使岩石大剪切的难度增加；而相邻球齿间距过大则使得中间部分的岩石不被破碎产生岩脊。从冲击功的角度上看，对于直径固定的钻头来说，球齿数越少，每个齿的冲击能量越大，破碎的岩石体积也相应增大。但是相应的齿数过少，单个球齿所受应力超过了硬质合金球齿的断裂韧性，球齿发生断裂。

球齿的分布位置首先取决于钻头端面的形状，包括平头状、圆弧状、突出状、凹陷状等等。常见的以平头状和圆弧状为主。其中大直径的球齿钻头一般采用圆弧状端面，而小直径的球齿钻头则采用平端面，中间球齿分布在垂直于钻头轴线的断面上，边齿则分布在钻头的倾斜面上。最外圈的边齿不仅要承受机械支撑作用还要承担破碎功能，因此磨损量要远大于中心齿，且由于其线速度也较大，所以要求边齿的应具有直径大、分布宽、质量好的优点。另外，相应的齿数也应由内向外逐步增加且要求在受力复杂面或磨损严重的区域进行重点加强。

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