Sätt att förbättra livslängden på bergborrverktyg
Felanalys av bergborrverktyg:
Under senare år har landets bergborrverktyg utvecklats snabbt, och en serie produkter har tagits fram med sina egna egenskaper, såsom kolumnborrkronor, integrerade hårdmetallborrkronor, extremt sega bergborrkronor, K610-karbid, Ni-Cr-Mo ultrahöghållfast borrstål, ∅38 korrugerade och trapetsformade borrstänger, etc., med avsevärt förbättrad kvalitet och livslängd. Kvaliteten på massproduktionen är dock fortfarande instabil, och borrverktygen går sönder tidigt. Orsakerna analyseras enligt följande:
1. Borr
Skador på borrkronan inkluderar huvudsakligen onormalt slitage och normalt slitage såsom fragment, trasiga tänder, invändig tandborrning, utbuktning av borrkroppen och brott. Mitt land har använt gammaldags raka borrkronor under lång tid. Efter skrotning är den genomsnittliga kvarvarande bladstorleken i mitten av legeringsstycket mer än 12 mm, och den normala andelen är mindre än 5 %. Utbuktning, slitage på inverterad kon, bruten midja, sprickbildning och fallande fragment i hårda bergarter står ofta för mer än 80 % av borrkronans användning. Den främsta orsaken är att borrkronans bladvinge är för tunn och den relativa vingtjockleken är endast 1,16. Den är inte slitstark, har snabbt radiellt slitage och har dålig geometrisk formstabilitet. Bladets stålkropp har otillräcklig klämkraft på legeringsplåten, vilket gör att plåten faller av, spränghålet är inte runt, rotationsmotståndet är stort och slitaget på borrbladet förvärras. Det gamla raka borrhuvudet har ett koniskt håldjup på 32 mm och borrspetsens insticksdjup är mindre än 24 mm. Det koniska hålet är grunt. Under inverkan av högfrekvent och hög stötbelastning kommer det positiva trycket per ytenhet på byxväggen lätt att överstiga borrhuvudets stålkropps ultimata hållfasthet och orsaka byxutvidgning eller sprickbildning. Först, med början från byxöppningens innervägg, genereras tangentiell draghållfasthetsdeformation, vilket får byxväggen att expandera, bilda en trumpetform, lösa förbindningar och byxorna att falla av. När byxkroppens stålhårdhet är för hög för att orsaka sprickbildning, är pulverutmatningssystemet dåligt och upprepad krossning sker, vilket ökar slitaget på borrhuvudet.
De vanligaste formerna av skador på kultandsborrhuvudet är att eggtandsborrkronor faller av, trasiga tandsborrar, byxor spricker, kapsylborrning och midjebrott. Enligt statistik över haverier på svenska ∅48 mm kultandsborrar borrade med COP1038HD hydrauliska bergborrar vid China University of Geosciences förlorades 37 % av tänderna, 28,3 % av tänderna var trasiga och 13,2 % av tänderna var trasiga. Vid borrning av hål i hård granit med 7655 pneumatiska bergborrar förlorades 22,7 % av tänderna, 35,4 % av tänderna var trasiga och 26,4 % av tänderna var trasiga. Fälttester visar att tänderna är förlorade och trasiga. Detta beror på att tänderna utsätts för excentrisk spänning, som är extremt ojämnt fördelad, och tänderna utsätts för olika radiella omkretstryck, vilket gör att tänderna tål spänningar dåligt och orsakar trasiga tänder. På grund av borrkronans bas med hög hårdhet förblir interferenspassningen mellan tänderna och hålen oförändrad. Vid fixering, på grund av tandhålets höga hårdhet, är den elastisk-plastiska deformationen dålig. När tänderna fixeras under tryck uppstår det lätt mikrosprickor. När berget borras med snabbare hastighet expanderar de i olika riktningar, vilket resulterar i oregelbunden krossning av legeringständerna. Allt eftersom antalet stötar på kolumnborrkronan ökar, fortsätter den plastiska deformationen av tandhålsväggen att öka, vilket orsakar att en klockformad mynning uppstår vid tandhålsmynningen, vilket resulterar i en minskad fixeringskraft för tänderna och lätt orsakar tandavskalning. Dessutom, på grund av den lilla interferensen mellan tandhålen, förvärrar borrkronans låga hårdhet också tandavskalningen. Eftersom hårdmetall är ett sprött material, kommer de oundvikliga porerna, inneslutningarna och andra mikrosprickkällor inuti att fortsätta att expandera och brytas under processen med miljontals stötar när berget borras. Inverkan från borrkronans med hög hårdhet på hårdmetalltänderna är mycket större än för borrkronans med medel- och låg hårdhet. Ju lägre hårdhet borrkronans kropp har, desto mindre påverkan har tryckkraften på hårdmetallens prestanda. Att minska borrkronans hårdhet leder dock till otillräcklig fixeringskraft för tänderna och att tänderna lossnar. Dessutom är det relaterat till faktorer som material, flussmedelsprestanda, svetsningsoperation och användningsmetod.
Mer än 80 % av brotten i borrkronans stålkropp uppstår vid gränsen mellan borrspetsens ändyta och botten av borrbyxorna, och brottet i kolumnborrkronan uppstår längs tandhålets bottenyta. Från spänningsvågornas transmissionslag kan man se att området mellan borrspetsens ändyta och botten av byxorna är det område där vågmotståndet plötsligt förändras. Utmattningsbrott orsakade av spänningsvågens reflektion och tvärsnittsmutationer förvärras ofta av faktorer som felaktigt stålval, orimlig geometrisk strukturparameterdesign, olämpligt val av tillverkningsprocess och felaktiga användningsmetoder.
2. Borrstång
Borrstänger utsätts för omfattande alternerande påfrestningar, huvudsakligen bestående av slagspänning, böjspänning och korrosionsspänning under drift. Därför krävs att borrstången har hög utmattningshållfasthet, slagtålighet, korrosionsbeständighet samt låg spårkänslighet och spricktillväxthastighet. Skador på borrstänger inkluderar otillräcklig hårdhet i handtagsänden på den lilla borrstången, vilket orsakar toppsprängning; överdriven hårdhet som orsakar toppsprängning; gängslitage på vevstången; samt utmattningsbrott och sprödbrott.
Borrstångsbrott är den vanligaste formen av brott. Utmattningsbrott är sprickor som orsakas av ansamling av skador under upprepad belastning. Det uppstår vanligtvis i materialets svaga delar, såsom icke-metalliska inneslutningar, bubblor, vita fläckar, ärr, avkolning, korrosionssprickor inuti materialet; dålig material- och värmebehandling, såsom att den karburerade borrstångens kärna är för hård, dålig kylning producerar sprickor och brott i änden av handtaget; på grund av konstruktionsskäl såsom felaktig borrstångsgängform, dålig passform mellan hylsa och gänga, dålig passform mellan kon och handtag, sprickor och brott; felaktig användning såsom hammarmärken, dålig smörjning av leder och korrosion av borrstål etc., vilket orsakar sprickor och brott. Förutom expansionen av dessa sprickor uppstår utmattningsbrott i borrstången efter en lång utvecklingsprocess. Behandlingen av utmattningsbrott i borrstången kan delas in i tre steg: under inverkan av cyklisk belastning producerar vissa delar av borrstången plastisk deformation i form av glidning, och mikrosprickor uppstår, som gradvis utvecklas till makrosprickor under upprepad inverkan av cyklisk belastning; I det andra steget minskar borrstångens effektiva area med utvecklingen av makrosprickor; i det tredje steget, när borrstångens tvärsnitt reduceras till en spänning motsvarande draghållfastheten, går den sönder. Utmattningsbrottet i vevstakens borrstång uppstår oftast vid gängans rot, och sprickan utvecklas från ytterytan inåt; utmattningsbrottet i den lilla borrstången genererar en inre utmattningsspricka på ytan av borrstångens vattenhål och utvecklas gradvis utåt, och en yttre utmattningsspricka genereras på borrstångens yta och utvecklas gradvis inåt. Utmattningsbrottet i den lilla nålstången uppstår oftast inom 300~400 mm före kragen.
Vid bergborrning i gruvor uppvisar ett litet antal trasiga borrstänger inga utmattningsmärken på brottytan, och uppvisar generellt ett ljust kristallint yttillstånd, vilket ofta kallas sprött brott. Detta beror främst på defekter i borrstången, såsom inneslutningar, fördjupningar, hammarmärken eller stora förändringar i tvärsnittet, samt klockformad mynning som uppstår under smidningen, felaktig värmebehandling och andra faktorer, vilket resulterar i låg hållfasthet hos borrstången, dålig plasticitet eller hög spänningskoncentration, vilket gör att sprickan utvecklas extremt snabbt och lätt orsakar tidigt sprött brott i borrstången.
Sätt att förbättra borrverktygets livslängd
1. Förbättra designkvaliteten
Att fastställa rimliga strukturella parametrar och kontinuerligt utveckla nya varianter är förutsättningar för att förbättra borrverktygets livslängd. I många år har den gammaldags raka borrkronan använts. Den främsta anledningen till dess korta livslängd är den orimliga produktdesignen, vilket manifesteras i den lilla relativa vingtjockleken, det grunt konhålet, dålig pulverurladdningseffekt, instabil geometrisk form, lätt att producera tidig cylindrisk deformation och orimliga geometriska parametrar hos den hårda metallplåten. Därför är det svårt att förbättra baserat på den ursprungliga designen, och den gammaldags raka borrkronan bör elimineras så snart som möjligt.
Bladborrkronor använder i stor utsträckning radiellt anordnade helstyckes raka, trebladiga, korsformade och x-formade borrkronor. Ju fler blad borrkronan har, desto högre slitstyrka. Den korsformade borrkronan har 30~50 % högre slipningsförmåga än den raka borrkronan, men tillverkningen och slipningen är komplicerad och kostsam. Den relativa vingtjockleken är företrädesvis 1,6~2,2, och tvärsnittet av pulverdräneringsspåret och den totala arean av vattenhålets tvärsnitt måste vara lika med eller större än tvärsnittet av borrstångens mitthål. Ett 3-hålsarrangemang används ofta, och mitthålets diameter är något större. En rimlig kroppsstruktur är att ha en släppningsvinkel på 2°~3° vid huvudet, och en cirkulär båge eller konövergång med en krökningsradie på R=30~80 mm mellan den koniska ytan och den bakre cylindriska ytan på den förlängda byxkroppen. Den lilla borrkronan med en diameter mindre än 45 mm är ansluten till borrstången med en konisk anslutning, och borrkronan med en diameter större än 45 mm är ansluten med en korrugerad eller komposit trapetsgänga. Bergborrningshastigheten är omvänt proportionell mot kvadraten på borrkronans diameter. För att använda tekniken rimligt och förbättra borrkronans kvalitet och livslängd kan borrkronans slipningsfrekvens dock ökas till 15 gånger. För att minska borrkronans radiella slitage kan kontaktytan mellan borrkronans blad och hålväggen ökas för att göra pulverutmatningen jämn, legeringsplåtens spaltvinkel kan bestämmas rimligt och legeringsplåtens tjocklek kan ökas på lämpligt sätt.
Kronformen på pelartanden på pelartandborrkronan är mestadels halvsfärisk. Bergborrningshastigheten är hög. Vid pressning in i berget är tandytan relativt stark och hållbar under tryckspänning. Storleken på tanddiametern bör beakta tillräcklig dragspänning, de fasta tändernas fasthet och möjligheten till tandanordning. Antalet tänder bör beakta effektiv bergbrytning, möjligheten till tandanordning, tillräcklig hållfasthet och bekväm efterslipning. Från felanalysen är det känt att sidokändernas spänningstillstånd är dåligt och att sidokänderna är trasiga och trasiga. Följande åtgärder kan vidtas för att minska skadorna på sidokänderna och förlänga pelartandborrkronans livslängd.
(1) Stärk sidotänderna och välj korrekt tandform, tanddiameter och tandhöjd. Diametern på mellantänderna och sidotänderna är för närvarande 9,65~9,95 mm. Sidotändernas diameter kan ökas till 10,65~10,95 mm för att förbättra slaghållfastheten och slitstyrkan, och mellantändernas diameter kan minskas till 8,65~8,95 mm för att underlätta placeringen av sidotänderna och minska kostnaderna.
(2) Att på lämpligt sätt minska lutningsvinkeln på sidokuggarna bidrar till att förbättra spänningsförhållandena och öka sidokuggarnas slagtålighet. Utländska länder använder ofta lutningsvinklar på 30°~35°, vilka kan minskas till 20°~25°, vilket ökar kontaktytan mellan sidokuggarnas yttre yta och berget, och bidrar också till självslipning av sidokuggarna och förbättrar borrkronans radiella slitstyrka. De mittersta tänderna är något högre än sidokuggarna för att underlätta centrering och öppna upp laterala fria ytor för sidokuggarna för att förbättra bergbrytningseffektiviteten. För mjuka bergarter med låg radiell slipkraft bör lutningsvinkeln vara liten.
(3) Välj korrekt svetsgapet och interferensen mellan de fasta tänderna för att öka fästkraften hos kolumntänderna. När interferensen är liten minskar åtdragningskraften. När interferensen är något större kommer repor att uppstå i tandhålet. Om tanden förstoras ytterligare kommer den inte att pressas in. När den är för stor är tanden lätt att bryta, och ibland sväller borrkroppen och går sönder. Om tandhålets ytjämnhet ökar ökar friktionskoefficienten för att öka åtdragningskraften, vilket är en genomförbar åtgärd. Med hjälp av en plastnästning (vanligtvis använt H62Y kopparmaterial) som mellanhand matchas nästningen och hålet övergångsvis, och tänderna interferensmatchas. När tänderna kallpressas pressas nästningen mot varandra under inverkan av tandfixeringskraften, och nästningen genomgår plastisk deformation och den grova ytan på håltänderna kilas fast i varandra, varigenom bindningskraften (statisk friktion) mellan håltänderna ökar och en fast fixerad tand uppnås.
(4) Sidokuggarna är valda av hårdmetall med hög seghet och utsätts för varm isostatisk behandling för att effektivt förhindra att tänderna går sönder. Förstärkning av borrkronans stålkropp ökar stålkroppens nötningsbeständighet.
(5) Rimlig tandanordning, öka antalet sidokuggar så mycket som möjligt, förbättra pulverurladdningssystemet, bibehåll det främre vattenhålet och det stora gapet med tre spår och två hål i pulverurladdningssystemet, hög pulverurladdningseffektivitet, minska upprepad krossning av bergpulver, minska energiförbrukningen och förläng borrkronans livslängd.
För borrstänger för grunda hål används sexkantiga ihåliga ståltyper B19, B22, B25, vilket står för cirka 80~85 % av ihåliga ståltyper; för borrstänger för djupa hål används D32, D38, B25, B32, runda eller sexkantiga ihåliga ståltyper, vilket står för 15~20 %. Sexkantiga borrstänger har god styvhet, stort pulverutloppsspalt och är lätta att rulla.
Förbättra borrstångens struktur, såsom den fullgängade borrstången som föreslås av Ingersoll Rand Company i USA, som bearbetas med valsformningsmetod, ythärdningsbehandling, förbättrar seghet och slitstyrka, stor spiralvinkel, god självlåsning och enkel demontering och montering. När anslutningsänden är sliten kan den kapas av och fasas och återanvändas, vilket ökar livslängden med 3~4 gånger. SPEEDROD-borrstången från Samdvik Company i Sverige använder en gängad vevstång, eliminerar vevstångshylsan, eliminerar spelrummet i fogytan, förbättrar avsevärt anslutningens inriktning och styvhet, bibehåller borrhålets linjäritet och sparar energi.
Att förbättra borrverktygets utseende och förpackningskvalitet, genom att utforma dess form och förpackningsstruktur på ett bra sätt, kan effektivt skydda borrverktyget, försköna borrverktyget och förlänga borrverktygets livslängd.
2. Välj högkvalitativa material
Vid val av borrverktygsmaterial bör man beakta seghet och slitstyrka, god styvhet och slitstyrka, tillräckligt hög utmattningshållfasthet, låg känslighet för utmattningsskåror, hög förmåga att klämma fast legeringsplåtar och viss korrosionsbeständighet. Bra processprestanda, enkel skärning, god härdbarhet och svetsbarhet. Det är i linje med nationella förhållanden, lågt pris och man försöker använda mindre Ni och Cr. Resultaten av borrverktygsstålsmetoden baserad på fuzzy matematik rekommenderas enligt följande:
(1) 24SiMnNi²CrMo-stål är en ny ståltyp som imiterar svenskt FF710-stål och har de bästa konventionella mekaniska egenskaperna, brottegenskaperna och den omfattande utvärderingen. Den genomsnittliga livslängden för den inhemskt producerade ∅50 niotandade pelarborrkronan i vägprojektet är 715,2 m/styck, och den maximala livslängden är 901,4 m/styck, vilket ligger nära livslängden för den svenska ∅48 pelarborrkronan i projektet på 760 m/styck. Det är också ett bra borrstångsmaterial. Den genomsnittliga livslängden för den hydrauliska vagnen på den hydrauliska bergborren Mercury 300 i Iron Mine är 152,4 m/styck, och livslängden för borränden är 609 m/styck, vilket är 76 % högre än den franska 23CrNi³Mo-borrändens livslängd på 345 m/styck;
(2) Den genomsnittliga kumulativa längden för borrstången tillverkad av 40SiMnMoV-stål är 1225,4 m, vilket ligger nära den utländska nivån;
(3) Livslängden för den lilla borrstången tillverkad av 55SiMnMo ligger nära 250 m livslängd för den svenska lilla borrstången av 95CrMo;
(4) Den genomsnittliga livslängden för borrstången tillverkad av 35SiMnMoV kan uppgå till 300 m/styck. Ovanstående stål värmebehandlas genom kylning, anlöpning, glödgning, normalisering etc. för att bilda bainitiskt stål med hög utmattningshållfasthet och seghet.
För induktionslödning av fasta delar och små och medelstora borrkronor med fast tändning används 40 MnMoV som material för borrkronan. Livslängden för de producerade korsgängborrarna med ∅50 korsgänga och kolumntandade korrugerade gängor ligger nära den för svenska borrkronor. För kolumntandade borrkronor med varma ingjutna tänder föredras 45NiCrMoV-stål.
Valet av hårdmetallmaterial måste anpassas till bergets mekaniska egenskaper och typen av bergborr. Vanligtvis används hårdmetaller med hög kobolthalt, såsom YJo och YG13C, för extremt sega bergarter och bergborrar med hög slagkraft; YJ¹, YK25 och YG11C används mestadels för hårda bergarter; YG8C och YJ² används för medelhårda malmbergarter; och YJ³ och YG6 används för mjuka bergarter. Den linjära expansionskoefficienten för koboltfasen i hårdmetall är ungefär 3 gånger högre än för volframkarbid. Den inre spänningen som genereras vid snabb uppvärmning och kylning kommer att orsaka sprickbildning i samma gränssnitt. Därför bör plötslig uppvärmning och kylning av hårdmetall undvikas oavsett tillverknings-, svets- och slipningsprocessen.
Silverbaserat lod används ofta vid utländsk lödning av borrspetsar. Det har låg smältpunkt, liten effekt på stålkroppens och hårdmetallens prestanda, hög svetshållfasthet och låg svetsspänning. Mitt land bör bedriva forskning och utveckling för att möta behoven av att öppna upp utländska handelsmarknader. För närvarande används kopparbaserat lod som 105, 801 och SB-1 mestadels baserat på bergborrningseffektivitet och livslängd.
