När hårdrock först bryter sönder din hårdmetall: Omprövning av designen av små borrkronor

I extremt hårt och segt berg kan ett borrstycke gå sönder innan besättningen ens har kommit tillrätta i rundan.

De första stötarna kommer. Ett hårdmetallskär tar ut en koncentrerad belastning. En liten spricka bildas. Sedan bryts ett hörn av, eller så flisar ett skär, eller så förlorar borret sin skäregg långt innan normalt slitage borde ha slitit ut det.

Detta är inte alltid ett problem med materialkvaliteten.

Det kan vara ett geometriskt problem.

För små och medelstora bergborrkronor som arbetar i exceptionellt hårda och slipande formationer är den vanliga instinkten ofta att lägga till fler borrhål eller minska stöten som varje borrhål utsätts för. Det kan fungera under vissa förhållanden. Men i mycket segt berg kan ett litet hårdmetallskär helt enkelt sakna det tvärsnitt och den volym som behövs för att överleva upprepade koncentrerade stötar.

I dessa fall är frågan inte ”Hur kan vi fördela lasten över fler skär?”. Den kan vara ”Hur kan varje skär bära mer last utan att gå sönder?”

Det är idén bakom lastkapaciteten med en enda insats.

Varför extremt hård sten bryts sönder tidigt

Hårdrock är inte alltid detsamma som tough rock.

En mycket slipande formation sliter snabbt på hårdmetall. En seg formation motstår brott och kan överföra höga slagspänningar tillbaka till borrkronan. När båda förhållandena råder tillsammans står borrkronan inför en svår kombination: hårdmetallen måste motstå flisning under slag samtidigt som den bibehåller hårdhet och slitstyrka.

Vid början av varje stöt kommer borret inte i kontakt med hålets botten helt jämnt. Den första kontakten kan inträffa endast vid en del av skärytan. Spänningsvågen färdas sedan genom verktyget och krossar lokal bergart under skäret eller eggen. I mycket hårt berg kan kontaktspänningen öka snabbt innan lasten blir jämnt fördelad.

Det är därför tidigt skärbrott är vanligt i olämpliga borrkronorskonstruktioner. Berget ger inte efter tillräckligt lätt för att minska toppspänningen på det första skäret som kommer i kontakt.

Ett borrspett kan visa flisor av hårdmetall efter bara en kort sträcka, även om borriggen, lufttrycket och driftsättet i övrigt är rimliga.

Principen för enkelinsatsbelastning

Karbid är hårt och slitstarkt, men det är fortfarande ett sprött material. Dess motståndskraft mot slagbrott beror delvis på dess materialegenskaper och delvis på geometrin hos det enskilda skäret.

Ett större hårdmetallskär har generellt ett större lastbärande tvärsnitt och mer volym för att motstå lokal stöt. Enkelt uttryckt kan ett tjockare eller större skär ofta absorbera en högre stötbelastning innan det spricker.

Detta betyder inte att "större alltid är bättre". En överdimensionerad skärinsats kan skapa andra konstruktionskompromisser. Men när tidig urflisning är den dominerande felmoden kan det vara mer användbart att öka den effektiva storleken på varje lastbärande hårdmetallelement än att bara öka antalet små element.

Samma princip gäller för mejsel- och kryssborr. I extremt tufft berg kan ett tjockare hårdmetallblad eller en starkare skäregg klara sig bättre än en tunn egg som är utformad för lättare berg.

Konstruktionsmålet är att ge varje kritisk insats tillräcklig strukturell kapacitet för den belastning den faktiskt kommer att ta emot.

Varför fler knappar ibland kan göra saken värre

Moderna knappborrar använder ofta flera hårdmetallknappar för att fördela belastningen och förbättra skärförmågan. Detta fungerar extremt bra under många borrförhållanden.

Men varje bit har en begränsad ansiktsyta.

Om ytterligare knappar läggs till utan att ändra den övergripande ytdesignen, fördelas den tillgängliga anslagsenergin mellan fler kontaktpunkter. Enskilda knappar kan bli mindre eller mer tätt intill varandra. Spolningsutrymmet kan minska. Bergbrytningsmönstret kan förändras.

I exceptionellt hård och tuff mark kan en liten knapp fortfarande utsättas för en kraftig lokal belastning vid den första kontakten. Om dess tvärsnitt är för litet kan den flisas innan belastningen hinner sprida sig över ytan.

Det är därför ingen enskild borrstil är bäst för varje bergformation.

Ett knappborr med många insatser kan vara ett starkt val i en tillämpning. En mejsel-, kryss-, trevings- eller kraftig blandad design kan vara mer motståndskraftig i en annan. Rätt svar beror på bergets hållfasthet, seghet, nötningsförmåga, borrenergi, håldiameter, spolningsförhållanden och det brottmönster som observeras i fält.

Stärk kroppen såväl som karbiden

Karbidskär fungerar inte ensamma. Stålkroppen måste bära dem.

Vid borrning i hårt berg behöver stålvingarna eller kroppssektionerna runt skären tillräckligt tjockleka och hållfast för att hålla hårdmetallen säkert. Om kroppen böjs för mycket, spricker nära skärläget eller förlorar stöd på grund av slitage, kan även högkvalitativ hårdmetall gå sönder i förtid.

En kraftig borrkrona kan därför innefatta:

• Större eller tjockare hårdmetallinsatser

• Starkare stålvingar runt skäreggen

• Robustare skärlägesgeometri

• Kontrollerade kantfasningar för att minska hörnflisning

• En ansiktsprofil som minskar excentrisk stöt

• Värmebehandling anpassad till önskad balans mellan styrka och seghet

Stålkroppen ska vara tillräckligt stark för att stödja skäret, men inte så spröd att den spricker vid upprepade stötar. Den balansen är en av de viktigaste delarna av borrtillverkning.

Spolning är fortfarande viktigt, men prioriteringar kan ändras

Effektiv borttagning av borrkax är normalt sett avgörande för produktiv borrning. Dålig spolning skapar återkrossning, värme och slitage som kan undvikas.

Extremt hårda formationer kan dock ändra konstruktionsprioriteringen.

Om berget producerar relativt fina borrkax och borrhastigheten är naturligt lägre, kan spolning vara mindre begränsande än borrkronans hållbarhet. I den situationen kan det vara klokt att avsätta mer av ytan och kroppstjockleken för stöd av skäret snarare än att maximera varje möjlig spolningspassage.

Det är en avvägning, inte en universell regel.

Borret behöver fortfarande spolas ordentligt. Men när tidig urflisning förstör borrskär innan slitage blir den begränsande faktorn, kan en starkare geometri ge bättre utbyte än en yta som huvudsakligen är utformad för maximalt spånflöde.

Rätt design kommer från att identifiera den faktiska orsaken till att den aktuella biten går sönder.

Materialval kräver balans, inte extremer

För hårdmetallskär i segt slipande berg kan de önskade egenskaperna konkurrera.

Högre seghet hjälper till att motstå brott och urflisning. Högre hårdhet förbättrar slitstyrkan. Att öka bindemedelshalten i en hårdmetallsort kan förbättra segheten, men kan minska hårdheten och göra att skäret slits snabbare i mycket slipande slipning.

Därför bör valet av hårdmetall inte baseras enbart på ett enda nummer.

En användbar sort för extremt hårt berg behöver en lämplig balans mellan hårdhet, tvärgående brotthållfasthet, seghet, densitet och mikrostruktur. Skärgeometrin, knapphållningsmetoden och driftsparametrarna påverkar också resultatet.

Avancerade tillverkningsprocesser kan ytterligare förbättra konsistensen, men fältprestanda beror fortfarande på att den kompletta borrkrondesignen matchar formationen.

Titta på felläget, inte bara mätaren

När du utvärderar en bergborrkrona, registrera inte bara det totala antalet borrade meter.

Undersök varför borret togs ur bruk.

Togs den ur bruk för att mätardiametern slitits ner normalt? Flagades hårdmetallstiften? Blev en skäregg bruten? Sprack stålkroppen? Gått gängorna sönder? Blev borret varmt för att skärspånen inte lossnade?

De detaljerna berättar vad du ska ändra härnäst.

Om normalt slitage är problemet kan en hårdare eller mer nötningsbeständig design hjälpa. Om tidigt hårdmetallbrott är problemet kan lösningen vara starkare individuella skär, förbättrad stödgeometri, bättre uppriktning eller en annan ytform.

Ett borr som når normala slitagegränser gör vanligtvis sitt jobb. Ett borr som flisar eller går sönder tidigt visar att lastbanan behöver uppmärksammas.

Den högra biten är den som går sönder normalt

I extremt hårt berg finns det kanske ingen perfekt borrkrona. Varje konstruktion innebär en kompromiss mellan inträngningshastighet, livslängd, spolning, skärseghet och kostnad.

Men målet är tydligt: ​​borret ska inte gå sönder plötsligt eftersom dess hårdmetallinsatser inte klarar belastningen.

Ett bra borrhål för hårt berg är ett som slits förutsägbart, bibehåller ett stabilt hål och når sitt planerade serviceintervall utan tidiga skärfel. Det är där det verkliga värdet ligger.