表镶金刚石钻头设计

表镶金刚石钻头用于可钻性Ⅴ～Ⅸ级、比较完整的岩石。设计表镶金刚石钻头时，应考虑的结构参数如下。

一、唇面形状

唇面设计原则：有利于碎岩、有利于排粉冷却、耐磨及便于加工等。唇面形状如图3-13-1。

1.平底唇面

如图3-13-1中（a）所示。适用于中等强度、中等研磨性岩石。虽结构简单，便于加工，但其边棱容易磨损，且边刃不好镶嵌，故目前较少使用。

2.半圆弧唇面

又称标准唇面，如图3-13-1中（b）所示。它克服了平底唇面边刃不好镶嵌的缺点，故目前常采用之。

3.阶梯形唇面

常用于绳索取心钻头，增加碎岩自由面，减少壁厚对钻速的影响。钻头钻速高，稳定性好；但加工难度较大。

图3-13-1 唇面形状图

4.锥形唇面

如图3-13-1中（d）所示。可看作为微阶梯形，其优缺点与阶梯形唇面相同。

二、胎体性能

对于表镶钻头胎体性能的要求，不如孕镶钻头那么严格，一般能满足如下条件即可：

（1）牢固包镶金刚石，与钻头钢体结合牢固；

（2）具有一定的强度、耐磨性及对金刚石的黏结力（把持力），避免金刚石脱落；

（3）有足够的抗压、抗冲击强度，避免胎体碎裂。

表镶金刚石钻头一般使用中硬胎体（HRC30～35）。

三、金刚石品级

根据钻头上金刚石受力情况来选择金刚石品级。边刃受力最恶劣，底刃次之，侧刃起保径作用。对于绳索取心钻头设计原则如图3-13-2。对于边刃采用“AAA”特优级；底刃采用“AA”最优级；侧刃采用“A”优级金刚石。对于普通单、双管钻头，相应降低一个等级。

四、金刚石粒度

图3-13-2 绳索取心钻头底唇金刚石品级

金刚石粒度根据岩石的可钻性和研磨性选择。可钻性等级愈高、研磨性愈强，选用的金刚石粒度愈小，其原因是粒度小的金刚石其强度高于粒度大的。具体选择时可参考表3-13-1所列。

表3-13-1 表镶金刚石粒度使用范围

五、金刚石含量

金刚石含量取决于金刚石的布满度C、粒度Z和唇面工作面积S。

金刚石的布满度C由式（3-13-1）确定：

碎岩工程学

式中：Sa为单粒金刚石横截面积，mm2，它近似金刚石粒径的平方；Na为唇面金刚石数量，粒；S为唇面工作面积（除去水口面积），mm2。

C值取决于岩性：Ⅴ～Ⅶ级中硬岩石，C=40%～50%；Ⅷ～Ⅸ硬岩，C=50%～60%。

唇面上金刚石的含量：P=Na／Z，car（克拉）。钻头侧刃的粒数一般等于底刃数的30%。

六、金刚石的排列

设计金刚石在底唇面上的排列方式，应考虑如下原则：①覆盖孔底工作面；②磨损一致；③排粉冷却好；④机械钻速高；⑤利于加工。

所谓的覆盖孔底工作面，即排列时，应注意金刚石相互之间有一个重叠系数“ζ”（图3-13-3）。“ζ”与岩石性质有关，可按表3-13-2选择之。

排列方式有放射状、螺旋状和等间距三种（见图3-13-4）。

图3-13-3 重叠系数“ζ”

表3-13-2 重叠系数“ζ”

图3-13-4 金刚石三种排列方式

1.放射状排列

其特点内外刃粒数相等，易加工；但外刃易磨损（b＞a），适用于Ⅴ～Ⅶ级中硬岩层。

2.螺旋状排列

金刚石等距离分布在螺旋线上，使得唇面上的切削线愈靠外愈密，加强了外圆金刚石密度，使内、外圆金刚石磨损一致；此外，排列合理，冷却排粉效果好，但加工模具上划线复杂些。适用于Ⅷ～Ⅸ级较硬岩层。

3.等间距排列

各同心圆切削线上的金刚石间距相等，则使每粒金刚石碎岩时的工作负担基本相等。该排列方式较为合理；但加工难度大些。适用于均质较硬岩层。

七、水路设计

钻头水路设计就是确定钻头上水口和水槽的形状、规格及其数量。从水口和水槽中通过足够的冲洗液，能达到冷却钻头和排除岩粉的目的。

金刚石钻头上的水路，分主水路和副水路两种：对于表镶金刚石钻头，起主要作用的主水路是底刃金刚石的出刃高度与岩石接触之间的环形通道；而起辅助作用的副水路即是水口。而对于孕镶金刚石钻头，则相反，水口是主水路，孕镶金刚石微小底出刃所形成的通道则为副水路。因此，同一直径的表、孕镶金刚石钻头，其水口数量和规格是不一样的，一般而言，孕镶钻头的水口数量要比表镶多2个以上，水口高出1mm；水槽深0.5～1mm。

钻头上水路设计应按下列步骤进行：

（1）从表3-13-3内选取相应直径钻头的水口数目、水口规格（过水断面）及水槽尺寸；

表3-13-3 表镶金刚石钻头水口规格

（2）然后进行两个流速（v1与v2）的校核：v1为冲洗液在过水断面上的流速，根据经验，v1应大于4m/s；v2为环空间隙内的上返流速，根据经验，它应大于0.45m/s。

进行v1校核时，可利用公式：

碎岩工程学

式中：A为水口总过水断面，mm2；d为钻头内径，mm；dz为金刚石粒径，mm；n为水口数目，个；a为每个水口的过水断面，mm2。

求得A后，就可以从已知的冲洗液量Q，计算出v1值，即v1=Q／A。

进行v2校核时，可利用式（3-13-2）：

碎岩工程学

式中：D为钻头外径，mm；d1为钻杆外径，mm。