硬质合金钻进孔底过程的力学分析

Question

如题所述

Answer 1

分析硬质合金工具破碎岩石的孔底过程时，首先假定切削具在岩石中有一定的初始切入量。硬质合金钻头单个切削具的工作情况如图1－6所示。在轴向载荷P作用下切削具侵入岩石，在切削具刀刃上作用有岩石反作用力N₁和N₂。切削具沿与水平线成γ角的螺旋线移动:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:v_m为机械钻速;v₀为钻头圆周上切削具的线速度。

图1－6 硬质合金钻头单个切削具的工作示意图

可以看出，v₀v_m，所以γ角非常小。反作用力N₁和N₂的方向垂直于切削具前棱面和后棱面。切削具移动时，沿棱面会出现摩擦力N₁tanφ和N₂tanφ，其中φ为切削具与岩石的摩擦角。

将图1－6中各作用力往垂直轴和水平轴上投影，建立平衡方程组:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

由方程组(1－13)中的第2个方程可得出N₂:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

改写(1－13)式中的第1个方程(推导过程从略)，可得(1－15)式:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

将由(1－14)式得到的N₂值代入式(1－15):

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

N₁的值可由下式算出

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:H_ysinβ为切削具刃后棱面上的压应力;h为切削具的吃入深度;b为切削具的宽度。

由式(1－16)和(1－17)可得

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

切削具与岩石的摩擦角φ为15°～25°，所以，系数η的值在0.93～0.97之间变化。如果切削具不回转只压入岩石，则这种方式类似于压模压入岩石的情况。在这种情况下，可以在误差允许的范围内用岩石的压入硬度H_y来代替岩石强度σ_B的值。

公式(1－18)可以从理论上确定切削具侵入岩石的深度h，它随着载荷P增大而增大，随着岩石压入硬度H_y增大而减小，随着切削具刃尖角β减小而增大。但如果β角太小，切削具尖刃在遇到坚硬夹层时容易崩断，生产中β角一般取60°～80°，最小值为45°～50°。对于装有薄片状或针状硬质合金的自磨式钻头，因为β角等于90°，故不能采用(1－18)式。