潜孔球齿钻头硬质合金齿固齿试验探析

姜秋月

黑龙江北方双佳钻采机具有限责任公司，黑龙江牡丹江 157013

1 试验目的

1）硬质合金球齿和齿孔采用不同的加工方法，对固紧力的影响；

2）在不同加工工艺方法下，硬质合金齿和齿孔的合理过盈量；

3）主体热处理硬度对固紧力的影响。

2 试验内容

1）在硬质合金齿圆柱面不磨，齿孔一次钻出情况下，不同过盈量的固紧力；

2）在硬质合金齿圆柱面磨光，齿孔钻、铰情况下，不同过盈量的固紧力；

3）钻头主体热处理硬度不同情况下，不同过盈量的固紧力。

3 试验条件和方法

1）硬质合金齿

采用Q1827 硬质合金齿，有圆柱面不磨和圆柱面磨光两种，实际直径为：

（1）圆柱面不磨的直径变化在17.5mm～17.8mm。由于硬质合金齿压制时两端致密而中央松散，因此经烧结收缩，圆柱面呈凹腰鼓形，中央部分直径比两端直径小0.05mm～0.15mm，有时还有0.05mm 椭圆度，试验共用硬质合金球齿60 粒；

（2）圆柱面磨光的，为了减少不同直径公差和椭圆度等引起的误差，试验选用直径Φ17.37;Φ17.40；Φ17.45；Φ17.50 四种规格硬质合金齿各一粒，反复使用，使用前后测量直径没有变化。硬质合金齿圆柱下面倒角约15°，倒角高3mm，外径用百分尺测量。

2）孔板

孔板规格Φ150*30，材料35CrMo，热处理硬度28HRC—32HRC。齿孔的加工方法共三种，见表1。孔径用内径千分表测量。

3）压齿方法

采用FMC－50 型材料试验机，额定拉压力50 吨。按予定的过盈量，选配不同的硬质合金齿和齿孔。合金齿先用铜棒手工敲入少许，再在压力机上压入，压入齿孔深度为硬质合金齿圆柱面高度，合金齿压入齿孔后随后推出，然后再压入再推出，反复4～10 次，并记录每次的推出力和压入力。

4 试验结果与分析

4.1 合金齿圆柱面不磨，齿孔一次钻成的固紧力试验

1）过盈量愈大压入力也愈大；

2）过盈量加大，开始推出力也跟着增加，到0.35mm 左右，推出力达到最大，过盈量再增加，推出力无明显变化，最大推出力约5t；

3）压入力和推出力相差很大，以过盈量为0.2mm～0.3mm范围为例，两者相差一倍以上。

4）在同样过盈量条件下，压入力和推出力变化较大；

5）压过后的齿孔，孔径扩大，光洁度提高，局部出现镜面。

另外，在试验中看到过盈量大于0.35mm 时，孔壁产生刮伤，造成3）、4）两条的原因有：（1）孔壁表面粗糙度低，压入时刀痕尖痕尖锋被压平推出时固紧力减少；（2）圆柱面没有磨，呈凹腰鼓形，圆柱面和孔壁的接触实际上只是两端两条圆周线接触，因此固紧力大大减少。再者由于加工精度低，齿孔尺寸测量误差较大。

4.2 合金齿圆柱面磨光，齿孔经钻、铰的固紧力试验

孔板在碱水里煮过，进行试验。

1）压入力和推出力具有同前一样的变化规律，最大推出力（平均）达到12.5t。

2）最大推出力的过盈量在0.16mm～0.20mm 之间，比以上几种情况都要小，这说明合金齿圆柱面和齿孔壁表面粗糙度提高以后，过盈值可以减小。

4.3 反复压入、推出时对固紧力的影响

钻头工作时，合金齿不断冲击岩石，由于钻头体是弹性体，齿孔底部会产生弹性压缩，同时硬质合金齿产生相对位移（尽管是很微小），并使孔壁金属组织疲劳硬化，弹性减少，固紧力下降，从而可能导致合金齿脱落。为了模拟上述情况采用了反复压入和推出的办法，以加速孔壁金属疲劳硬化，来观察固紧力的变化。

4.4 不同热处理硬度与固紧力之间关系

采取齿磨、孔钻铰工艺，压齿前合金齿和齿孔用汽油清洗，孔板硬度分别处理到20HRC、30HRC、40HRC，

1）在同样过盈量条件下，随着孔板硬度提高，推出力明显提高。例如，40HRC 要比20HRC 的推出力几乎提高二倍；

2）在硬度低时（20HRC）过盈量增加，虽然压入力提高了，但推出力增加很小。硬度较高时，则随着过盈量增加，推出力显著提高。在压齿时，特别在过盈量较大时，低硬度的齿孔壁有明显切削现象，而硬度高的孔壁则无切削现象。

5 结论

1）在各种工艺条件下，第一次压入力随着过盈量的增加而提高；

2）在过盈量较小时，第一次压入力和推出力比较接近，过盈量增加两个力的差值愈来愈大；

3）在一定范围内，推出力随过盈量增加而增加，但当过盈量达到某一数值后，推出力无明显增减。这时的过盈量我们定义它为临界过盈量，超过这个临界过盈量压入时，孔壁出现刮伤，硬度低时特别明显；

4）随着合金齿和孔壁表面粗糙度提高，最大推出力显著增加，而临界过盈量趋向减少；

5）小于临界过盈量时，推出力较低，大于临界过盈量时，虽能保持较高的推出力，但合金齿易压偏和刮伤孔壁。压入力过大可能导致合金齿压碎；

6）反复压入试验表明，过盈量太小时，推出力随压入次数增加而减少，过盈量大于某一值（0.1mm）推出力几乎不随压入次数变化；

7）孔板硬度对推出力有很大影响，提高材料硬度推出力明显增加，40HRC 要比20HRC 推出力提高二倍，因此适当增加钻头主体硬度对提高固齿质量是有利的；

8）合金齿压偏，扶正后再压入，推出力大为降低。

[1]郝树林.对冷压钎头合金齿固紧过程的探讨[J].凿岩机械与风动具，1987.

[2]符夷雄.硬质合金钻头固齿工艺的研究[J].煤炭科学技术，1989.

[3]黄志强，刘清友，郭召海，李琴，刘德明，谭军.盘式钻头齿圈强化工艺技术试验研究[J].西南石油学院学报，2003.