钻进钢绞线加强预应力混凝土空心板的钻头设计

李 平，李 伟，李和胜

(富世华(河北)金刚石工具有限公司,河北 石家庄 052165)



钻进钢绞线加强预应力混凝土空心板的钻头设计

李 平，李 伟，李和胜

(富世华(河北)金刚石工具有限公司,河北 石家庄 052165)

针对钢绞线加强预应力混凝土空心板的实际工况，提出了一种新型的钻进用工程钻头设计，优化和改进了胎体配方设计和刀头齿形。通过实际的钻进测试，新型钻头设计的钻进效率提升20%以上，且无钻进过程卡死现象发生，特别切合钢绞线加强混凝土空心板的高效钻进作业。

金刚石工程钻；预应力空心板；钢绞线

1 引言

预应力混凝土空心板(典型代表为YKB板)因其具有安装方便、施工快捷等优点，作为楼板或者屋顶板，在各式住宅、厂房中被广泛应用。近年来，随着建筑业的蓬勃发展，建筑规模(跨度)的不断扩大，对楼板和屋面板自重的要求也越来越高。随着技术的成熟，在预应力钢筋混泥土中，使用钢绞线替代热轧钢筋作为加强材料已渐成趋势，这不仅节省钢材，减小混凝土梁截面积，也有助于减轻梁体/楼板自重，更好地服务于大跨度的应用领域[1]。

作为预制板，也就意味着其规格尺寸是预先定制的、统一的，但建筑形式、大小却是千变万化的。在实际的建筑应用中，必然会对预制板进行必要的加工作业。一般而言，预应力钢绞线的硬度高于热轧钢筋，如常用的Ф16mm热轧螺纹钢的抗拉强度为455MPa，但是常见预应力钢绞线1×7-15.20-1860的抗拉强度等级可以达到1860MPa[2]。实际工作对预应力钢绞线加强预制板的切割和钻进提出了更高的要求。

本文在实践的基础上针对钢绞线加强混凝土空心板的钻进提出了一种新型的工程钻头设计，并进行了实际的钻进测试，验证了新设计的可行性。

2 工具设计

2.1 工况分析

针对钢绞线加强预应力混凝土空心板而言，常见的钢绞线规格为：1×7-15.20-1860钢绞线，使用7根直径为Ф5mm 钢丝绕制成直径Ф15.20mm的钢绞线，钢绞线按设计规定均匀分布于混凝土中，如图1所示[3]。

图1 典型的钢绞线加强混凝土空心板的截面Fig.1 Cross-section of typical prestressed concrete hollow-core slabs

前已述及，预制的钢绞线由细丝绕制，强度较高，且均匀分布，普通的金刚石钻头在钻进中容易出现钻进难、易打滑的现象，钻进效率低；而且由于钢绞线每根钢丝直径较小，特别是在钢绞线高密度预置的空心板中，钻头容易嵌在刀齿之间的间隔中造成崩齿，导致整个钻孔工作效率缓慢，使工程成本提高，经济效益下降。

结合实际的工况，如果要提高钻进的效率，确保钻进过程无卡齿现象发生，必须在钻刀头的胎体设计和齿形以及分布上做文章。

2.2 工具设计

在胎体设计方面，考虑到作为增强材料预置的钢绞线密度较大，且强度较高，为了保证钻进的效率，特意选择了硬度较软的胎体。并有意识地增加了一定量的胎体弱化元素，确保在不损伤对金刚石把持力的前提下，胎体可以较为容易地受到磨损，底层的金刚石可以正常出刃，参与切割[4]。实际胎体配方以CoFeCu预合金粉末为骨架材料，约占25%；粘结金属成分占70%，弱化胎体元素约占5%。

在金刚石的选择方面，考虑在对坚硬致密，硬度大的切割对象进行钻进时，金刚石极易被磨平或者抛光，因此选用品级较高且粒度分布较粗的金刚石颗粒，粒度选用345～455μm，抗压强度400N，抗冲击强度为94%。金刚石颗粒的抗压强度和冲击韧性值越高，其工作时破碎断裂的可能性越小，金刚石工具的磨削性能越好。金刚石浓度在中等浓度的基础上略微提升2%，以确保更多的金刚石颗粒可以同时出刃参与切割，保证钻进的连续性。

在刀头齿形的设计方面，应对相对更为严苛的钻进工况，首先尝试减薄刀头，从常规的4mm厚减薄至3.5mm，以进一步减少钻进阻力，提高钻进效率。在普通平齿的基础上，在圆周外圆弧面上增加了涡轮槽，以减少刀头与钻切对象的接触面积，减少摩擦，提高钻进速度。同时在刀头顶端改普通平面为屋顶形设计，减少钻进中刀头与钻进对象的有效接触面积，确保钻进初期的快速钻进与定位，防止打滑或钻孔偏移现象的发生。针对直径为100mm的薄壁工程钻，刀头的设计如图2所示。

图2 屋顶形涡轮钻刀头Fig.2 Tool bit of roof shaped turbine drill

在刀头的布置方面，考虑到钢绞线的工程直径(一般为5mm)，刀头与刀头之间的间隙应小于钢绞线的公称直径，且总体刀头数量采用奇数，确保钢绞线不会在钻进过程中卡入刀头与刀头的间隙，或者被两个对称的间隙卡死。以Ф100mm薄壁钻为例，刀头数量设定为11片，相邻刀头之间的最小间隙为2.78mm，远低于单股钢绞线的直径。工具的设计如图3所示。

图3 针对钢绞线加强预应力混凝土空心板的Ф100mm薄壁钻设计Fig.3 Ф100mm thin-wall drill bits designed for steel strand reinforced prestressed concrete hollow-core slabs

3 钻进实验[5]

3.1 实验设计

按照常规金刚石薄壁工程钻的制备工艺，即刀头采用热压烧结方法制备，工程钻头的组装采用激光焊接工艺，使用相同胎体分别制备了两种钻头，详细技术参数如表1所示。

表1 两种对比试验用薄壁工程钻的技术参数

钻进对象为YKB24.12-102-10G空心板[3]，板高为240mm，标志长度为10.2m，标志宽度为1200mm，预置一层10根公称直径为15.2mm、强度为1860MPa的七股钢绞线，混凝土标号为C45，如图4所示。

图4 YKB24.12-102-10G空心板截面Fig.4 Cross-section of YKB24.12-102-10G PC hollow-core slabs

钻机采用富世华HUS DM230钻机，固定在钻架上，人工施加钻进压力，钻机额定功率1850W，转速选用1850r/min，通清水冷却，竖直方向钻孔，每个钻头钻进10个孔，孔深240mm。采用秒表记录单孔钻进时间。

3.2 实验结果

两种对比用设计钻头实际的钻进用时和换算之后的钻进速率如表2所示。

通过对比实际的钻进效率，新设计相比于原有设计，即便采用相同的胎体配合，钻进效率依然被提升了23%。分析认为，刀头外圆弧面涡轮槽的存在，钻头外圆与切割对象的接触面积减小，且刀头厚度较小，增大了钻进时的刀头唇面的比压，有利于胎体磨损和金刚石的自锐，可以有效保证快速和连续的钻进[6]。

表2 两种钻头实际钻进用时及钻进速率

将两种钻头的实际钻进效率按照时间顺序绘出曲线如图5所示。

图5充分展示了两种钻头设计在初始钻进时的速率对比，从最初钻进的三个孔的数据来看，新设计的钻进速率被提升了30%以上。充分说明在钻刀头顶部添加屋顶形尖顶可以有效地减少初始钻进时钻刀头与钻进对象的摩擦，增大单位面积的比压力，有利于准确定位和快速钻进。而且由于独特的刀头分布，整个钻进过程非常连续，并未出现因加强筋(钢绞线)被卡入刀头间隙而导致的卡死现象出现。相对而言，新设计钻头的钻进连续性和稳定性也大大优于原始设计。

图5 两种钻头实际的钻进速率对比Fig.5 Comparison of drilling rate designed for the two kinds of drill bits

3 结论

针对钢绞线增强的预应力混凝土空心板的实际工况，通过减薄刀头，在外圆弧面增加涡轮槽和在刀头顶部增加屋顶形尖顶，可以有效降低刀头与钻进对象的摩擦，有助于将钻进效率提升20%以上；而且屋顶形尖顶在钻进初期对钻进效率的提升作用更为明显。

通过优化刀头数量，缩减刀头之间的间隙到小于加强用钢绞线的直径，可以杜绝因为钢绞线被卡入刀头间隙而出现的钻进被卡死现象，确保钻进的连续性和稳定性。

钻进速率的提升可以有效的缩短工期，提升工程整体的经济效益；而连续稳定的高效钻进可以有效的保证钻进的质量，提升整体的工程质量。

[1] 宋雅涵.砌体结构建筑的发展趋向[J].中州建筑, 1996(4):15.

[2] GB/T 5224-2003预应力混凝土用钢绞线[S].

[3] GB/T 14040-2007预应力混凝土空心板[S].

[4] 王生福. 关于薄壁金刚石钻头胎体性能的探讨[J]. 探矿工程, 2005(11): 23.

[5] 杨俊德. 金刚石钻头和金刚石锯片磨损机理、设计及性能测试研究[D]. 长沙: 中南大学, 2004.

[6] 温姝静. 试谈影响金刚石钻进效率的几个主要方面[J]. 工业金刚石, 2010(03):22.

Design of New Diamond Drill-bits for Steel Strand Reinforced Prestressed Concrete Hollow-core Slabs

LI Ping, LI Wei, LI He-sheng

(Husqvarna(Hebei)Co.,Ltd.,Shijiazhuang,Hebei,China052165)

A new diamond drill bits design has been proposed based on the actual working conditions of steel strand rein-forced prestressed concrete hollow-core slabs, in which the matrix formula design and tool bit shape has been optimized and developed. The actual drilling test shows that the drilling efficiency has been improved by over 20% without any stuck phenomenon. It is particularly suited for the high-efficiency drilling to steel strand rein-forced prestressed concrete hollow-core slabs.

Diamond engineering drill bits; prestressed concrete hollow-core slabs; steel strand

2016-05-20

李平(1976-)，女，设计工程师，主要从事金刚石工具的设计及研制工作。

李和胜(1981-)，工学博士，高级工程师，主要从事金刚石工具研制开发工作。E-mail：diamondli99@126.com

李平，李伟，李和胜.钻进钢绞线加强预应力混凝土空心板的钻头设计[J].超硬材料工程，2016，28(5)：11-14.

TQ164

A

1673-1433(2016)05-0011-04