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摘要：石工钻头由于工作环境比较恶劣，使用过程中存在很多不可预见的因素。很容易造成钻头的非正常损坏，长期以来，国内外专家学者从钻杆选材、刀头的牌号以及钻头的结构等不同角度对钻头的使用寿命进行研究和改良，并取得了很多的成果。本文為使钻头有较好的使用寿命，提出了石工钻头结构设计时，应考虑的几个方面。
关键词：结构设计；石工钻头；使用寿命
中图分类号：TH12
0 引言
随着建筑行业的快速发展，应用石工钻头在石工行业和对砂石、混凝土和岩石的冲击钻孔工作，在全球范围内迅速得到推广和使用。但由于相对恶劣的工作环境和工作过程中的不可控和不可预见性，在使用过程中钻头由于各种不同形式的破坏，从而严重影响了其使用寿命。影响钻头寿命的因素除了工作环境、操作方式、工作压力以及石材材质等外在因素，以及钻头钻杆的材料和硬质硬质合金刀头的性能等因素外，钻头的结构设计，如硬质合金刀头的外形设计及其分布，钻头的头部排屑槽的设计，和钻头钻杆的螺旋槽的截面设计及螺旋角等，对提高钻头的使用寿命也有很大的影响。
1 钻头的钻孔机理
要设计好的石工钻头结构，我们首先必须了解石工钻头的钻孔机理。钻孔时，钻头随电动工具的轴作旋转运动，同时作轴向移动运动。石工钻头主要通过传递来自于电动工具产生的锤击冲击力，而不断地高频冲击石材表面，石材在冲击作用下产生放射形裂纹源而破裂。同时石工钻头通过传递来自于电动工具产生的扭矩，破裂的石材在刀头旋转作用下产生挤压破碎作用直接将石材切除。同时在离心力和螺旋槽挤压作用下，破碎的石材被松碎，形成碎屑压向孔壁，同时沿钻杆的螺旋槽上升到石材表面。再由离心力的作用将碎屑抛到孔洞周围，从而完成了钻孔的过程。
2 石工钻头的结构分析
石工钻头主要由作为基体的钻杆和参与切削作用的硬质合金刀齿组成。
2.1 石工钻头钻杆结构
钻杆除了主要起传递应力冲击波、传递扭矩，以及保持和固定硬质合金刀齿的作用外，还起着导屑排屑的作用。它在承担传递扭矩作用的同时，还要承受来自电锤/冲击钻的高频轴向冲击作用。在设计钻头的钻杆部分时，首先要保证钻杆的强度，即其最小部分不仅能承受钻头在工作时的冲击力，还要能承受扭矩力，尤其是钻头在堵转时产生的瞬间周向冲击力。钻杆的结构设计主要是头部排屑槽的设计，以及螺旋槽的设计。头部排屑槽主要起将碎屑从刀刃导向螺旋槽的作用，其容屑空间越大越好，导屑距离越短越好，使碎屑能快速导入到螺旋槽内，以减少刀刃的磨损，从而延长钻头寿命。对于螺旋槽的设计，实验数据表明螺旋槽的螺距越小越有利于碎屑的快速排出，也能延长钻头寿命。
2.2 石工钻头硬质合金刀头
硬质合金刀头主要承担来自电锤的高频冲击波.直接将高频冲击波传递到被钻石材表面，并参与切削工作。硬质合金刀头在工作时的受力情况极为复杂，在高频冲击力作用下.产生弯矩和扭矩，极易造成断齿或碎齿.所以设计钻头时应针对钻头实际工作情况，选用相应的合金牌号和齿形以及硬质合金刀头的分布。
2.2.1 硬质合金刀头的露齿高
硬质合金刀头抗弯抗扭能力相对较差，所以固齿后的露齿高度不能太高，否则在工作时会产生较大的弯矩，硬质合金刀头容易发生折断现象。同时，硬质合金刀头在钻孔时起冲击及刮削石材的作用，所以固齿后的露齿高度也不能太低，否则会降低钻头的钻孔速度，降低钻孔效率。
2.2.2 硬质合金刀头的数量
在设计硬质合金刀头的分布时应尽可能使一面上的硬质合金刀头受力均匀，使硬质合金刀头在一个有效工作周期内能完全连续切除孔底石材或钢筋。
通常，硬质合金刀头的数量越多，在钻孔时越稳定，振动越小。如下图1，2分别是四刃硬质合金刀头和两刃硬质合金刀头的钻头在钻孔时的动态振动信号，从图片中可以看出四刃刀头的钻头在钻孔时的更加稳定，有利于提高钻孔质量，提高钻孔效率及钻头寿命。
但是硬质合金刀头的数量越多，钻头成本也越高，同时也会影响到排屑槽及螺旋槽的排屑效率，因此在保证切削有效的情况下，应合理地布置硬质合金刀头。钻头硬质合金刀头的最小数量，即在一个旋转周期内保证石材切除的理想的刀头数量，可以按下面的经验公式计算加以确定。
如果刀头数量偏少，那么就会出现在第一个冲击频次内不能全部切除的石材.在第二个冲击频次到来后，硬质合金刀头在相同进给量的情况下.既要完成本次冲击的石材/钢筋的切除任务，又要切除前一个冲击频次未切除的石材/钢筋，这样使硬质合金刀头瞬时受力急剧增加，当超过硬质合金的强度极限时.会造成硬质合金刀头的断裂而导致钻头报废。因此在实际设计硬质合金刀头分布数量时要乘上一个经验系数k以消除这种可能.也就是说在一个冲击频次内，各硬质合金刀头的切削轨迹弧长总和大于硬质合金刀头所在圆周周长，这样既能保证完全切除石材/钢筋又能适当减少每颗齿的受力情况而防止因切削阻力瞬时过大造成的破坏。当然硬质合金刀头的数量也不是越多越好，硬质合金刀头多了除了增加钻头的成本外.还增加了钻头工作过程中的摩擦阻力，同时也减少了钻头的整个排屑空间，不利于排屑。设计合理的硬质合金刀头数量，有利于提高钻头的使用寿命。
3 结论
为使钻头有合理的寿命，石工钻头结构设计时，应考虑以下几点：
（1） 钻杆 头部排屑槽，导屑距离越短越好；螺旋槽的螺距应尽量的小；
（2） 硬质合金刀头 设计露齿高时应综合考虑刀头强度及钻孔效率；刀头数量及布置应设计合理。
参考文献
[1] 钻头设计应用 王启仲 机械工业出版社 2010.04
[2] 金刚石钻头设计与制造新理论新技术 张绍和 中国地质大学出版社 2001
[3] 碎岩工程学 张祖培 地质出版社 2004
[4] 图解普通麻花钻与倪志福钻头 蔡运飞 段建中机械工业出版社 2008.10
[5] 岩土钻掘钻头（5冲出钻头） 冶金工业部地质勘查总局、探矿技术研究所 冶金工业出版社 1997.6
作者：张铁燕 女 1975年出生 博世电动工具（中国）有限公司 工程师 杭州市 310012 主要从事石工钻头的研发。
关键词：结构设计；石工钻头；使用寿命
中图分类号：TH12
0 引言
随着建筑行业的快速发展，应用石工钻头在石工行业和对砂石、混凝土和岩石的冲击钻孔工作，在全球范围内迅速得到推广和使用。但由于相对恶劣的工作环境和工作过程中的不可控和不可预见性，在使用过程中钻头由于各种不同形式的破坏，从而严重影响了其使用寿命。影响钻头寿命的因素除了工作环境、操作方式、工作压力以及石材材质等外在因素，以及钻头钻杆的材料和硬质硬质合金刀头的性能等因素外，钻头的结构设计，如硬质合金刀头的外形设计及其分布，钻头的头部排屑槽的设计，和钻头钻杆的螺旋槽的截面设计及螺旋角等，对提高钻头的使用寿命也有很大的影响。
1 钻头的钻孔机理
要设计好的石工钻头结构，我们首先必须了解石工钻头的钻孔机理。钻孔时，钻头随电动工具的轴作旋转运动，同时作轴向移动运动。石工钻头主要通过传递来自于电动工具产生的锤击冲击力，而不断地高频冲击石材表面，石材在冲击作用下产生放射形裂纹源而破裂。同时石工钻头通过传递来自于电动工具产生的扭矩，破裂的石材在刀头旋转作用下产生挤压破碎作用直接将石材切除。同时在离心力和螺旋槽挤压作用下，破碎的石材被松碎，形成碎屑压向孔壁，同时沿钻杆的螺旋槽上升到石材表面。再由离心力的作用将碎屑抛到孔洞周围，从而完成了钻孔的过程。
2 石工钻头的结构分析
石工钻头主要由作为基体的钻杆和参与切削作用的硬质合金刀齿组成。
2.1 石工钻头钻杆结构
钻杆除了主要起传递应力冲击波、传递扭矩，以及保持和固定硬质合金刀齿的作用外，还起着导屑排屑的作用。它在承担传递扭矩作用的同时，还要承受来自电锤/冲击钻的高频轴向冲击作用。在设计钻头的钻杆部分时，首先要保证钻杆的强度，即其最小部分不仅能承受钻头在工作时的冲击力，还要能承受扭矩力，尤其是钻头在堵转时产生的瞬间周向冲击力。钻杆的结构设计主要是头部排屑槽的设计，以及螺旋槽的设计。头部排屑槽主要起将碎屑从刀刃导向螺旋槽的作用，其容屑空间越大越好，导屑距离越短越好，使碎屑能快速导入到螺旋槽内，以减少刀刃的磨损，从而延长钻头寿命。对于螺旋槽的设计，实验数据表明螺旋槽的螺距越小越有利于碎屑的快速排出，也能延长钻头寿命。
2.2 石工钻头硬质合金刀头
硬质合金刀头主要承担来自电锤的高频冲击波.直接将高频冲击波传递到被钻石材表面，并参与切削工作。硬质合金刀头在工作时的受力情况极为复杂，在高频冲击力作用下.产生弯矩和扭矩，极易造成断齿或碎齿.所以设计钻头时应针对钻头实际工作情况，选用相应的合金牌号和齿形以及硬质合金刀头的分布。
2.2.1 硬质合金刀头的露齿高
硬质合金刀头抗弯抗扭能力相对较差，所以固齿后的露齿高度不能太高，否则在工作时会产生较大的弯矩，硬质合金刀头容易发生折断现象。同时，硬质合金刀头在钻孔时起冲击及刮削石材的作用，所以固齿后的露齿高度也不能太低，否则会降低钻头的钻孔速度，降低钻孔效率。
2.2.2 硬质合金刀头的数量
在设计硬质合金刀头的分布时应尽可能使一面上的硬质合金刀头受力均匀，使硬质合金刀头在一个有效工作周期内能完全连续切除孔底石材或钢筋。
通常，硬质合金刀头的数量越多，在钻孔时越稳定，振动越小。如下图1，2分别是四刃硬质合金刀头和两刃硬质合金刀头的钻头在钻孔时的动态振动信号，从图片中可以看出四刃刀头的钻头在钻孔时的更加稳定，有利于提高钻孔质量，提高钻孔效率及钻头寿命。
但是硬质合金刀头的数量越多，钻头成本也越高，同时也会影响到排屑槽及螺旋槽的排屑效率，因此在保证切削有效的情况下，应合理地布置硬质合金刀头。钻头硬质合金刀头的最小数量，即在一个旋转周期内保证石材切除的理想的刀头数量，可以按下面的经验公式计算加以确定。
如果刀头数量偏少，那么就会出现在第一个冲击频次内不能全部切除的石材.在第二个冲击频次到来后，硬质合金刀头在相同进给量的情况下.既要完成本次冲击的石材/钢筋的切除任务，又要切除前一个冲击频次未切除的石材/钢筋，这样使硬质合金刀头瞬时受力急剧增加，当超过硬质合金的强度极限时.会造成硬质合金刀头的断裂而导致钻头报废。因此在实际设计硬质合金刀头分布数量时要乘上一个经验系数k以消除这种可能.也就是说在一个冲击频次内，各硬质合金刀头的切削轨迹弧长总和大于硬质合金刀头所在圆周周长，这样既能保证完全切除石材/钢筋又能适当减少每颗齿的受力情况而防止因切削阻力瞬时过大造成的破坏。当然硬质合金刀头的数量也不是越多越好，硬质合金刀头多了除了增加钻头的成本外.还增加了钻头工作过程中的摩擦阻力，同时也减少了钻头的整个排屑空间，不利于排屑。设计合理的硬质合金刀头数量，有利于提高钻头的使用寿命。
3 结论
为使钻头有合理的寿命，石工钻头结构设计时，应考虑以下几点：
（1） 钻杆 头部排屑槽，导屑距离越短越好；螺旋槽的螺距应尽量的小；
（2） 硬质合金刀头 设计露齿高时应综合考虑刀头强度及钻孔效率；刀头数量及布置应设计合理。
参考文献
[1] 钻头设计应用 王启仲 机械工业出版社 2010.04
[2] 金刚石钻头设计与制造新理论新技术 张绍和 中国地质大学出版社 2001
[3] 碎岩工程学 张祖培 地质出版社 2004
[4] 图解普通麻花钻与倪志福钻头 蔡运飞 段建中机械工业出版社 2008.10
[5] 岩土钻掘钻头（5冲出钻头） 冶金工业部地质勘查总局、探矿技术研究所 冶金工业出版社 1997.6
作者：张铁燕 女 1975年出生 博世电动工具（中国）有限公司 工程师 杭州市 310012 主要从事石工钻头的研发。