浅析潜孔钻头设计
一、钻头的受力分析 （一）潜孔钻工作原理
潜孔钻工作时，推进调压机构使钻具连续推进，并使转头始终与孔底岩石接触。回转机构使钻具连续回转。同时，装在钻杆前端的冲击器在气压的作用下，其活塞不断冲击钻头，钻头获得冲击后获得能量，潜入孔底，产生使岩石受挤压的冲击力。钻具回转避免了钻头重复打击在相同的凿痕上，并产生了对孔底岩石起刮削作用的剪切力，在冲击器活塞冲击力和回转机构的剪切力作用下，岩石不断被压碎和剪碎。气压由气接头进入，经由中空钻杆直达孔底，把剪碎后的岩渣，从转杆与孔壁之间的得环形空间吹到孔外，从而形成炮孔。
（二）潜孔钻受力分析
通过对潜孔钻工作原理的分析得出潜孔钻头在工作时主要受力如下： 1.潜孔钻机的输出转矩：M=7000 N·m 2. 潜孔钻机的推力：F推=80 KN
3.冲击器产生的冲击力：F冲=E/S=520J/8㎜=65 K·N 式中：E为冲击器输出的冲击功 S为一次冲击钻头轴向压入深度 受力简图
三、钻头的有限元分析 （一）模型受力状态设定
1.当钻头在冲力的作用下前端的合金柱先与岩石接触,故将冲击力设定作用在钻头的前两个截面上的合金柱孔底面。
2. 潜孔钻机的推力是保证钻头始终与岩石接触。故将推力作用在所有合金柱孔底面。
3.转矩是钻机通过冲击器作用在钻头的花键上。
4. 因为钻头前端的合金柱在冲击力的作用下打入岩石部分产成了固定，所以约束点设在钻头前端距中心最近的三个合金柱孔的内圆周面上。
5.在合金柱与钻头本体的过盈配合存在着很大的内应力，故将内应力作用在所有合金柱孔的内圆柱面上(假设压入产生的内应力为200MPa)。
模型设定简图
（二）在同样作用力下对三种钻头的应力分布与变形有限元分析 1.四翼钻头在没有考虑内应力时钻头的应力分布情况：
四翼钻头在没有考虑内应力时钻头的应力的最大值为336.79Mpa,作用在前端的三个合金柱孔上。
2.四翼钻头在没有考虑内应力时钻头的变形情况：
四翼钻头在没有考虑内应力时钻头变形量的最大值为0.178㎜,作用在小端，钻头的大端的最大变形量为0.11119mm。
3.四翼钻头在考虑内应力时钻头的应力分布情况：
四翼钻头在考虑内应力时钻头应力的最大值为588.22Mpa,作用在所有合金柱孔上。
4.四翼钻头在考虑内应力时钻头的变形情况：
四翼钻头在考虑内应力时钻头变形量的最大值为0.16753㎜, 作用在小端的花键上，钻头的大端的最大变形量为0.1303mm。
四.钻头材料及工艺的选择 1、钻头本体材料的选择
恶劣的工作环境对钻头本体的硬度、强度、韧性、抗冲击性、耐磨性、抗疲劳性等都提出了较高要求，综合考虑各部分的性能要求，可以认为钻头本体整体材料选择需要满足以下几个方面的要求：
(1)表面硬度较高以增强耐磨性，心部韧性较好以增强抗冲击能力。 为避免出现脆性断裂和疲劳断裂，材料需要有良好的断裂韧性、疲劳强度和断裂强度；
(2)具有高淬透性。
以满足本体各部分对性能的不同要求，有利于提高表面屈服强度，改善齿孔对合金齿的固紧力，而且还可提高心部的屈服强度和韧性；
(3)在遇到井下岩层气液时能抗一定腐蚀； (4)一定高温下，材料硬度稳定不易软化；
(5)工艺性能好，如良好的锻造性、热处理后残余应力较小等； (6)冶金质量高，组织均匀性好，杂质少，尤其是磷的含量要低，碳化物均匀。
因此，在满足以上要求，加工性能好，材料成本低，材料选用42CrM0较为合适。
2.钻头冲击端面
钻头冲击端面失效形式以冲击疲劳为主。可考虑通过以下方法提高其使用寿命：
(1)降低表面粗糙度，提高接触精度，以降低冲击时局部应力集中和减小应力峰；
(2)合理匹配活塞与冲击端面的硬度关系。应优先考虑活塞的使用寿命改善，改变更换钻头同时也需要更换活塞的现状；
(3)表面处理，如喷丸或滚压，可以有效地提高疲劳强度和疲劳寿命。
3.花 键
(1)严格按照设计要求进行加工，保证花键适当的配合间隙和均匀性； (2)表面渗碳淬火，以提高表层硬度，达到抗塑性变形和冲击疲劳能力； (3)降低表面粗糙度，提高接触精度； (4)增大花键断面面积可以提高钻头强度。 3.钻头合金柱的选择
为了提高钻头的使用寿命，应该根据以下三个要求来具体选择硬质合金牌号：
（1）根据钻孔技术参数。对高频小冲击功钻进多采用硬质钼含量高的合金，而对低频大冲击功钻进则要求韧性要好，多采用粘结钼含量较高的合金；
（2）根据不同岩层的岩性。对一般岩层选择含钴量较低的硬质合金以增强耐磨性和冲击效果，对坚硬岩层选择含钴量较高的硬质合金以提高冲击韧性，避免脆断等现象；
（3）根据不同位置的合金柱工作特征选择。由于边缘合金柱和中间合金柱受力不同，边缘合金柱含钴量较低，以增强耐磨性;中间边缘合金柱含钴量较高，以提高抗冲击能力。
不同牌号的合金柱搭配使用，可以在满足使用要求的同时降低硬质合金的相对消耗量，从而降低了成本。与普通硬质合金性能相比，超细晶粒的硬质合金和纳米复合材料不仅硬度高、耐磨性好，而且还具有更高的强度和韧性。
