岩盤掘削ツールの故障解析と適切な使用
岩盤掘削工具の故障分析：中国では現在、コラムビット／インサート歯ビット、超硬合金製一体型ビット、超高強度岩盤ビット、K610カーバイドなど、それぞれ異なる特徴を持つ様々な岩盤掘削工具（RDT）を生産しています。これらの工具の品質と寿命は向上していますが、依然としてばらつきがあります。初期の故障は主にビットとドリルロッドの不具合が原因です。
ビットの故障は、異常摩耗と正常摩耗、すなわち破片化、歯の破損、歯の喪失、欠け、破損によって発生します。チゼル型ビットは、切削翼が薄すぎる、摩耗が早い、形状安定性が低い、超硬インサートのクランプが不十分であるなどの理由で故障することが多く、インサートの損失と摩耗の加速につながります。球形／ボタン型ビットは、一般的に刃先の剥離、刃先の破損、スカート部の割れ、キャップの損失、および胴体（本体）の破損に悩まされます。7655空気圧ドリルを用いて硬質花崗岩で実施した現地調査では、家庭用の∅40～∅42インサート歯ビットにおいて、刃先の剥離が22.7%、刃先の破損が35.4%、破片の喪失が26.4%という結果が出ました。これは、刃先の損傷が主な故障モードであることを示しています。原因としては、刃先歯にかかる偏心応力や不均一応力、ラジアル圧力の差、歯穴壁の塑性変形の増加（ベルマウスの発生やクランプ力の低下につながる）、歯と歯穴間の干渉ばめ不足、ビット本体の硬度の低さなどが挙げられます。ビット本体の硬度が高いほど、中硬度/低硬度のビット本体よりも炭化物に有利です。溶接品質、フラックスの性能、溶接方法、使用方法も不具合に影響します。ビット本体の破損の80%以上は、ビット面とスカート部の接合部で発生し、インサート歯ビットの部分的な破損は歯穴底に沿って広がります。不適切な鋼材の選択、不適切な形状、不適切な製造方法、または誤った使用方法も破損を悪化させます。
ドリルロッドは、衝撃、曲げ、腐食といった交互の応力に耐えるため、高い疲労強度、衝撃靭性、耐腐食性、そして低いノッチ感度と亀裂伝播速度が求められます。ロッドの破損には、低硬度による小径ロッドシャンク端の変形、高硬度端の破裂、カップリングにおけるねじ摩耗、疲労破壊、脆性破壊などがあります。疲労破壊は、材料欠陥（非金属介在物、多孔性、白点、傷、脱炭、腐食割れ）または不適切な材料/熱処理（浸炭によるコアの過硬化、焼入れ不良によるテール割れ、焼入れ割れ）によって発生し、伝播します。設計上の欠陥やカップリングの不適切な適合は亀裂を誘発する可能性があります。また、誤った使用方法（ハンマー痕、接合部の潤滑不良、腐食）も亀裂や破損の原因となります。一部のロッドの破損は疲労の特徴を示さず、明るい結晶の脆性破損として現れます。これは通常、欠陥、大幅な断面変化、鍛造ラップ、または不適切な熱処理によって、強度の低下や応力集中の増加、および急速な亀裂伝播が生じることが原因で発生します。
岩石掘削ツールの正しく合理的な使用 2.1 設計品質の向上 合理的な構造パラメータを決定し、新しいタイプを開発することは、寿命を延ばすための前提条件です。 インサート/コラム歯ビットの場合、半球形のクラウンにより高い掘削速度と耐久性のある圧縮抵抗が得られます。 歯の直径は、引張強度とクランプ強度を確保する必要があります。 エッジ歯の損傷を減らして寿命を延ばすには、(1)適切な歯の形状、直径、露出高さを選択してエッジ歯を強化します。 (2)エッジ歯のすくい角を減らして、荷重分散と耐衝撃性を向上させます。 (3)正しい溶接ギャップと干渉かみ合いを選択して保持力を高めます。 (4)エッジ歯に強度の高い熱処理済みの炭化物を使用して断片化を防止します。 (5)ビット本体を強化して耐摩耗性を向上させます。 （6）歯のレイアウトを最適化し、可能な場合は刃先歯の数を増やし、フラッシングを改善します。切羽の水穴と大きなギャップの3溝/2穴フラッシングシステムを維持して、切削片の除去率を高め、切削片の再研磨を減らし、エネルギー消費を抑え、ビットの寿命を延ばします。
ロッド形状の改善：例えば、インガソール・ランド社のフルスレッドロッドは、表面硬化処理を施したロール成形により製造され、大きなねじれ角と優れたセルフロック機構により、靭性、耐摩耗性、組立・分解性が向上しています。外観とパッケージデザインを改善することで、工具を保護し、耐用年数を延ばします。
2.2 高品質の材料を選択する 工具材料は、靭性と耐摩耗性を備え、剛性、疲労強度が高く、ノッチ感度が低く、炭化物保持力が強く、ある程度の耐食性を備えている必要があります。推奨される鋼には、優れた機械的特性と破壊特性を兼ね備えた 24SiMnNi2CrMo（スウェーデンの FF710 に類似）、ロッド用の 40SiMnMoV（平均貫入長は約 1225.4 m、外国のレベルに近い）、スウェーデンの 95CrMo 小型ロッド寿命（約 250 m）に近い小型ロッド用の 55SiMnMo、ロッドあたり約 300 m を実現する 35SiMnMoV などがあります。これらの鋼は、焼入れ焼戻し後に、疲労靭性の大きいベイナイト微細組織を形成します。インサート結合型の小型および中型ビットの場合、ビット本体には 40MnMoV が適しています
2.3 先進的な製造技術の導入 従来の鍛造に代わる、機械加工によるビット製造は重要な開発課題です。溶接インサートビットについては、適切な加熱装置（超音波炉または中周波誘導炉）または完全誘導加熱を用いることで、酸化と脱炭を防ぎ、加熱時間を制御可能に短縮し、ろう付けを容易にし、冷却制御によって焼入れ応力を回避します。ろう付け品質を向上させるため、溶接サイズを適切に拡大し、等級分けされた砥石を選択し、有機溶剤で溶接面を徹底的に洗浄します。
インサートの固定には、中径および大径の場合、熱間圧着が推奨されます。これは、ビット本体および超硬合金の特性への影響を最小限に抑え、表面品質を維持し、接合部に2軸圧縮応力状態を生み出し、良好な保持力を提供し、破片の損失を低減し、鋼の熱処理を最適化するためです。冷間プレスインサートには高い加工精度が求められます。高精度工具と短寸チェーンを使用することで、接触剛性と歯穴表面品質を向上させます。工具形状は、より大きな切削変形と押し出し強度を可能にする必要があります。これにより、穴壁に有益な圧縮残留応力とひずみ硬化された表面層が形成されます。
ロッドの寿命を延ばすため、ベルマウス、バリ、クラックの発生を防ぐ精密鍛造・機械加工金型を製造します。中空鋼の圧延品質を向上させ、へこみ、かさぶた、折れ、脱炭を防止します。
結論 この論文では、RDT の破損モードを分析し、ビットの構造と損傷形態を調査して、破損の原因を示し、寿命を延ばす対策（適切な構造パラメータ、高品質の材料の選択、高度な製造技術）を提案しました。ただし、ツールの寿命は、固有の品質と科学的な使用方法に依存します。追加の実用的なポイント：ビットを取り外すときは、ハンド ハンマーではなくプーラーを使用します。ビットを再研磨して表面亀裂の発生と成長を減らし、掘削速度を上げます。正しい操作に従います。フル速度で掘削する前に、ビットが岩に入るまでゆっくり前進させます。ロッド カップリングが同心で、ねじが完全に噛み合っていることを確認します。ビットが固着した場合は、ハンマーを使用しないでください。入口バルブを閉じ、水を開け、ゆっくり前進させ、前後に動かしてボアウォールを滑らかにしてツールを解放し、カーバイドの破片、シャンクの破損、ロッドの破損を防止します。
要約すると、さまざまな条件下で適合したドリル、専用ツール、適切なマシンを使用すると、RDT は潜在的なパフォーマンスを発揮できるようになります。
