岩盤掘削ツールの寿命を延ばす方法
岩石掘削ツールの故障解析：
近年、我が国の岩盤掘削工具は急速に発展し、柱歯ドリルビット、超硬合金一体型ドリルビット、超強靭岩盤ドリルビット、K610超硬合金、ニ-Cr-Mo超高強度ドリル工具鋼、∅38波型および台形ドリルロッドなど、それぞれ独自の特徴を持つ一連の製品が形成され、品質と寿命が大幅に向上しました。しかし、量産品の品質は依然として不安定であり、ドリルツールの故障が早期に発生します。その原因は次のように分析されます。
1. ドリルビット
ドリルビットの損傷形態は、主に破片、歯の破損、内部の歯の除去、ドリル本体の膨らみ、破損などの異常摩耗と正常摩耗があります。わが国では古くから旧式のストレートドリルビットを使用してきました。スクラップ後、合金片中央の平均残留刃は12mm以上で、正常率は5％未満です。膨らみ、逆円錐摩耗、腰の破損、硬い岩石の割れや破片の落下は、ドリルビットの使用量の80％以上を占めることがよくあります。主な原因は、ドリルビットの刃の翼が薄すぎて、相対的な翼の厚さが1.16しかないことです。耐摩耗性がなく、ラジアル摩耗が速く、幾何学的形状の安定性が悪いです。刃鋼本体は合金板に対する締め付け力が不十分で、板が脱落し、発破孔が円形ではなく、回転抵抗が大きく、ドリル刃の摩耗が悪化します。旧式のストレート型ドリルヘッドのテーパー穴深さは32mm、ドリルチップの挿入深さは24mm未満です。テーパー穴が浅いため、高周波・高衝撃荷重の作用下では、トラウザー壁の単位面積あたりの正圧がドリルヘッド鋼体の極限強度を容易に超え、トラウザー膨張やトラウザー割れが発生します。まず、トラウザー開口部の内壁から接線引張残留変形が発生し、トラウザー壁が膨張してラッパ状になり、接続が緩み、トラウザーが脱落します。トラウザー本体の鋼の硬度が高すぎてトラウザー割れが発生すると、粉末排出システムが不良になり、繰り返し破砕が発生し、ドリルヘッドの摩耗が増加します。
ボール歯ドリルヘッドの主な損傷形態は、刃先抜け、歯折れ、トラス割れ、キャップ外れ、ウエスト破損です。中国地質大学でCOP1038HD油圧式削岩機を使用して掘削したスウェーデン製∅48mmボール歯ドリルビットの故障統計によると、歯の損失は37％、歯の破損は28.3％、歯の破損は13.2％でした。7655空気圧式削岩機で硬い花崗岩に穴を開けたところ、歯の損失は22.7％、歯の破損は35.4％、歯の破損は26.4％でした。現場テストでは、歯の損失と破損が見られました。これは、歯が受ける偏心応力が極めて不均一な分布をしているため、歯と歯の間に生じる半径方向の周方向圧力が異なり、歯が受ける応力と歯が受ける半径方向の周方向圧力が異なるため、歯が受ける応力が不十分となり、歯が破損する原因となります。ドリルビット基部の硬度が高いため、歯と穴の干渉嵌合は一定に保たれます。固定時には、歯穴の硬度が高いため、弾塑性変形が不十分です。歯を圧力下で固定すると、微小亀裂が発生しやすくなります。岩石の掘削速度が速くなると、亀裂は様々な方向に広がり、合金歯が不均一に押し潰されます。円柱歯ドリルビットへの衝撃回数が増えると、歯穴壁の塑性変形がさらに大きくなり、歯穴口にベルマウスが形成され、歯の固定力が低下し、歯の剥離が発生しやすくなります。さらに、歯穴間の干渉が小さいため、ドリルビット本体の硬度が低いことも歯の剥離を悪化させます。超硬合金は脆い材料であるため、岩石を掘削する際に数百万回の衝撃を受けると、内部に存在する避けられない気孔、介在物、その他の微小亀裂源が拡大し、破壊され続けます。高硬度のドリルビット本体が超硬合金の歯に与える影響は、中硬度および低硬度のドリルビット本体よりもはるかに大きくなります。ドリルビット本体の硬度が低いほど、圧力が超硬合金の性能に与える影響は小さくなります。しかし、ドリルビット本体の硬度を低下させると、歯の固定力が不十分になり、歯が剥がれる可能性があります。さらに、材質、フラックスの性能、溶接操作、使用方法などの要因にも関連しています。
ドリルビット鋼体の破損の80％以上は、ドリルチップの端面とドリルパンツの底との境界で発生し、柱歯ドリルビットの破損は歯穴の底界面に沿って発生します。応力波の伝達法則から、ドリルチップの端面とパンツの底との間の領域は、波抵抗が急激に変化する領域であることがわかります。応力波の反射と断面の突然変異によって引き起こされる疲労破壊は、多くの場合、不適切な鋼材の選択、不合理な幾何学的構造パラメータ設計、不適切な製造プロセスの選択、不適切な使用方法などの要因によって悪化します。
2. ドリルロッド
掘削ロッドは、運転中に主に衝撃応力、曲げ応力、腐食応力からなる複合的な交番応力にさらされます。そのため、掘削ロッドには高い疲労強度、耐衝撃性、耐腐食性、そして低い切欠き感受性と亀裂成長速度が求められます。掘削ロッドの損傷形態としては、小型掘削ロッドのハンドル端の硬度不足によるトップヒーピング、硬度過多によるトップ爆発、連結ロッドのねじ山摩耗、疲労破壊、脆性破壊などがあります。
ドリルロッドの破損は主な破損形態です。疲労破損は、繰り返し応力下で損傷が蓄積することで発生する亀裂です。通常、材料の弱い部分、例えば非金属介在物、気泡、白斑、傷、脱炭、材料内部の腐食亀裂などが原因です。材質や熱処理の不良、例えば浸炭ドリルロッドの芯が硬すぎる、焼入れ不良でテールハンドル端に亀裂や割れが発生する、ドリルロッドのねじ形状の不適切、スリーブとねじの嵌合不良、コーンとテールハンドルの嵌合不良などの設計上の理由による亀裂や破損、ハンマー痕、ジョイントの潤滑不良、ドリル鋼の腐食など、不適切な使用によって亀裂や破損が発生します。これらの亀裂の拡大に加えて、ドリルロッドの疲労破損は長い開発プロセスの後に発生します。ドリルロッドの疲労破壊の処理は3段階に分けられます。周期的応力の作用下で、ドリルロッドの一部が滑りの形で塑性変形を起こし、微小亀裂が発生します。これが周期的応力の繰り返し作用下で徐々にマクロ亀裂に発展します。第2段階では、マクロ亀裂の発達に伴ってドリルロッドの有効面積が減少します。第3段階では、ドリルロッドの断面積が引張強度に相当する応力まで減少すると、破断します。連接棒ドリルロッドの疲労破壊は、主にねじ山の根元で発生し、亀裂は外面から内部に向かって発達します。小型ドリルロッドの疲労破壊は、ドリルロッドの水孔表面に内部疲労亀裂が発生し、徐々に外向きに発達し、ドリルロッド表面に外部疲労亀裂が発生し、徐々に内向きに発達します。小型ニードルロッドの疲労破壊は、主にカラー手前300～400mm以内で発生します。
鉱山における岩盤掘削の過程で、破断したドリルロッドの一部には疲労痕跡がなく、一般的には明るい結晶表面状態を示しており、脆性破壊と呼ばれることがよくあります。これは主に、ドリルロッドの欠陥（介在物、圧痕、ハンマー痕、断面の過度の変化など）に加え、鍛造時に発生するベルマウス、不適切な熱処理などの要因によって発生し、ドリルロッドの強度低下、塑性低下、または応力集中の増大を引き起こします。これらの要因により、亀裂の進展が非常に速くなり、ドリルロッドの早期脆性破壊を引き起こしやすくなります。
ドリルツールの寿命を延ばす方法
1. デザインの質を向上させる
ドリル工具の寿命を延ばすには、合理的な構造パラメータを決定し、継続的に新品種を開発することが不可欠です。長年にわたり、旧式のストレートドリルが使用されてきました。その短寿命の主な原因は、製品設計の不合理性にあります。これは、相対的に翼厚が薄い、コーン穴が浅い、粉末排出効果が乏しい、幾何学的形状が不安定、早期に円筒変形が発生しやすい、硬質金属板の幾何学的パラメータが不合理であることに表れています。したがって、元の設計に基づいて改良することは困難であり、旧式のストレートドリルはできるだけ早く廃止する必要があります。
ブレードドリルビットは、放射状に配置された全ピースストレート、3枚刃、十字型、X型ドリルビットが広く使用されています。ドリルビットの刃数が多いほど、耐摩耗性が高くなります。十字型ドリルビットは、ストレート型ドリルビットよりも研磨距離が30〜50％高くなりますが、製造と研磨が複雑でコストがかかります。相対翼厚は1.6〜2.2が好ましく、排粉溝の断面積と水穴断面積の合計は、ドリルロッドの中心穴の断面積と同等かそれ以上である必要があります。3穴配置がよく使用され、中心穴の直径はわずかに大きくなります。合理的な本体構造は、ヘッドに2°〜3°の逃げ角があり、延長ズボン本体の円錐面と尾部の円筒面の間に曲率半径R = 30〜80 mmの円弧または円錐遷移があることです。直径45mm未満の小径ドリルビットは円錐接続でドリルロッドに接続され、直径45mmを超えるドリルビットは波形または複合台形ねじで接続されます。岩盤掘削速度はドリルビット径の2乗に反比例しますが、技術を合理的に使用し、ドリルビットの品質と寿命を向上させるために、ドリルビットの研磨頻度を15倍まで増やすことができます。ドリルビットのラジアル摩耗を減らすために、ドリルビットの刃と穴壁との接触面積を増やして粉末の排出をスムーズにし、合金板の隙間角度を合理的に決定し、合金板の厚さを適切に増やすことができます。
コラム歯ドリルビットのコラム歯の冠形状は、ほとんど半球形です。岩石の掘削速度は速く、岩石に押し込むと、歯の表面は圧縮応力に対して比較的強く耐久性があります。歯径の大きさは、十分な引張応力、固定歯の堅固さ、および歯の配置の可能性を考慮する必要があります。歯の数は、効果的な岩石破砕、歯の配置の可能性、十分な強度、および便利な再研磨を考慮する必要があります。故障解析から、側歯の応力状態が悪く、側歯が破損して折れていることがわかっています。側歯の損傷を軽減し、コラム歯ドリルビットの耐用年数を延ばすために、次の対策を講じることができます。
（1）側歯を強化し、歯形、歯径、歯高を適切に選択します。現在、中歯と側歯の歯径は9.65～9.95mmです。側歯の歯径を10.65～10.95mmに大きくすることで、衝撃強度と耐摩耗性を向上させることができます。また、中歯の歯径を8.65～8.95mmに小さくすることで、側歯の配置が容易になり、コストを削減できます。
（2）側歯の傾斜角を適切に小さくすることは、応力状態を改善し、側歯の耐衝撃性を高めるのに役立ちます。海外では30°～35°の傾斜角がよく使用されていますが、これを20°～25°に小さくすることで、側歯の外面と岩石との接触面積が増加し、側歯の自己研磨に役立ち、ドリルビットの半径方向の耐摩耗性が向上します。中間歯は側歯よりわずかに高くなっており、センタリングを容易にし、側歯の横方向の自由表面を開いて岩石破砕効率を向上させます。半径方向の摩耗性が低い軟岩の場合、傾斜角を小さくする必要があります。
（3）溶接ギャップと固定歯の干渉を適切に選択することで、柱歯の固定力を高めます。干渉が小さいと締め付け力は低下します。干渉が少し大きいと、歯穴に傷が付きます。歯をさらに大きくすると、圧入されなくなります。大きすぎると歯が折れやすく、ドリル本体が膨らんで破損することがあります。歯穴の表面粗さを大きくすると、摩擦係数が大きくなり、締め付け力を高めることができます。これは実行可能な対策です。プラスチック製のネスティング（一般的に使用されるH62Y銅材）を媒介として、ネスティングと穴を過渡的に一致させ、歯を干渉合わせします。歯を冷間圧搾すると、歯の固定力の作用でネスティングが互いに押し付けられ、ネスティングが塑性変形して穴歯の粗い表面が互いにくさびで固定されるため、穴歯間の結合力（静摩擦）が増加し、しっかりと固定された歯が得られます。
（4）側歯には高靭性超硬合金を採用し、熱間静水圧処理を施すことで歯の破損を効果的に防止します。ドリルビット本体の強化により、耐摩耗性が向上します。
（5）合理的な歯の配置、可能な限り側面の歯の数を増やし、粉末排出システムを改善し、前面の水穴と大きなギャップの3溝2穴粉末排出システムを保持し、粉末排出効率が高く、岩石粉末の繰り返し粉砕を減らし、エネルギー消費を減らし、ドリルビットの耐用年数を延ばします。
浅孔岩盤掘削ロッドにはB19、B22、B25の六角中空鋼が使用され、中空鋼の使用量全体の約80～85%を占めています。深孔岩盤掘削ロッドにはD32、D38、B25、B32の丸鋼または六角中空鋼が使用され、全体の15～20%を占めています。六角形ドリルロッドは剛性が高く、粉末排出ギャップが大きく、転造性に優れています。
ドリルロッドの構造を改良します。例えば、米国インガソルランド社が提案したフルスレッドドリルロッドは、転造成形法、表面硬化処理により、靭性と耐摩耗性が向上し、ねじれ角が大きく、セルフロックが良好で、分解・組立が容易です。接続端が摩耗した場合は、切断して面取りし、再利用できるため、耐用年数が3～4倍に延長されます。スウェーデンのサムドビック社のSPEEDRODドリルロッドは、ねじ付きコネクティングロッドを採用し、コネクティングロッドスリーブを廃止し、接合面のクリアランスをなくし、接続部のアライメントと剛性を大幅に向上させ、掘削孔の直線性を維持し、省エネを実現します。
ドリルツールの外観品質とパッケージ品質を向上させ、外観形状とパッケージ構造を適切に設計することで、ドリルツールを効果的に保護し、ドリルツールを美しくし、ドリルツールの耐用年数を延ばすことができます。
2. 高品質の素材を選ぶ
ドリル工具の材質選定においては、靭性と耐摩耗性、良好な剛性と耐摩耗性、十分な疲労強度、低い疲労切欠き感受性、高い合金板の締め付け性、そして一定の耐腐食性を考慮する必要があります。優れた加工性能、切削性、良好な焼入れ性と焼入性、良好な溶接性。国情に合致し、価格が安く、NiとCrの使用量を抑えるよう努めます。ファジー数学に基づくドリル工具鋼選定方法の推奨結果は、以下の通りです。
（1）24SiMnNi²CrMo鋼は、スウェーデン製FF710鋼を模倣した新しい鋼種であり、従来の機械的性質、破壊特性、総合評価が最も優れている。道路プロジェクトの国産∅50九歯柱ドリルビットの平均寿命は715.2m/本、最大寿命は901.4m/本で、同プロジェクトのスウェーデン製∅48柱ドリルビットの寿命760m/本に近い。また、優れたドリルロッド材料でもある。鉄鉱山のマーキュリー300油圧式削岩機の油圧トロリーの平均寿命は152.4m/本、ドリルテールの寿命は609m/本で、フランス製23CrNi³Moドリルテールの寿命345m/本より76％高い。
（２）40SiMnMoV鋼製のドリルロッドの平均累計飛行距離は1225.4mで、海外の水準に近い。
（３）５５ＳｉＭｎＭｏ製の小型ドリルロッドの耐用年数は、スウェーデン製の９５ＣｒＭｏ製の小型ドリルロッドの２５０ｍのレベルに近い。
（4）35SiMnMoV製ドリルロッドの平均使用寿命は300m/本に達します。この鋼は、焼入れ、焼戻し、焼鈍、焼ならしなどの熱処理を施すことで、高い疲労強度と靭性を備えたベイナイト鋼となります。
固定片および固定歯の誘導ろう付け用小・中型ドリルビットでは、ドリルビット本体の材質として40MnMoV鋼が使用されています。製造される∅50クロス歯およびコラム歯の波形ねじドリルビットの耐用年数は、スウェーデン製ドリルビットとほぼ同等です。熱間埋め込み歯付きコラム歯ドリルビットには、45NiCrMoV鋼が推奨されます。
超硬合金材料の選択は、岩石の機械的特性と削岩機の種類に適合させる必要があります。通常、非常に硬い岩石や衝撃力の大きい削岩機には、YJoやYG13Cなどのコバルト含有量の高い超硬合金が使用されます。YJ¹、YK25、YG11Cは主に硬岩に使用されます。YG8CとYJ²は中硬さの鉱石に使用され、YJ³とYG6は軟岩に使用されます。超硬合金中のコバルト相の線膨張係数は、炭化タングステンの約3倍です。急速加熱および冷却中に発生する内部応力により、同じ界面に亀裂が生じます。したがって、製造、溶接、研削のプロセスに関係なく、超硬合金の急激な加熱と冷却は避ける必要があります。
銀系はんだは、ドリルチップの海外向けろう付けに広く使用されています。融点が低く、鋼材や超硬合金の性能への影響が少なく、溶接強度が高く、溶接応力が低いという特徴があります。我が国は、対外貿易市場開拓のニーズに応える研究開発を推進する必要があります。現在、岩盤掘削の効率と耐用年数の観点から、105、801、SB-1などの銅系はんだが主に使用されています。
