李 平，李 偉，李和勝

(富世華(河北)金剛石工具有限公司,河北 石家莊 052165)

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鉆進鋼絞線加強預應力混凝土空心板的鉆頭設計

李 平，李 偉，李和勝

(富世華(河北)金剛石工具有限公司,河北 石家莊 052165)

針對鋼絞線加強預應力混凝土空心板的實際工況，提出了一種新型的鉆進用工程鉆頭設計，優(yōu)化和改進了胎體配方設計和刀頭齒形。通過實際的鉆進測試，新型鉆頭設計的鉆進效率提升20%以上，且無鉆進過程卡死現(xiàn)象發(fā)生，特別切合鋼絞線加強混凝土空心板的高效鉆進作業(yè)。

金剛石工程鉆；預應力空心板；鋼絞線

1 引言

預應力混凝土空心板(典型代表為YKB板)因其具有安裝方便、施工快捷等優(yōu)點，作為樓板或者屋頂板，在各式住宅、廠房中被廣泛應用。近年來，隨著建筑業(yè)的蓬勃發(fā)展，建筑規(guī)模(跨度)的不斷擴大，對樓板和屋面板自重的要求也越來越高。隨著技術的成熟，在預應力鋼筋混泥土中，使用鋼絞線替代熱軋鋼筋作為加強材料已漸成趨勢，這不僅節(jié)省鋼材，減小混凝土梁截面積，也有助于減輕梁體/樓板自重，更好地服務于大跨度的應用領域[1]。

作為預制板，也就意味著其規(guī)格尺寸是預先定制的、統(tǒng)一的，但建筑形式、大小卻是千變萬化的。在實際的建筑應用中，必然會對預制板進行必要的加工作業(yè)。一般而言，預應力鋼絞線的硬度高于熱軋鋼筋，如常用的Ф16mm熱軋螺紋鋼的抗拉強度為455MPa，但是常見預應力鋼絞線1×7-15.20-1860的抗拉強度等級可以達到1860MPa[2]。實際工作對預應力鋼絞線加強預制板的切割和鉆進提出了更高的要求。

本文在實踐的基礎上針對鋼絞線加強混凝土空心板的鉆進提出了一種新型的工程鉆頭設計，并進行了實際的鉆進測試，驗證了新設計的可行性。

2 工具設計

2.1 工況分析

針對鋼絞線加強預應力混凝土空心板而言，常見的鋼絞線規(guī)格為：1×7-15.20-1860鋼絞線，使用7根直徑為Ф5mm 鋼絲繞制成直徑Ф15.20mm的鋼絞線，鋼絞線按設計規(guī)定均勻分布于混凝土中，如圖1所示[3]。

圖1 典型的鋼絞線加強混凝土空心板的截面Fig.1 Cross-section of typical prestressed concrete hollow-core slabs

前已述及，預制的鋼絞線由細絲繞制，強度較高，且均勻分布，普通的金剛石鉆頭在鉆進中容易出現(xiàn)鉆進難、易打滑的現(xiàn)象，鉆進效率低；而且由于鋼絞線每根鋼絲直徑較小，特別是在鋼絞線高密度預置的空心板中，鉆頭容易嵌在刀齒之間的間隔中造成崩齒，導致整個鉆孔工作效率緩慢，使工程成本提高，經(jīng)濟效益下降。

結合實際的工況，如果要提高鉆進的效率，確保鉆進過程無卡齒現(xiàn)象發(fā)生，必須在鉆刀頭的胎體設計和齒形以及分布上做文章。

2.2 工具設計

在胎體設計方面，考慮到作為增強材料預置的鋼絞線密度較大，且強度較高，為了保證鉆進的效率，特意選擇了硬度較軟的胎體。并有意識地增加了一定量的胎體弱化元素，確保在不損傷對金剛石把持力的前提下，胎體可以較為容易地受到磨損，底層的金剛石可以正常出刃，參與切割[4]。實際胎體配方以CoFeCu預合金粉末為骨架材料，約占25%；粘結金屬成分占70%，弱化胎體元素約占5%。

在金剛石的選擇方面，考慮在對堅硬致密，硬度大的切割對象進行鉆進時，金剛石極易被磨平或者拋光，因此選用品級較高且粒度分布較粗的金剛石顆粒，粒度選用345～455μm，抗壓強度400N，抗沖擊強度為94%。金剛石顆粒的抗壓強度和沖擊韌性值越高，其工作時破碎斷裂的可能性越小，金剛石工具的磨削性能越好。金剛石濃度在中等濃度的基礎上略微提升2%，以確保更多的金剛石顆?？梢酝瑫r出刃參與切割，保證鉆進的連續(xù)性。

在刀頭齒形的設計方面，應對相對更為嚴苛的鉆進工況，首先嘗試減薄刀頭，從常規(guī)的4mm厚減薄至3.5mm，以進一步減少鉆進阻力，提高鉆進效率。在普通平齒的基礎上，在圓周外圓弧面上增加了渦輪槽，以減少刀頭與鉆切對象的接觸面積，減少摩擦，提高鉆進速度。同時在刀頭頂端改普通平面為屋頂形設計，減少鉆進中刀頭與鉆進對象的有效接觸面積，確保鉆進初期的快速鉆進與定位，防止打滑或鉆孔偏移現(xiàn)象的發(fā)生。針對直徑為100mm的薄壁工程鉆，刀頭的設計如圖2所示。

圖2 屋頂形渦輪鉆刀頭Fig.2 Tool bit of roof shaped turbine drill

在刀頭的布置方面，考慮到鋼絞線的工程直徑(一般為5mm)，刀頭與刀頭之間的間隙應小于鋼絞線的公稱直徑，且總體刀頭數(shù)量采用奇數(shù)，確保鋼絞線不會在鉆進過程中卡入刀頭與刀頭的間隙，或者被兩個對稱的間隙卡死。以Ф100mm薄壁鉆為例，刀頭數(shù)量設定為11片，相鄰刀頭之間的最小間隙為2.78mm，遠低于單股鋼絞線的直徑。工具的設計如圖3所示。

圖3 針對鋼絞線加強預應力混凝土空心板的Ф100mm薄壁鉆設計Fig.3 Ф100mm thin-wall drill bits designed for steel strand reinforced prestressed concrete hollow-core slabs

3 鉆進實驗[5]

3.1 實驗設計

按照常規(guī)金剛石薄壁工程鉆的制備工藝，即刀頭采用熱壓燒結方法制備，工程鉆頭的組裝采用激光焊接工藝，使用相同胎體分別制備了兩種鉆頭，詳細技術參數(shù)如表1所示。

表1 兩種對比試驗用薄壁工程鉆的技術參數(shù)

鉆進對象為YKB24.12-102-10G空心板[3]，板高為240mm，標志長度為10.2m，標志寬度為1200mm，預置一層10根公稱直徑為15.2mm、強度為1860MPa的七股鋼絞線，混凝土標號為C45，如圖4所示。

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

鉆機采用富世華HUS DM230鉆機，固定在鉆架上，人工施加鉆進壓力，鉆機額定功率1850W，轉速選用1850r/min，通清水冷卻，豎直方向鉆孔，每個鉆頭鉆進10個孔，孔深240mm。采用秒表記錄單孔鉆進時間。

3.2 實驗結果

兩種對比用設計鉆頭實際的鉆進用時和換算之后的鉆進速率如表2所示。

通過對比實際的鉆進效率，新設計相比于原有設計，即便采用相同的胎體配合，鉆進效率依然被提升了23%。分析認為，刀頭外圓弧面渦輪槽的存在，鉆頭外圓與切割對象的接觸面積減小，且刀頭厚度較小，增大了鉆進時的刀頭唇面的比壓，有利于胎體磨損和金剛石的自銳，可以有效保證快速和連續(xù)的鉆進[6]。

表2 兩種鉆頭實際鉆進用時及鉆進速率

將兩種鉆頭的實際鉆進效率按照時間順序繪出曲線如圖5所示。

圖5充分展示了兩種鉆頭設計在初始鉆進時的速率對比，從最初鉆進的三個孔的數(shù)據(jù)來看，新設計的鉆進速率被提升了30%以上。充分說明在鉆刀頭頂部添加屋頂形尖頂可以有效地減少初始鉆進時鉆刀頭與鉆進對象的摩擦，增大單位面積的比壓力，有利于準確定位和快速鉆進。而且由于獨特的刀頭分布，整個鉆進過程非常連續(xù)，并未出現(xiàn)因加強筋(鋼絞線)被卡入刀頭間隙而導致的卡死現(xiàn)象出現(xiàn)。相對而言，新設計鉆頭的鉆進連續(xù)性和穩(wěn)定性也大大優(yōu)于原始設計。

圖5 兩種鉆頭實際的鉆進速率對比Fig.5 Comparison of drilling rate designed for the two kinds of drill bits

3 結論

針對鋼絞線增強的預應力混凝土空心板的實際工況，通過減薄刀頭，在外圓弧面增加渦輪槽和在刀頭頂部增加屋頂形尖頂，可以有效降低刀頭與鉆進對象的摩擦，有助于將鉆進效率提升20%以上；而且屋頂形尖頂在鉆進初期對鉆進效率的提升作用更為明顯。

通過優(yōu)化刀頭數(shù)量，縮減刀頭之間的間隙到小于加強用鋼絞線的直徑，可以杜絕因為鋼絞線被卡入刀頭間隙而出現(xiàn)的鉆進被卡死現(xiàn)象，確保鉆進的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

鉆進速率的提升可以有效的縮短工期，提升工程整體的經(jīng)濟效益；而連續(xù)穩(wěn)定的高效鉆進可以有效的保證鉆進的質量，提升整體的工程質量。

[1] 宋雅涵.砌體結構建筑的發(fā)展趨向[J].中州建筑, 1996(4):15.

[2] GB/T 5224-2003預應力混凝土用鋼絞線[S].

[3] GB/T 14040-2007預應力混凝土空心板[S].

[4] 王生福. 關于薄壁金剛石鉆頭胎體性能的探討[J]. 探礦工程, 2005(11): 23.

[5] 楊俊德. 金剛石鉆頭和金剛石鋸片磨損機理、設計及性能測試研究[D]. 長沙: 中南大學, 2004.

[6] 溫姝靜. 試談影響金剛石鉆進效率的幾個主要方面[J]. 工業(yè)金剛石, 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，設計工程師，主要從事金剛石工具的設計及研制工作。

李和勝(1981-)，工學博士，高級工程師，主要從事金剛石工具研制開發(fā)工作。E-mail：diamondli99@126.com

李平，李偉，李和勝.鉆進鋼絞線加強預應力混凝土空心板的鉆頭設計[J].超硬材料工程，2016，28(5)：11-14.

TQ164

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1673-1433(2016)05-0011-04