Exigences en matière de conception, de fabrication et d'entretien des outils de forage de roche
Un outil de forage de roche est un système complet de transfert d'énergie. La perceuse génère un impact et une rotation, l'adaptateur de tige et le foret transmettent cette énergie, et le trépan l'applique à la roche. Si un maillon de cette chaîne devient défaillant, l'efficacité du forage, la précision du trou, la durée de vie de l'outil et les coûts d'exploitation s'en trouvent affectés.
Pour les travaux miniers, de creusement de tunnels, d'exploitation de carrières et d'infrastructures, la performance d'un forage ne repose pas sur un seul composant. Elle exige un équipement compatible, une conception d'outil adéquate, une qualité de fabrication constante, des matériaux appropriés, un traitement thermique approprié et une utilisation soigneuse sur le terrain.
L’objectif est simple : transférer l’énergie efficacement, casser la roche efficacement, maintenir des connexions fiables, réduire les temps d’arrêt et obtenir le coût le plus bas possible par mètre foré.
Exigences fondamentales pour les outils de forage de roche
Un système d'outils de forage fiable doit répondre à plusieurs exigences générales :
Transfert efficace de l'énergie d'impact et de rotation
Capacité de concassage de roches efficace
Compatibilité avec la foreuse et la formation rocheuse
Structure simple, durable et facile à fabriquer
procédures pratiques d'entretien et de réaffûtage
Durée de vie stable et fonctionnement économique
Résistance à la fatigue, à l'abrasion, à la corrosion et à l'usure des connexions
Chaque composant présente des conditions de fonctionnement différentes. Une tige de forage doit résister aux chocs, à la flexion, à la torsion et à la corrosion. Le corps d'un trépan doit supporter les plaquettes en carbure tout en résistant à l'usure et à la fissuration. Un raccord fileté doit transmettre l'énergie sans se desserrer ni se gripper. Ces différentes exigences doivent être prises en compte lors de la conception et de la fabrication.
Conception intégrale en acier de perçage
L'acier de forage monobloc intègre la tige, le corps de la tige et le trépan en un seul composant. Ne pouvant être séparé en pièces remplaçables, sa conception doit viser une durée de vie équilibrée pour toutes ses sections.
Si une section cède beaucoup plus tôt que les autres, la valeur économique de l'outil complet s'en trouve réduite. Par exemple, un foret robuste est peu utile si son extrémité se fatigue prématurément, et un corps de tige durable ne compense pas l'usure rapide du foret.
Le traitement thermique est particulièrement important. Différentes zones d'un acier de forage monobloc peuvent nécessiter différents niveaux de dureté et de ténacité. Une zone adoucie créée lors de la fabrication peut affecter considérablement la durée de vie en fatigue. Si cette zone se situe dans une zone de fortes contraintes où se concentrent les ondes d'impact, le risque de rupture peut augmenter.
L'extrémité de la tige doit présenter une bonne dureté superficielle pour résister à l'usure et une ténacité interne suffisante pour absorber les chocs répétés. La transition entre les zones dures et tenaces doit être progressive. Des variations brusques de dureté ou de microstructure peuvent engendrer des concentrations de contraintes et réduire la fiabilité.
Rectitude, état de surface et durée de vie en fatigue
La qualité de surface de l'acier de forage influe directement sur sa résistance à la fatigue. De petits défauts peuvent devenir des points d'amorçage de fissures sous l'effet d'impacts répétés.
Les défauts potentiellement dangereux comprennent :
Rayures et bosses
piqûres de corrosion
Couches superficielles décarburées
Calamine d'oxyde
Marques d'identification Sharp
Marques d'usinage grossières
Rayons de transition faibles au niveau des épaules
Défaut de rectitude à l'extrémité de la tige
Faces de tige non perpendiculaires
Une extrémité de tige non perpendiculaire à l'axe de la tige peut engendrer des contraintes d'impact excentrées. Ceci peut accélérer la fatigue de la tige de forage, endommager la face du piston de la foreuse, augmenter l'usure des cannelures et générer des vibrations et du bruit inutiles.
Les fabricants doivent utiliser des procédures d'usinage, de traitement thermique, de redressage et d'inspection contrôlées. Les entrepreneurs doivent retirer du service les barres endommagées avant que les défauts de surface ne se transforment en fractures de fatigue.
Protection contre la corrosion et grenaillage
Les outils de forage de roche fonctionnent souvent dans des environnements humides et corrosifs. L'eau des mines, les fluides de forage et l'humidité de stockage peuvent créer des piqûres de corrosion qui réduisent la résistance à la fatigue.
La protection anticorrosion doit couvrir à la fois la surface extérieure de la tige et l'orifice de rinçage interne, le cas échéant. Des revêtements à base de phosphate, des huiles protectrices, des cires ou d'autres systèmes anticorrosion homologués peuvent être utilisés conformément aux instructions du fabricant et aux exigences environnementales locales.
Le grenaillage peut également améliorer la résistance à la fatigue. Il induit une contrainte de compression dans la couche superficielle, contribuant ainsi à limiter l'amorçage des fissures. La taille exacte des billes, la vitesse, la couverture et le contrôle du procédé doivent être validés en fonction de l'acier et de la géométrie du foret. Les valeurs historiques constituent des références utiles, mais ne doivent pas être adoptées sans validation technique.
Conception des forets et sélection du carbure
Le trépan doit être adapté au type de roche, à la méthode de forage, au diamètre du trou et à la puissance de l'engin. Les trépans à lames, les trépans en croix, les trépans à boutons et autres modèles présentent des avantages et des inconvénients différents.
Les trépans à lame sont simples et peuvent être utiles pour le forage de trous peu profonds ou de petits diamètres. Cependant, leurs arêtes de coupe peuvent s'user de manière irrégulière et leur utilisation peut être plus limitée pour les grands diamètres ou dans des conditions rocheuses difficiles.
Les trépans à boutons offrent une grande flexibilité dans la disposition des boutons et permettent un concassage multipoint. Ils garantissent une efficacité accrue, une meilleure conservation de l'épaisseur et des intervalles d'affûtage plus longs pour les applications appropriées. Le nombre, le diamètre, la projection, l'espacement, l'inclinaison et le système d'évacuation des boutons doivent être choisis comme un système à part entière.
Le choix du carbure repose sur un équilibre entre résistance à l'usure et ténacité. Un carbure plus dur résiste mieux à l'abrasion, mais est plus sensible aux surcharges, aux chocs thermiques et à un réaffûtage insuffisant. Un carbure plus dur résiste mieux aux impacts et aux roches de nature variable, mais s'use plus rapidement dans les formations très abrasives.
Le degré de carbure approprié doit donc être confirmé par des essais sur le terrain, en tenant compte de l'abrasivité de la roche, de sa dureté, de son état de fracture, de l'énergie de forage, du rinçage et de la durée de vie souhaitée.
Rétention du bouton et résistance du corps du mors
Les fraises à boutons peuvent être fixées par insertion à chaud ou par pressage à froid. Lors de l'insertion à chaud, le corps de la fraise, chauffé, se dilate, permettant ainsi l'installation des boutons avant que l'acier ne se contracte en refroidissant. Lors du pressage à froid, les boutons sont insérés de force dans les trous par un ajustement serré contrôlé.
Les deux méthodes exigent des dimensions de perçage précises et un serrage adéquat. Un serrage excessif peut fissurer le carbure ou déformer plastiquement le corps du foret. Un serrage insuffisant peut entraîner un déplacement ou une perte du bouton.
Le corps du foret doit rester suffisamment robuste pour supporter les boutons pendant le perçage, notamment au niveau du calibre. Les boutons du calibre subissent un frottement et une abrasion importants au niveau des parois latérales. Si les trous des boutons se déforment, ces derniers peuvent se desserrer et le foret risque de perdre rapidement son diamètre.
Une bonne conception des mèches à boutons nécessite également un espace d'évacuation des copeaux suffisant. Une mauvaise évacuation des copeaux augmente la fréquence d'affûtage, la chaleur, l'abrasion et la consommation d'énergie. Des rainures frontales et des trous d'évacuation bien conçus permettent d'éloigner les copeaux du fond du trou.
Utilisation et entretien corrects sur le terrain
Même les outils de forage haut de gamme peuvent tomber en panne prématurément en cas de mauvaise utilisation. Une méthode de travail rigoureuse est donc indispensable.
Lors du sertissage, appliquez une force d'impact contrôlée et réduisez la force d'avance jusqu'à l'amorçage du trou. Une fois le trépan correctement guidé, le forage peut se poursuivre avec les paramètres de fonctionnement recommandés. Une avance excessive peut augmenter les contraintes de flexion et accélérer l'usure du trépan. Une avance insuffisante peut créer des contraintes de traction néfastes et un forage inefficace.
Évitez de heurter les outils de perçage avec des marteaux lors de leur installation ou de leur retrait. Utilisez des outils de démontage spécifiques. Les dommages externes causés par les marteaux, les pierres ou une mauvaise manipulation peuvent réduire considérablement leur durée de vie.
Veillez à ce que les raccords filetés restent propres et lubrifiés avec une graisse adaptée. Une chaleur excessive au niveau du manchon ou du filetage peut indiquer un frottement excessif, un mauvais ajustement, une contamination ou une usure. Les raccords et les tiges endommagés doivent être réparés ou remplacés avant qu'ils n'endommagent d'autres composants.
Ne jamais procéder à un tir à blanc prolongé, lorsque le piston de la foreuse percute la tige de forage sans que celle-ci ne soit appuyée contre la roche. Cela peut engendrer de fortes contraintes de traction et endommager les plaquettes en carbure, le système de retenue du bouton, les extrémités de la tige et les tiges de forage.
Réaffûtez les outils avant que l'usure ne devienne excessive. Les arêtes de coupe trop usées sont difficiles à restaurer sans gaspiller de carbure et peuvent déjà avoir causé des dommages qui réduisent les performances de l'outil. L'affûtage doit être effectué avec des meules appropriées, une pression modérée et des méthodes de refroidissement adéquates afin d'éviter la surchauffe et les fissures.
Conclusion
Les performances d'un outil de forage dépendent d'un système complet comprenant la conception, les matériaux, la fabrication, l'exploitation et la maintenance. Un acier de forage robuste ne suffit pas. Une géométrie de trépan optimale ne suffit pas non plus. L'ensemble de la garniture de forage doit être compatible avec l'installation, la formation rocheuse et l'objectif de forage.
En contrôlant la qualité de surface, le traitement thermique, la protection contre la corrosion, la sélection du carbure, la rétention des boutons, la conception du rinçage et les pratiques des opérateurs, les entreprises de forage peuvent améliorer la régularité de la pénétration, réduire les temps d'arrêt imprévus et prolonger la durée de vie utile des outils de forage.
