Moyens d'améliorer la durée de vie des outils de forage de roche
Analyse des défaillances des outils de forage de roche :
Ces dernières années, les outils de forage de roche de mon pays ont connu un développement rapide et une série de produits dotés de caractéristiques spécifiques ont été créés, tels que les forets à dents cylindriques, les forets en carbure intégral, les forets à roche extrêmement résistants, le carbure K610, l'acier à outils de forage ultra-résistant Ni-Cr-Mo, les tiges de forage ondulées et trapézoïdales ∅38, etc., avec une qualité et une durée de vie considérablement améliorées. Cependant, la qualité de la production en série reste instable et les outils de forage tombent en panne prématurément. Les raisons sont les suivantes :
1. Foret
Les dommages subis par le trépan comprennent principalement l'usure normale et anormale, comme la fragmentation, la rupture de dents, l'arrachement interne des dents, le bombement du corps du foret et la fracture. Mon pays utilise depuis longtemps des forets droits à l'ancienne. Après mise au rebut, la lame résiduelle moyenne au centre de la pièce en alliage dépasse 12 mm, et le taux normal est inférieur à 5 %. Le bombement, l'usure en cône inversé, la taille brisée, les fissures et la chute de fragments dans les roches dures représentent souvent plus de 80 % de l'usure du trépan. La principale raison est que l'aile de la lame du trépan est trop fine, avec une épaisseur relative de seulement 1,16. Elle n'est pas résistante à l'usure, présente une usure radiale rapide et une faible stabilité géométrique. Le corps en acier de la lame n'exerce pas une force de serrage suffisante sur la tôle d'alliage, ce qui entraîne la chute de la tôle, la formation d'un trou de mine irrégulier, une forte résistance à la rotation et une usure accrue de la lame. L'ancienne tête de forage droite présente une profondeur de trou conique de 32 mm et une profondeur d'insertion de la pointe inférieure à 24 mm. Le trou conique est peu profond. Sous l'action de charges à haute fréquence et à fort impact, la pression positive par unité de surface de la paroi du trou de forage peut facilement dépasser la résistance ultime du corps en acier de la tête de forage et provoquer une dilatation ou une fissuration du trou de forage. Tout d'abord, à partir de la paroi intérieure de l'ouverture du trou de forage, une déformation résiduelle de traction tangentielle se produit, provoquant une dilatation de la paroi du trou de forage, formant une trompette, un desserrage et la chute du trou de forage. Lorsque la dureté de l'acier du corps du trou de forage est trop élevée pour provoquer une fissuration du trou de forage, le système d'évacuation de la poudre est défaillant et des écrasements répétés se produisent, ce qui augmente l'usure de la tête de forage.
Les principaux dommages à la tête de forage à dents sphériques sont la chute des dents de bord, la chute des dents cassées, la fissuration du pantalon, le retrait du capuchon et la rupture de la taille. Selon les statistiques de défaillance des forets suédois à dents sphériques de ∅48 mm forés avec des marteaux perforateurs hydrauliques COP1038HD à l'Université chinoise des géosciences, 37 % des dents ont été perdues, 28,3 % des dents ont été cassées et 13,2 % des dents ont été brisées. Lors du forage de trous dans le granit dur avec des marteaux perforateurs pneumatiques 7655, 22,7 % des dents ont été perdues, 35,4 % des dents ont été brisées et 26,4 % des dents ont été brisées. Les essais sur le terrain montrent que les dents sont perdues et brisées. Cela est dû au fait que les dents sont soumises à des contraintes excentriques extrêmement inégalement réparties et à des pressions radiales et circonférentielles différentes, ce qui les soumet à des contraintes différentes, ce qui les rend moins résistantes et peut entraîner des fractures. La dureté élevée de la base du foret maintient l'ajustement serré entre les dents et les trous. Lors de la fixation, la dureté élevée du trou de dent réduit la déformation élastoplastique. Lorsque les dents sont fixées sous pression, des microfissures se forment facilement. À mesure que la roche est forée à une vitesse plus élevée, elles se dilatent dans différentes directions, entraînant un écrasement irrégulier des dents en alliage. À mesure que le nombre d'impacts sur le foret à dents de colonne augmente, la déformation plastique de la paroi du trou de dent s'accentue, provoquant un évasement à l'entrée du trou de dent, ce qui diminue la force de fixation et facilite l'arrachement des dents. De plus, la faible interférence entre les trous de dent et la faible dureté du corps du foret aggravent également l'arrachement des dents. Le carbure cémenté étant un matériau fragile, les pores, inclusions et autres microfissures qu'il contient continuent de se dilater et de se briser lors des millions d'impacts lors du forage de la roche. L'influence d'un corps de foret à haute dureté sur les dents en carbure cémenté est bien plus importante que celle d'un corps de foret à dureté moyenne ou faible. Plus la dureté du corps du foret est faible, moins la force de pression influence les performances du carbure cémenté. Cependant, une dureté réduite peut entraîner une force de fixation insuffisante des dents et leur arrachement. De plus, cela dépend de facteurs tels que le matériau, la performance du flux, le procédé de soudage et la méthode d'utilisation.
Plus de 80 % des fractures du corps en acier du trépan se produisent à la limite entre la face d'extrémité de la pointe et le fond du fourreau de forage, et la fracture du trépan à dents de colonne se produit le long de l'interface inférieure du trou de dent. La loi de transmission des ondes de contrainte montre que la zone située entre la face d'extrémité de la pointe et le fond du fourreau est celle où la résistance des ondes change brusquement. La fracture de fatigue causée par la réflexion des ondes de contrainte et la modification de la section transversale est souvent aggravée par des facteurs tels qu'un choix d'acier inapproprié, une conception de paramètres de structure géométriques déraisonnables, un choix de procédé de fabrication inapproprié et des méthodes d'utilisation inappropriées.
2. Tige de forage
Les tiges de forage sont soumises à des contraintes alternées importantes, principalement composées de contraintes d'impact, de flexion et de corrosion, pendant leur fonctionnement. Par conséquent, elles doivent présenter une résistance élevée à la fatigue, aux chocs et à la corrosion, ainsi qu'une faible sensibilité à l'entaille et une faible vitesse de propagation des fissures. Les dommages causés aux tiges de forage incluent une dureté insuffisante de l'extrémité de la poignée des petites tiges de forage, provoquant un affaissement de la partie supérieure ; une dureté excessive provoquant une explosion de la partie supérieure ; une usure du filetage de la bielle ; et des fractures de fatigue et de fragilisation.
La rupture de la tige de forage est la principale forme de défaillance. La rupture par fatigue se caractérise par des fissures causées par l'accumulation de dommages sous des contraintes répétées. Elle provient généralement des parties fragiles du matériau, telles que les inclusions non métalliques, les bulles, les taches blanches, les cicatrices, la décarburation, les fissures de corrosion internes ; d'un matériau et d'un traitement thermique inappropriés, comme une âme de tige de forage carburée trop dure ou une trempe inadéquate, qui produisent des fissures à l'extrémité de la poignée arrière ; de problèmes de conception, tels qu'une forme de filetage incorrecte de la tige de forage, un mauvais ajustement du manchon et du filetage, un mauvais ajustement du cône et de la poignée arrière, des fissures et des ruptures ; d'une utilisation inappropriée, comme les marques de marteau, une mauvaise lubrification des joints et la corrosion de l'acier de forage, qui provoquent des fissures et des ruptures. Outre l'expansion de ces fissures, la rupture par fatigue de la tige de forage survient après un long processus de développement. Le traitement des fractures de fatigue des tiges de forage peut être divisé en trois étapes : sous l'action de contraintes cycliques, certaines parties de la tige de forage subissent une déformation plastique par glissement, entraînant l'apparition de microfissures qui se transforment progressivement en macrofissures sous l'action répétée des contraintes cycliques ; dans la deuxième étape, la surface utile de la tige de forage diminue avec le développement de macrofissures ; dans la troisième étape, lorsque la section transversale de la tige de forage est réduite à une contrainte équivalente à la résistance à la traction, elle se rompt. La fracture de fatigue des tiges de forage de bielle se produit principalement à la racine du filetage, et la fissure se développe de l'extérieur vers l'intérieur ; dans le cas des petites tiges de forage, la fissure de fatigue interne se forme à la surface du trou d'eau et se développe progressivement vers l'extérieur ; et la fissure de fatigue externe se forme à la surface de la tige de forage et se développe progressivement vers l'intérieur. La fracture de fatigue des petites tiges d'aiguille se produit principalement entre 300 et 400 mm avant le collet.
Lors du forage minier, un petit nombre de tiges de forage cassées ne présentent aucune marque de fatigue à leur surface, présentant généralement un état de surface cristallin brillant, souvent appelé rupture fragile. Ce phénomène est principalement dû à des défauts de la tige de forage, tels que des inclusions, des indentations, des marques de marteau ou des variations excessives de section, ainsi qu'à l'évasement produit lors du forgeage, à un traitement thermique inapproprié et à d'autres facteurs. Ces facteurs entraînent une faible résistance de la tige de forage, une faible plasticité ou une concentration de contraintes importante, ce qui favorise l'apparition rapide de fissures et peut facilement entraîner une rupture fragile précoce.
Moyens d'améliorer la durée de vie de l'outil de forage
1. Améliorer la qualité de la conception
La détermination de paramètres structurels raisonnables et le développement continu de nouvelles variétés sont des conditions préalables à l'amélioration de la durée de vie des outils de forage. L'ancien foret droit a été utilisé pendant de nombreuses années. Sa courte durée de vie est principalement due à une conception inappropriée, se traduisant par une faible épaisseur relative des ailettes, un trou conique peu profond, un faible effet de décharge de poudre, une forme géométrique instable, une déformation cylindrique précoce facile et des paramètres géométriques inappropriés de la tôle dure. Par conséquent, il est difficile d'améliorer la conception d'origine, et l'ancien foret droit doit être abandonné au plus vite.
Les forets à lames sont généralement utilisés en version droite, à trois lames, en croix et en X, disposés radialement. Plus le foret comporte de lames, plus sa résistance à l'usure est élevée. Le foret cruciforme présente une longueur de meulage 30 à 50 % supérieure à celle du foret droit, mais sa fabrication et son meulage sont complexes et coûteux. L'épaisseur relative des ailes est de préférence comprise entre 1,6 et 2,2, et la section de la rainure de drainage de la poudre et la surface totale du trou d'eau doivent être égales ou supérieures à la section du trou central de la tige de forage. Une disposition à trois trous est souvent utilisée, avec un diamètre de trou central légèrement supérieur. Une structure de corps raisonnable présente un angle de dépouille de 2° à 3° à la tête, ainsi qu'une transition en arc de cercle ou en cône avec un rayon de courbure R = 30 à 80 mm entre la surface conique et la surface cylindrique de la queue du corps allongé. Le petit foret de diamètre inférieur à 45 mm est relié à la tige de forage par un raccord conique, tandis que le foret de diamètre supérieur à 45 mm est relié par un filetage trapézoïdal ondulé ou composite. La vitesse de forage est inversement proportionnelle au carré du diamètre du foret. Cependant, afin d'optimiser l'utilisation de la technologie et d'améliorer la qualité et la durée de vie du foret, la fréquence d'affûtage du foret peut être multipliée par 15. Afin de réduire l'usure radiale du foret, la surface de contact entre la lame et la paroi du trou peut être augmentée pour fluidifier l'évacuation de la poudre, l'angle d'ouverture de la tôle d'alliage peut être déterminé de manière raisonnable et son épaisseur peut être augmentée de manière appropriée.
La couronne de la dent de colonne du trépan est généralement hémisphérique. La vitesse de forage est élevée. Lors de l'enfoncement dans la roche, la surface de la dent est relativement résistante et durable sous contrainte de compression. Le diamètre de la dent doit tenir compte d'une contrainte de traction suffisante, de la solidité des dents fixes et de la possibilité de disposition des dents. Le nombre de dents doit tenir compte de l'efficacité de la rupture de la roche, de la possibilité de disposition des dents, d'une résistance suffisante et d'un réaffûtage aisé. L'analyse des défaillances révèle que les dents latérales sont soumises à de faibles contraintes et se brisent fréquemment. Les mesures suivantes peuvent être prises pour réduire les dommages causés aux dents latérales et prolonger la durée de vie du trépan.
(1) Renforcer les dents latérales et choisir correctement la forme, le diamètre et la hauteur des dents. Le diamètre des dents centrales et latérales est actuellement compris entre 9,65 et 9,95 mm. Le diamètre des dents latérales peut être augmenté à 10,65 et 10,95 mm pour améliorer la résistance aux chocs et à l'usure, et le diamètre des dents centrales peut être réduit à 8,65 et 8,95 mm pour faciliter l'agencement des dents latérales et réduire les coûts.
(2) Une réduction appropriée de l'angle d'inclinaison des dents latérales contribue à améliorer les conditions de contrainte et la résistance aux chocs de ces dernières. À l'étranger, on utilise souvent des angles d'inclinaison de 30° à 35°, qui peuvent être réduits à 20° à 25°, ce qui augmente la surface de contact entre la surface extérieure des dents latérales et la roche, favorise l'auto-affûtage des dents latérales et améliore la résistance à l'usure radiale du foret. Les dents centrales sont légèrement plus hautes que les dents latérales pour faciliter le centrage et dégager des surfaces latérales libres pour les dents latérales, améliorant ainsi l'efficacité de la fragmentation. Pour les roches tendres à faible abrasivité radiale, l'angle d'inclinaison doit être faible.
(3) Choisir correctement l'espace de soudure et l'interférence des dents fixes afin d'augmenter la force de serrage des dents de la colonne. Une interférence faible réduit la force de serrage. Une interférence légèrement plus importante provoque l'apparition de rayures dans le trou de la dent. Si la dent est élargie, elle ne sera pas enfoncée. Une interférence trop importante facilite la rupture de la dent, et le corps du foret peut gonfler et se briser. Si la rugosité de la surface du trou de la dent est augmentée, le coefficient de frottement est augmenté pour augmenter la force de serrage, ce qui est une mesure envisageable. L'utilisation d'un matériau d'emboîtement plastique (cuivre H62Y couramment utilisé) comme intermédiaire permet d'adapter l'emboîtement et le trou, et d'obtenir un accouplement par interférence des dents. Lors du pressage à froid des dents, l'emboîtement est comprimé l'un contre l'autre sous l'action de la force de serrage. L'emboîtement subit une déformation plastique et les surfaces rugueuses des dents du trou se coincent les unes dans les autres, augmentant ainsi la force de liaison (frottement statique) entre les dents du trou et assurant une dent solidement fixée.
(4) Les dents latérales sont sélectionnées en carbure cémenté haute ténacité et soumises à un traitement isostatique à chaud pour prévenir efficacement la rupture des dents. Le renforcement du corps en acier du foret augmente sa résistance à l'abrasion.
(5) Disposition raisonnable des dents, augmenter le nombre de dents latérales autant que possible, améliorer le système de décharge de poudre, conserver le trou d'eau avant et le grand espacement du système de décharge de poudre à trois rainures et deux trous, efficacité de décharge de poudre élevée, réduire l'écrasement répété de la poudre de roche, réduire la consommation d'énergie et prolonger la durée de vie du foret.
Les tiges de forage pour trous peu profonds utilisent des aciers creux hexagonaux B19, B22 et B25, soit environ 80 à 85 % de la production d'acier creux ; les tiges de forage pour trous profonds utilisent des aciers creux D32, D38, B25 et B32, ronds ou hexagonaux, soit 15 à 20 %. Les tiges de forage hexagonales offrent une bonne rigidité, un large espace d'évacuation de la poudre et sont faciles à laminer.
Améliorez la structure de la tige de forage, comme la tige de forage entièrement filetée proposée par Ingersoll Rand aux États-Unis. Formée par laminage et durcie en surface, elle améliore la ténacité et la résistance à l'usure, présente un grand angle d'hélice, un bon autoblocage et facilite le démontage et le montage. Lorsque l'extrémité de connexion est usée, elle peut être coupée, chanfreinée et réutilisée, ce qui multiplie par 3 à 4 sa durée de vie. La tige de forage SPEEDROD de Samdvik en Suède adopte une tige de connexion filetée, supprime le manchon de bielle, élimine le jeu de la surface de jonction, améliore considérablement l'alignement et la rigidité de la connexion, préserve la linéarité du trou de forage et économise l'énergie.
L'amélioration de la qualité de l'apparence et de la qualité de l'emballage de l'outil de forage, la conception de la forme de l'apparence et de la structure de l'emballage peuvent protéger efficacement l'outil de forage, embellir l'outil de forage et prolonger la durée de vie de l'outil de forage.
2. Sélectionnez des matériaux de haute qualité
Le choix des matériaux pour les outils de forage doit tenir compte de la ténacité et de la résistance à l'usure, d'une bonne rigidité et d'une bonne résistance à l'usure, d'une résistance à la fatigue suffisamment élevée, d'une faible sensibilité à l'entaille, d'une grande capacité de serrage des tôles en alliage et d'une certaine résistance à la corrosion. Les matériaux doivent également présenter de bonnes performances de traitement, une coupe aisée, une bonne trempabilité et une bonne soudabilité. L'acier doit être conforme aux conditions nationales, son prix est bas et il doit contenir moins de Ni et de Cr. Les résultats de la méthode de sélection des aciers pour outils de forage, basée sur les mathématiques floues, sont les suivants :
(1) L'acier 24SiMnNi²CrMo est un nouveau type d'acier imitant l'acier suédois FF710 et présentant les meilleures propriétés mécaniques conventionnelles, une résistance à la rupture et une évaluation complète. La durée de vie moyenne du trépan à colonne à neuf dents ∅50 de production nationale utilisé dans le projet routier est de 715,2 m/pièce, et sa durée de vie maximale est de 901,4 m/pièce, ce qui est proche de la durée de vie du trépan à colonne suédois ∅48 utilisé dans le projet, qui est de 760 m/pièce. C'est également un bon matériau pour les tiges de forage. La durée de vie moyenne du chariot hydraulique du marteau perforateur hydraulique Mercury 300 de la mine de fer est de 152,4 m/pièce, et la durée de vie de la queue de forage est de 609 m/pièce, soit 76 % de plus que la durée de vie de la queue de forage française en 23CrNi³Mo, qui est de 345 m/pièce ;
(2) La longueur cumulée moyenne de la tige de forage en acier 40SiMnMoV est de 1225,4 m, ce qui est proche du niveau étranger ;
(3) La durée de vie de la petite tige de forage en 55SiMnMo est proche du niveau de 250 m de la petite tige de forage suédoise en 95CrMo ;
(4) La durée de vie moyenne d'une tige de forage en 35SiMnMoV peut atteindre 300 m/pièce. Cet acier est traité thermiquement par trempe, revenu, recuit, normalisation, etc. pour former un acier bainitique présentant une résistance à la fatigue et une ténacité élevées.
Pour le brasage par induction de pièces fixes et de forets de petites et moyennes dimensions, l'acier 40MnMoV est utilisé comme matériau de corps. La durée de vie des forets à filetage ondulé à dents transversales et à colonnes de ∅50 est proche de celle des forets suédois. Pour les forets à dents à colonnes avec dents intégrées à chaud, l'acier 45NiCrMoV est privilégié.
Le choix des carbures cémentés doit être adapté aux propriétés mécaniques de la roche et au type de marteau perforateur. Généralement, les carbures cémentés à forte teneur en cobalt, tels que YJo et YG13C, sont utilisés pour les roches extrêmement tenaces et les marteaux perforateurs à forte puissance de frappe ; YJ¹, YK25 et YG11C sont principalement utilisés pour les roches dures ; YG8C et YJ² pour les minerais mi-durs ; et YJ³ et YG6 pour les roches tendres. Le coefficient de dilatation linéaire de la phase cobalt du carbure cémenté est environ trois fois supérieur à celui du carbure de tungstène. Les contraintes internes générées lors d'un chauffage et d'un refroidissement rapides peuvent provoquer des fissures à l'interface. Par conséquent, quel que soit le processus de fabrication, de soudage ou de meulage, il convient d'éviter tout chauffage et refroidissement brusques du carbure cémenté.
La brasure à base d'argent est largement utilisée pour le brasage des pointes de forets. Son point de fusion est bas, son impact sur les performances des corps en acier et du carbure cémenté est faible, sa résistance au soudage est élevée et ses contraintes de soudage sont faibles. Mon pays devrait mener des activités de recherche et développement pour répondre aux besoins d'ouverture des marchés extérieurs. Actuellement, les brasures à base de cuivre telles que 105, 801 et SB-1 sont principalement utilisées en raison de leur efficacité et de leur durée de vie dans le forage de roches.
