Fehleranalyse und ordnungsgemäße Verwendung von Gesteinsbohrwerkzeugen
Fehleranalyse von Gesteinsbohrwerkzeugen: China produziert mittlerweile eine Reihe von Gesteinsbohrwerkzeugen (RDT) mit unterschiedlichen Merkmalen – wie etwa Säulen-/Einsteckzahnmeißel, Hartmetall-Integralmeißel, ultraharte Gesteinsmeißel und K610-Hartmetall – deren Qualität und Lebensdauer zwar verbessert wurden, aber weiterhin inkonsistent sind. Frühe Ausfälle sind hauptsächlich auf Probleme mit dem Meißel und der Bohrstange zurückzuführen.
Bohrer versagen durch anormalen und normalen Verschleiß: Fragmentierung, Zahnbruch, Zahnverlust, Absplittern und Brüche. Meißelbohrer versagen häufig, weil die Schneidflügel zu dünn sind, sich schnell abnutzen, eine schlechte geometrische Stabilität aufweisen und die Hartmetalleinsätze nicht ausreichend geklemmt werden, was zu Einsatzverlust und beschleunigtem Verschleiß führt. Kugel-/Knopfbohrer leiden typischerweise unter Kantenabplatzungen, gebrochenen Randzähnen, Rissen im Schaft, Kappenverlust und Brüchen im Mittelteil (Körper). Eine Feldstudie mit einem Druckluftbohrer 7655 auf hartem Granit ergab für inländische Bohrer mit ∅40–∅42 Einsatzzähnen: Randzahnabplatzungen von 22,7 %, Randzahnbrüche von 35,4 % und Fragmentverlust von 26,4 % – was zeigt, dass Randzahnschäden eine der häufigsten Ausfallarten sind. Ursachen sind unter anderem exzentrische und ungleichmäßige Belastung der Randzähne, unterschiedliche Radialdrücke, zunehmende plastische Verformung der Zahnlochwand (was zu einer trichterförmigen Öffnung und reduzierter Klemmkraft führt), unzureichende Presspassung zwischen Zahn und Loch Eine höhere Härte des Meißelkörpers ist für Hartmetalle deutlich vorteilhafter als für solche mit mittlerer/niedriger Härte. Schweißqualität, Flussmittelleistung, Schweißpraxis und -nutzung beeinflussen ebenfalls das Bruchrisiko. Mehr als 80 % der Meißelkörperbrüche entstehen an der Verbindung von Meißelkopf und -schaft; Teilbrüche von Meißeln mit Einsatzzähnen breiten sich entlang des Zahnlochbodens aus. Schlechte Stahlauswahl, ungeeignete Geometrie, unsachgemäße Herstellung oder falsche Anwendung verschlimmern Brüche ebenfalls.
Bohrstangen sind wechselnden Belastungen wie Schlag-, Biege- und Korrosionsbelastungen ausgesetzt. Daher müssen sie eine hohe Dauerfestigkeit, Schlagzähigkeit und Korrosionsbeständigkeit sowie eine geringe Kerbempfindlichkeit und Rissausbreitungsrate aufweisen. Zu den möglichen Schäden an Bohrstangen zählen Verformungen am Schaftende aufgrund geringer Härte, das Platzen harter Enden, Gewindeverschleiß an Kupplungen, Ermüdungsbrüche und Sprödbrüche. Ermüdungsbrüche entstehen und breiten sich durch Materialfehler (nichtmetallische Einschlüsse, Porosität, weiße Flecken, Kratzer, Entkohlung, Korrosionsrisse) oder durch mangelhafte Material-/Wärmebehandlung (überharter Kern durch Aufkohlen, mangelhaftes Abschrecken mit daraus resultierenden Endrissen, Abschreckrisse) aus. Konstruktionsfehler und ein schlechter Kupplungssitz können Risse verursachen; auch unsachgemäßer Gebrauch (Hammerspuren, mangelhafte Gelenkschmierung, Korrosion) führt zu Rissbildung und Bruch. Einige Stangenbrüche weisen keine Ermüdungsmerkmale auf und treten als helle, kristalline Sprödbrüche auf – normalerweise aufgrund von Defekten, starken Querschnittsänderungen, Schmiedeüberlappungen oder unsachgemäßer Wärmebehandlung, die zu geringer Festigkeit oder hoher Spannungskonzentration und schneller Rissausbreitung führen.
Korrekter und rationeller Einsatz von Gesteinsbohrwerkzeugen 2.1 Verbesserung der Konstruktionsqualität Die Bestimmung angemessener Strukturparameter und die Entwicklung neuer Typen sind Voraussetzungen für eine längere Lebensdauer. Bei Einsatz-/Säulenzahnmeißeln ermöglichen halbkugelförmige Kronen eine hohe Bohrgeschwindigkeit und dauerhafte Druckfestigkeit. Der Zahndurchmesser sollte Zugfestigkeit und Klemmfestigkeit gewährleisten. So verringern Sie Randzahnschäden und verlängern die Lebensdauer: (1) Verstärken Sie die Randzähne, indem Sie die richtige Zahnform, den richtigen Durchmesser und die richtige Freilegungshöhe wählen. (2) Reduzieren Sie den Spanwinkel der Randzähne, um die Lastverteilung und die Schlagfestigkeit zu verbessern. (3) Wählen Sie die richtigen Schweißspalten und Presspassungen, um die Haltekraft zu erhöhen. (4) Verwenden Sie für die Randzähne zähere, wärmebehandelte Hartmetalle, um eine Fragmentierung zu verhindern. (5) Verstärken Sie den Meißelkörper, um die Verschleißfestigkeit zu verbessern. (6) Optimieren Sie die Zahnanordnung, erhöhen Sie wo möglich die Anzahl der Randzähne und verbessern Sie die Spülung – behalten Sie die Wasserlöcher an der Bohrspitze und ein Spülsystem mit drei Rillen und zwei Löchern mit großem Spalt bei, um die Bohrkleinentfernung zu verbessern
Verbessern Sie die Stangengeometrie: Beispielsweise verbessern die durch Rollformen mit Oberflächenhärtung, größerem Steigungswinkel und guter Selbsthemmung hergestellten Vollgewindestangen von Ingersoll-Rand die Zähigkeit, Verschleißfestigkeit und einfache Montage/Demontage. Verbessern Sie das Erscheinungsbild und das Verpackungsdesign, um Werkzeuge zu schützen und die Lebensdauer zu verlängern.
2.2 Hochwertige Werkstoffe auswählen Werkzeugwerkstoffe sollten zäh und verschleißfest sein und eine gute Steifigkeit, hohe Dauerfestigkeit, geringe Kerbempfindlichkeit, starke Karbidrückhaltung und eine gewisse Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Zu den empfohlenen Stählen gehören: 24SiMnNi2CrMo (ähnlich dem schwedischen FF710) mit hervorragenden kombinierten mechanischen Eigenschaften und Bruchfestigkeitseigenschaften; 40SiMnMoV für Bohrstangen (durchschnittliche Eindringtiefe ~1225,4 m, nahe an ausländischen Werten); 55SiMnMo für kleine Bohrstangen, die sich der Lebensdauer kleiner schwedischer 95CrMo-Stangen nähern (~250 m); 35SiMnMoV erreicht ~300 m pro Stange. Diese Stähle bilden nach dem Abschrecken und Anlassen bainitische Mikrostrukturen mit hoher Dauerfestigkeit. Für kleine und mittelgroße Bohrmeißel mit Einsatzbindung ist 40MnMoV für den Meißelkörper geeignet; für warmmontierte Einsatzmeißel ist 45NiCrMoV vorzuziehen. Die Hartmetallauswahl muss zur Gesteinsmechanik und zum Bohrertyp passen.
2.3 Einsatz moderner Fertigungstechnologien Die spanende Fertigung von Bits anstelle des herkömmlichen Schmiedens ist eine wichtige Entwicklung. Für geschweißte Einsatzbits sollten geeignete Heizgeräte (Ultraschall- oder Mittelfrequenz-Induktionsöfen) oder eine vollständige Induktionserwärmung verwendet werden, um Oxidation und Entkohlung zu verhindern, kontrollierbare kurze Heizzeiten zu gewährleisten, das Löten zu erleichtern und Abschreckspannungen durch kontrollierte Abkühlung zu vermeiden. Vergrößern Sie die Schweißnahtgröße entsprechend, wählen Sie abgestufte Schleifscheiben und reinigen Sie die Schweißflächen gründlich mit organischen Lösungsmitteln, um die Lötqualität zu verbessern.
Zur Fixierung der Wendeschneidplatten wird bei mittleren und großen Durchmessern die Warmmontage empfohlen: Sie beeinträchtigt die Eigenschaften von Bohrerkörper und Hartmetall nur minimal, erhält die Oberflächenqualität, erzeugt zweiachsige Druckspannungszustände an der Verbindung, sorgt für guten Halt, reduziert Fragmentverluste und ermöglicht eine optimale Wärmebehandlung des Stahls. Kaltgepresste Wendeschneidplatten erfordern eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit – verwenden Sie hochpräzise Werkzeuge und kurze Maßketten, um die Kontaktsteifigkeit und die Oberflächenqualität der Zahnbohrung zu verbessern. Die Werkzeuggeometrie sollte eine größere Schnittverformung und Extrusionsverfestigung ermöglichen, damit die Bohrungswand eine vorteilhafte Druckeigenspannung und eine kaltverfestigte Oberflächenschicht erhält.
Um die Lebensdauer der Stangen zu verlängern, sollten Sie Präzisionsschmiede- und Bearbeitungswerkzeuge herstellen, um Ausbuchtungen, Grate oder Risse zu vermeiden. Verbessern Sie die Walzqualität von Hohlstahl, um Dellen, Schorfe, Falten und Entkohlung zu vermeiden.
Fazit: In diesem Dokument wurden die Ausfallarten von RDT analysiert und Bohrmeißelstrukturen und Schadensformen untersucht. Dabei wurden Ausfallursachen aufgezeigt und Maßnahmen zur Lebensdauerverlängerung vorgeschlagen: geeignete Strukturparameter, Auswahl hochwertiger Materialien und moderne Fertigungstechniken. Die Lebensdauer des Werkzeugs hängt jedoch von der inhärenten Qualität und der wissenschaftlichen Verwendung ab. Weitere praktische Hinweise: Verwenden Sie beim Entfernen von Meißeln Abzieher statt Hämmern von Hand. Schleifen Sie Meißel nach, um die Entstehung und Ausbreitung von Oberflächenrissen zu verringern und die Bohrgeschwindigkeit zu verbessern. Befolgen Sie die korrekte Vorgehensweise – bohren Sie langsam vor, bis der Meißel in den Fels eingedrungen ist, bevor Sie mit voller Geschwindigkeit bohren. Stellen Sie sicher, dass die Stangenkupplungen konzentrisch sind und die Gewinde vollständig im Eingriff sind. Wenn ein Meißel klemmt, vermeiden Sie Hämmern – schließen Sie das Einlassventil, öffnen Sie das Wasser, bohren Sie langsam vor und verwenden Sie Vor- und Zurückbewegungen, um die Bohrwand zu glätten und das Werkzeug freizugeben
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass RDT durch die Verwendung abgestimmter Bohrer, spezieller Werkzeuge und geeigneter Maschinen unter verschiedenen Bedingungen sein Leistungspotenzial erreichen kann.
