摘要
针对孕镶金刚石钻头齿间相互独立，在坚硬地层中钻进极易产生打滑和单齿受力太大导致钻头损坏的难题，引入仿生爪趾结构原理和自补偿理念，研制了仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头。钻头的一体式切削齿设计，主要在单齿的齿单元间采用加强筋方式强化单齿强度，单齿与单齿间设置齿间加强筋加强，使得钻头相邻齿单元、相邻单齿间相互连接形成一个整体，在钻进过程中，钻头齿的工作唇面会产生多个超过岩石极限破坏强度但远低于钻头胎体强度的应力集中区域，不容易出现少数几个接近或超过钻头胎体强度的应力集中区域的情况。如此，钻头的整体性更好，受力均匀，切削岩石的效率更高，寿命更长，尤其对于坚硬地层，防打滑效果更好。经现场试验表明：仿生自补偿一体式高胎体孕镶金刚石取心钻头较常规钻头具有更高的碎岩效率和更长的使用寿命。
众所周知，钻头是钻探技术中必不可少的重要组成部分，钻头的效率和寿命直接影响整个钻探的周期、成本和效果，对于深孔钻进，尤其深海钻探，钻头的质量对工期和钻进成本影响尤为显
图1 蝼蛄前爪
Fig.1 Fore claw of the mole cricket
蝼蛄挖洞是2个前爪交替进行，在土壤中穿行速度很快。蝼蛄的前爪挖掘土壤动作更为单一，在挖掘土壤时的运动轨迹以其活动自由度很小的前足胫节和跗节为轴形成简单弧形，轨迹在身体的对称轴位置有重叠。
图2 蝼蛄掘土工作原理示意
Fig.2 Mole cricket excavation principle
图3 蝼蛄前爪各爪趾的角测量
Fig.3 Angle measurement of the claw toes of the mole cricket fore claw
图4 蝼蛄前爪各爪趾的长度测量
Fig.4 Length measurement of the claw toes of the mole cricket fore claw
图5 蝼蛄前爪各爪趾尖相连形成圆弧的直径测量
Fig.5 Diameter measurement of circular arc formed by connecting the toes of the mole cricket fore claw
注： 本表所列数值均为图3、图4所示蝼蛄前爪爪趾测量所得的数值，均为相对值，没有单位
以外径/内径为Ø76 mm/Ø49 mm的规格设计仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿的齿单元，钻头的齿厚为13.75 mm，结合钻头工作层胎体材料的强度极限，选择8个切削齿，结合蝼蛄爪趾的角度范围、爪趾结构形态、钻头齿厚以及加工难度的多因素影响，去掉角度范围较大的1号爪趾和结构形态与其他爪趾不同的5号爪趾，选择中间3个角度范围和结构形态相近的3个爪趾，仿此爪趾在每个齿上设计3个同轴环齿单元。根据蝼蛄中间3个爪趾趾角关系及加工难度确定钻头齿单元厚度，具体计算按如下公式：
式中：、、——分别为蝼蛄2、3、4号爪趾的趾尖角度。
蝼蛄爪趾与仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头的齿单元具体对应关系如
根据
图6 Ø76 mm/Ø49 mm规格的仿蝼蛄爪趾钻头单齿的齿单元设计
Fig.6 Design of the individual tooth unit of Ø76mm/Ø49mm bit imitating the mole cricket claw toes
在设计仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿的齿单元时，既要考虑仿生的元素，更要考虑齿的整体强度，以保证钻头在钻进岩石时具有足够的抗扭和抗剪冲击能力。
图7 钻头单齿环齿单元加强设计效果
Fig.7 Strengthening design of the individual ring tooth unit of the bit
图8 钻头单齿径向剖面
Fig.8 Radial profile of the individual teeth
但是，即使将各齿单元连接成为一个整体后，其高度也有一定的高度限制，按照切削花岗岩的高径比1.5的比例计算，其高度只能为13.75 mm×1.5=20.625 mm。也就是说，仿蝼蛄爪趾孕镶金刚石钻头单齿的高度理论极限是21 mm，否则其折损的机率会很高。
为了突破钻头单齿高度的理论极限，有效增加钻头工作层胎体的高度，想办法在保证泥浆循环通畅的基础上通过同心环状加强筋将单切削齿连接到一起，使整个钻头的切削齿形成一个整体，理论上切削齿的整体抗弯强度只与钻头过渡层胎体材料与钢体间的结合力有关，而此结合力远远高出所有钻头齿切削岩石所需要的切削力，能够保证钻头的整体强度。同时，为了保证内环齿单元与外环齿单元的磨损速度大致相同，需要进一步采用加强措施。为此，设计了如
图9 钻头单齿齿单元加强设计效果
Fig.9 Strengthening design of the single tooth unit
图10 高工作层仿生钻头效果
Fig.10 Bionic bit with the high working layer
为确定钻头的各个齿单元的受力情况，确定其整体性能，对钻头整体进行了回转扭矩的受力分析。单齿施加的回转扭矩为375 N·m，分别对常规钻头、没有设置内外环齿间加强和设置有内外环齿间加强的单齿进行分析，如
图11 钻头齿单元受力分析
Fig.11 Force analysis of the bit tooth unit
模具设计包括钻头外模具、底模、心模、水口及钢体。采用3D减材加工工艺加工模具，故外模具、底模、心模将不会分开设计，将其一体化设计，保证钻头唇面环齿结构尺寸的精确，水口采用车床加工然后切割成对应水口宽度，
图12 模具设计
Fig.12 Design of mold
图13 模具装配设计
Fig.13 Mold assembly design
模具加工采用3D减材加工工艺（如
图14 3D减材加工工艺
Fig.14 3D cutting process
根据前述讨论设计并制作了Ø76.5 mm/Ø49 mm仿蝼蛄爪趾环齿钻头（如
图15 Ø76.5 mm/Ø49 mm仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头使用前后对比
Fig.15 Comparison of Ø76.6mm/Ø49mm ring impregnated diamond bit imitating the mole cricket claw toes
图16 Ø76.5mm/Ø49mm内外加强仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头
Fig.16 Internal and external reinforced Ø76.5mm/ Ø49mm ring impregnated diamond bit imitating the mole cricket claw toes
图17 现场用热压尖齿钻头
Fig.17 Hot pressed pointed bit for field use
图18 现场使用后的尖齿钻头
Fig.18 Pointed bit after field use
图19 Ø76.5 mm/Ø49 mm钻头取出的岩心
Fig.19 Core taken out by Ø76.5mm/Ø49mm drill bit
实验结果如
普通尖齿钻头与内外加强仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头均采用金刚石粒度为30/35、35/40（各占金刚石总质量50%），金刚石浓度为70%（400%浓度制），胎体硬度为HRC10~15，除烧结方法外其他参数基本相同。Ø76.5 mm/Ø49 mm内外加强仿蝼蛄爪趾环齿孕镶金刚石钻头在钻进坚硬“打滑”地层时平均机械钻进效率为3.74 m/h，平均寿命为127 m（胎体高度为21 mm）。普通尖齿热压钻头（胎体高度为14 mm）在钻进坚硬“打滑”地层时平均机械钻进效率为2.27 m/h，平均寿命为38 m。普通尖齿钻头在地层较软情况下胎体完全磨损，金刚石出刃良好，在钻进坚硬打滑地层时出现偏磨和烧钻情况，偏磨钻头内径部位胎体磨损高度5 mm左右，外径部位胎体磨损高度1 mm左右；烧钻钻头仅将尖齿部位全部磨损，2只钻头内外径基本未磨损。除Ⅰ号仿生钻头外，工作层磨损高度基本在19 mm左右，金刚石层已经完全磨损。Ⅰ号仿生钻头胎体磨损高度为7~8 mm，而且从Ⅰ号仿生钻头可以明显看出同心径向的环齿结构出刃效果良好。通过
（1）仿蝼蛄环齿钻头在钻进坚硬地层时未出现打滑现象，在钻头的工作中同心径向的环齿结构可以自动形成，并且可以始终保持这一结构，运行稳定性得到提高，可有效解决常规钻头坚硬地层打滑问题；
（2）内外环齿间加强筋结构提高钻头的整体性，将钻头的切削齿单元从“单兵作战”变成“群体作战”，避免了高胎体钻头因胎体过高而导致的弯折掉块情况；
（3）采用“内外加强型”结构设计提高工作层高度，可大大提高硬度7~8级坚硬花岗岩地层中的钻头寿命。
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