劉碧湘，劉青，吳水平，毛英哲，朱新偉

（1.江西核工業(yè)260廠天一公司，江西南昌330002；2.湖北長(zhǎng)江精工材料技術(shù)有限公司，湖北鄂州436000）

1 前言

人造金剛石鉆頭熱壓燒結(jié)過(guò)程中，溫度難以準(zhǔn)確測(cè)量、溫度不能隨時(shí)間變化而有效控制，使熱壓出的鉆頭質(zhì)量很不穩(wěn)定，很難生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品。在德國(guó)、韓國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家，傳統(tǒng)式的憑經(jīng)驗(yàn)燒結(jié)鉆頭的工藝早已淘汰，幾乎全部采用智能操作系統(tǒng)［1］。國(guó)內(nèi)騰龍、金海威等單位通過(guò)合作開發(fā)、消化吸收及自主研發(fā)等形式已開發(fā)出金剛石鉆頭全自動(dòng)智能燒結(jié)設(shè)備，并在一些鉆頭生產(chǎn)廠家成功使用，取得了較好效果［2］。

通過(guò)與湖北長(zhǎng)江精工材料技術(shù)有限公司合作，對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行改造，引入全自動(dòng)智能燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)，并根據(jù)我廠金剛石鉆頭的制造工藝特點(diǎn)和要求，制定燒結(jié)工藝及編制工藝曲線。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗(yàn)，確定了鉆頭燒結(jié)的三要素——溫度、壓力、時(shí)間。應(yīng)用該全自動(dòng)智能燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)燒結(jié)金剛石鉆頭，不但智能化程度高，可以完全按照預(yù)先編制的工藝曲線進(jìn)行燒結(jié)，且實(shí)現(xiàn)了一鍵式操作，降低了工人的體力勞動(dòng)強(qiáng)度。應(yīng)用該系統(tǒng)燒結(jié)出的金剛石鉆頭，不但質(zhì)量穩(wěn)定，且鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)時(shí)效都得到了大幅提高，產(chǎn)生了較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

2 全自動(dòng)電腦控制智能燒結(jié)設(shè)備系統(tǒng)

2.1 基本原理：

本系統(tǒng)是將中頻電源信號(hào)、壓力信號(hào)、紅外測(cè)溫信號(hào)輸入到控制臺(tái)內(nèi)的兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，其中AI808P的一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于溫度檢測(cè)以及溫度控制，另一套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則控制整個(gè)工作過(guò)程，并存儲(chǔ)所有工藝參數(shù)。在設(shè)備工作過(guò)程中，兩套計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以協(xié)調(diào)控制壓力、溫度，保證壓力和溫度隨時(shí)間按照工藝要求（工藝曲線）而變化，自動(dòng)完成鉆頭的燒結(jié)過(guò)程［1］。系統(tǒng)基本原理見圖1。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Diagram of system principle

2.2 主要設(shè)備

整套設(shè)備系統(tǒng)由中頻電源、雙柱式壓機(jī)、智能控制臺(tái)及紅外測(cè)溫儀等幾部分組成

2.3 主要技術(shù)參數(shù)

載入功率： 100k W（可調(diào)）

最大壓力： 240k N

二次電壓： 5V、6V、7V

油缸直徑： 160mm

控溫范圍： 400℃～1200℃

控壓范圍： 0.5～16MPa

存儲(chǔ)工藝： 無(wú)限（視硬盤大小而定）

遠(yuǎn)程監(jiān)控： 有

工藝組數(shù)： 100

溫度－壓力－時(shí)間曲線段： 20

圖2 人造金剛石地質(zhì)鉆頭全自動(dòng)智能燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)Fig.2 The fully－automatic intelligent sintering system for producing synthetic diamond geological drilling bits

圖3 Φ75繩索取芯鉆頭的燒結(jié)工藝Fig.3 Sintering ofΦ75 wire line core drilling bit

3 鉆頭燒結(jié)工藝

金剛石地質(zhì)鉆頭的燒結(jié)過(guò)程包括，低溫低壓排氣—快速升溫—保溫保壓—保壓降溫—降溫降壓—卸壓出爐等工序環(huán)節(jié)。在這幾套工序中，每套工序?qū)︺@頭質(zhì)量都有一定影響。其中以保溫保壓工序中的保溫溫度影響最大。

在以往的鉆頭燒結(jié)過(guò)程中，一般都是靠手動(dòng)，憑經(jīng)驗(yàn)操作來(lái)完成，在最關(guān)鍵的溫度調(diào)節(jié)方面，主要是采用鎳鉻—鎳硅熱電偶進(jìn)行測(cè)溫，因?yàn)橛绊憸y(cè)精度的因素較多，基本上都是靠工人根據(jù)石墨模體在不同溫度下的顏色憑個(gè)人經(jīng)驗(yàn)來(lái)調(diào)節(jié)溫度，至使有的鉆頭燒結(jié)溫度偏高，造成過(guò)燒；有的則溫度偏低，造成欠燒，人為因素影響較大；在壓力方面，則只能以階梯式突加壓力和突降壓力的加壓方式，且隨意性較強(qiáng)；因而，人為因素會(huì)使鉆頭質(zhì)量產(chǎn)生較大波動(dòng)。

由于熱電偶與紅外的測(cè)溫方式不同，采集點(diǎn)不同，兩者之間還是存在一定差別的，為了找到實(shí)際燒結(jié)溫度，采用了標(biāo)準(zhǔn)鎳鉻—鎳硅熱電偶與紅外對(duì)比測(cè)溫方式，經(jīng)過(guò)大量測(cè)試，最終找出編制工藝曲線所需要的遠(yuǎn)紅外實(shí)際顯示溫度。

使用該智能燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)原來(lái)很多靠人都不可能完成的工序，在工藝編制方面，可以根據(jù)最佳的鉆頭燒結(jié)需求編制工藝，燒結(jié)溫度和壓力均采用了按一定斜率逐漸升高或逐漸降低的工藝，保溫時(shí)間則視鉆頭大小、壁厚而定，一般為4～6分鐘。這種按一定斜率逐漸升溫、加壓的工藝，可以使鉆頭在燒結(jié)過(guò)程中溫度更加均勻、壓力更加平穩(wěn)，更有利于鉆頭胎體在燒結(jié)過(guò)程中的致密化和合金化，使鉆頭胎體性能更好。

圖3是Φ75繩索取芯鉆頭的燒結(jié)工藝曲線，從圖中可以看出，實(shí)際燒結(jié)曲線與預(yù)先設(shè)定的曲線能夠完全吻合，充分顯示了該系統(tǒng)的高度智能化。

4 使用效果

采用全自動(dòng)智能化金剛石鉆頭燒結(jié)系統(tǒng)，其目的就是要最大限度地消除人為因素對(duì)金剛石鉆頭整個(gè)燒結(jié)過(guò)程的影響，使鉆頭質(zhì)量保持一致。通過(guò)對(duì)普通燒結(jié)機(jī)和智能燒結(jié)機(jī)各自燒結(jié)的3285只地質(zhì)鉆頭進(jìn)行質(zhì)量統(tǒng)計(jì)，鉆頭質(zhì)量對(duì)比情況見表1。

表1 使用智能燒結(jié)系統(tǒng)與普通燒結(jié)的鉆頭質(zhì)量統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果Table 1 Statistical result of drilling bit quality after using intelligent sintering system

從鉆頭燒結(jié)后的質(zhì)量對(duì)比情況可以看出，鉆頭的報(bào)廢率由使用前的6.7%降為1.58%，特別是鉆頭的優(yōu)質(zhì)品率由76.9%上升到了為96.3%。報(bào)廢品率降低，可降低生產(chǎn)成本，而優(yōu)質(zhì)品率的提高則表明產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性和產(chǎn)品的整體質(zhì)量得到了大幅提高。另外，用戶使用智能燒結(jié)鉆頭，由于鉆頭性能基本一致，可大幅提高金剛石鉆頭的使用壽命和鉆進(jìn)時(shí)效，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 鉆頭使用情況

有了新的鉆頭燒結(jié)設(shè)備、技術(shù)，是否能生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品，只有經(jīng)過(guò)使用才能進(jìn)行評(píng)定，只有用戶滿意才有市場(chǎng)。近幾年來(lái)，利用全自動(dòng)智能燒結(jié)機(jī)燒結(jié)的各種硬度（耐磨性）人造金剛石地質(zhì)鉆頭，分別在全國(guó)各地各種地層中使用，反映最明顯的就是鉆頭質(zhì)量的穩(wěn)定性得到了大幅提高，用戶意見少了，針對(duì)質(zhì)量問(wèn)題的索賠少了，用戶滿意度得到大幅提高。

某礦區(qū)地層為碎斑溶巖和流紋英安巖，巖石可鉆性8－9級(jí)，巖層較完整，局部破碎，往年使用我廠Φ56雙管鉆頭，鉆頭使用壽命不足30米，其中最主要的問(wèn)題在于質(zhì)量的不穩(wěn)定，鉆頭時(shí)好時(shí)壞，雖然大多數(shù)鉆頭使用壽命超過(guò)40米，但還是有相當(dāng)一部分鉆頭使用壽命不足10米，且每年都有幾起因鉆頭質(zhì)量問(wèn)題而發(fā)生的索賠情況，機(jī)臺(tái)人員意見較大。自使用我廠智能燒結(jié)鉆頭后，鉆頭平均壽命達(dá)到38米，機(jī)臺(tái)人員由過(guò)去的被動(dòng)使用我廠鉆頭變?yōu)橹鲃?dòng)使用我廠鉆頭。鉆頭的使用量也較以往增長(zhǎng)了30%，且沒(méi)有發(fā)生過(guò)因質(zhì)量問(wèn)題要求廠家賠償?shù)那闆r。

6 結(jié)論

（1）在現(xiàn)有設(shè)備的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)智能化改造，新一代智能燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)完全可以滿足金剛石地質(zhì)鉆頭燒結(jié)要求，其性能達(dá)到或超過(guò)了國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品水平。

（2）智能化效果好，實(shí)現(xiàn)了一鍵式操作，可最大限度地減少人為因素對(duì)鉆頭燒結(jié)工藝的影響。

（3）使用智能燒結(jié)機(jī)系統(tǒng)燒結(jié)金剛石地質(zhì)鉆頭，不但可降低產(chǎn)品報(bào)廢率，產(chǎn)品優(yōu)質(zhì)品率也得到大幅提高，提高了金剛石鉆頭產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）雖使用遠(yuǎn)紅外光纖測(cè)溫儀進(jìn)行測(cè)溫，比以往的鎳鉻－鎳硅熱電偶測(cè)溫更穩(wěn)定一些，但還是對(duì)石墨質(zhì)量、模具大小、模具新舊程度、表面氧化層厚度等有一定影響，與實(shí)際燒結(jié)溫度會(huì)產(chǎn)生一定誤差，因此還需要人工對(duì)燒結(jié)溫度進(jìn)行微調(diào)。

［1］ 胡郁樂(lè)，等.智能化中頻感應(yīng)金剛石鉆頭燒結(jié)設(shè)備的研制［J］.金剛石與磨料磨具工程，2011（3）：53－51.

［2］ 張紹和.金剛石鋸片刀頭配方設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2001（6）：33－36.