全自動智能燒結(jié)機系統(tǒng)在金剛石鉆頭制造中的應用①

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)過程中，溫度難以準確測量、溫度不能隨時間變化而有效控制，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、韓國、意大利等發(fā)達國家，傳統(tǒng)式的憑經(jīng)驗燒結(jié)鉆頭的工藝早已淘汰，幾乎全部采用智能操作系統(tǒng)［1］。國內(nèi)騰龍、金海威等單位通過合作開發(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智能燒結(jié)設備，并在一些鉆頭生產(chǎn)廠家成功使用，取得了較好效果［2］。

通過與湖北長江精工材料技術(shù)有限公司合作，對現(xiàn)有設備進行改造，引入全自動智能燒結(jié)機系統(tǒng)，并根據(jù)我廠金剛石鉆頭的制造工藝特點和要求，制定燒結(jié)工藝及編制工藝曲線。經(jīng)過大量實驗，確定了鉆頭燒結(jié)的三要素——溫度、壓力、時間。應用該全自動智能燒結(jié)機系統(tǒng)燒結(jié)金剛石鉆頭，不但智能化程度高，可以完全按照預先編制的工藝曲線進行燒結(jié)，且實現(xiàn)了一鍵式操作，降低了工人的體力勞動強度。應用該系統(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時效都得到了大幅提高，產(chǎn)生了較好的社會經(jīng)濟效益。

2 全自動電腦控制智能燒結(jié)設備系統(tǒng)

2.1 基本原理：

本系統(tǒng)是將中頻電源信號、壓力信號、紅外測溫信號輸入到控制臺內(nèi)的兩套計算機系統(tǒng)中，其中AI808P的一套計算機系統(tǒng)用于溫度檢測以及溫度控制，另一套計算機系統(tǒng)則控制整個工作過程，并存儲所有工藝參數(shù)。在設備工作過程中，兩套計算機系統(tǒng)之間不斷地進行數(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間按照工藝要求（工藝曲線）而變化，自動完成鉆頭的燒結(jié)過程［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 主要設備

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

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

存儲工藝： 無限（視硬盤大小而定）

遠程監(jiān)控： 有

工藝組數(shù)： 100

溫度－壓力－時間曲線段： 20

圖2 人造金剛石地質(zhì)鉆頭全自動智能燒結(jié)機系統(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)過程中，一般都是靠手動，憑經(jīng)驗操作來完成，在最關鍵的溫度調(diào)節(jié)方面，主要是采用鎳鉻—鎳硅熱電偶進行測溫，因為影響測精度的因素較多，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人經(jīng)驗來調(diào)節(jié)溫度，至使有的鉆頭燒結(jié)溫度偏高，造成過燒；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；因而，人為因素會使鉆頭質(zhì)量產(chǎn)生較大波動。

由于熱電偶與紅外的測溫方式不同，采集點不同，兩者之間還是存在一定差別的，為了找到實際燒結(jié)溫度，采用了標準鎳鉻—鎳硅熱電偶與紅外對比測溫方式，經(jīng)過大量測試，最終找出編制工藝曲線所需要的遠紅外實際顯示溫度。

使用該智能燒結(jié)機系統(tǒng)，可以實現(xiàn)原來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，實際燒結(jié)曲線與預先設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金剛石鉆頭整個燒結(jié)過程的影響，使鉆頭質(zhì)量保持一致。通過對普通燒結(jié)機和智能燒結(jié)機各自燒結(jié)的3285只地質(zhì)鉆頭進行質(zhì)量統(tǒng)計，鉆頭質(zhì)量對比情況見表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)計對比結(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)量對比情況可以看出，鉆頭的報廢率由使用前的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時效，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益。

5 鉆頭使用情況

有了新的鉆頭燒結(jié)設備、技術(shù)，是否能生產(chǎn)出高質(zhì)量產(chǎn)品，只有經(jīng)過使用才能進行評定，只有用戶滿意才有市場。近幾年來，利用全自動智能燒結(jié)機燒結(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，針對質(zhì)量問題的索賠少了，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，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，其中最主要的問題在于質(zhì)量的不穩(wěn)定，鉆頭時好時壞，雖然大多數(shù)鉆頭使用壽命超過40米，但還是有相當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)量問題而發(fā)生的索賠情況，機臺人員意見較大。自使用我廠智能燒結(jié)鉆頭后，鉆頭平均壽命達到38米，機臺人員由過去的被動使用我廠鉆頭變?yōu)橹鲃邮褂梦覐S鉆頭。鉆頭的使用量也較以往增長了30%，且沒有發(fā)生過因質(zhì)量問題要求廠家賠償?shù)那闆r。

6 結(jié)論

（1）在現(xiàn)有設備的基礎上，經(jīng)過智能化改造，新一代智能燒結(jié)機系統(tǒng)完全可以滿足金剛石地質(zhì)鉆頭燒結(jié)要求，其性能達到或超過了國內(nèi)同類產(chǎn)品水平。

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

（3）使用智能燒結(jié)機系統(tǒng)燒結(jié)金剛石地質(zhì)鉆頭，不但可降低產(chǎn)品報廢率，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)濟效益。

（4）雖使用遠紅外光纖測溫儀進行測溫，比以往的鎳鉻－鎳硅熱電偶測溫更穩(wěn)定一些，但還是對石墨質(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，與實際燒結(jié)溫度會產(chǎn)生一定誤差，因此還需要人工對燒結(jié)溫度進行微調(diào)。

［1］ 胡郁樂，等.智能化中頻感應金剛石鉆頭燒結(jié)設備的研制［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計神經(jīng)網(wǎng)絡專家系統(tǒng)研究［J］.金剛石與磨料磨具工程，2001（6）：33－36.