钻头切削性能测试（钻头材料切削速度参数表）

本篇文章给大家谈谈钻头切削性能测试，以及钻头材料切削速度参数表对应的知识点，希望对各位有所帮助，不要忘了收藏本站喔。 今天给各位分享钻头切削性能测试的知识，其中也会对钻头材料切削速度参数表进行解释，如果能碰巧解决你现在面临的问题，别忘了关注本站，现在开始吧！

本文目录一览：

• 1、第4章 金刚石钻头胎体与岩石的干摩擦磨损性能初步试验
• 2、机床刀具磨损，一般都采用什么方法检测？
• 3、自钻式旁压测试
• 4、φPDC钻头台架试验结果分析

第4章 金刚石钻头胎体与岩石的干摩擦磨损性能初步试验

前期利用MG-2000高速高温摩擦磨损试验机做胎体与花岗岩在常温下的摩擦磨损试验（图4.1钻头切削性能测试，图4.2），胎体选择空白胎体（不含金刚石）与含金刚石胎体，含金刚石胎体的硬度与金刚石浓度不同（图4.3），得出以下结论：

1）环境温度为常温时，空白胎体与花岗岩之间的干摩擦，随着胎体硬度的增大，摩擦力矩与摩擦系数先增大后减小钻头切削性能测试；含金刚石胎体试样较之于空白胎体胎体试样，摩擦力矩与摩擦系数显著减小；含金刚石的胎体，随着金刚石浓度的增大，摩擦力矩与摩擦系数逐渐增大。

2）进一步研究空白胎体、含金刚石胎体与花岗岩与砂岩在不同环境温度下的摩擦磨损试验，经薄片分析，岩样定名为含黑云母中—细粒斜长花岗岩和浅变质白云母细砂—粉砂岩（图4.4），试验环境温度分别为25℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃。试验载荷p=400N，转速n=400r/min。试验数据及摩擦形貌见图4.5～图4.17，图中：A-1代表含金刚石胎体与花岗岩对磨；A-2代表含金刚石胎体与砂岩对磨；B-1代表空白胎体与花岗岩对磨；B-2代表空白胎体与花岗岩对磨。

图4.1 高温下的摩擦磨损试验

图4.2 试验与夹具的安装图

图4.3 胎体试样

图4.4 试验用岩样

图4.5 空白胎体与花岗岩对磨后

图4.6 试验后的部分岩样

图4.7 表面热腐蚀剥落（500℃）

图4.8 鳞状薄片的形式剥蚀 2-1（200℃）

图4.9 胎体磨损形貌 2-2（300℃）

图4.10 岩粉颗粒侵入被磨表面 1-1（100℃）

图4.11 金刚石表面严重烧蚀1-1（300℃）

图4.12 金刚石表面烧蚀1-2（300℃）

图4.13 胎体磨损形貌 1-2（300℃）

图4.14 金刚石表面金属粘附1-1（500℃）

图4.15 摩擦系数与环境温度变化关系曲线图

图4.16 摩擦功与环境温度变化关系曲线图

图4.17 胎体磨损量与环境温度变化关系曲线图

试验结论：

1）摩擦磨损试验对花岗岩和砂岩，采用了相同的胎体配方和金刚石浓度进行了对比。测试结果显示，摩擦系数与岩石的结构或类型有着密切的联系。在此次试验中，不论是含金刚石胎体或空白胎体，所选用的砂岩的摩擦系数总小于所选用的花岗岩。环境温度对摩擦系数与摩擦功的影响也较大，即在不同的胎体与岩石的磨损组合条件下，随着环境温度的升高，摩擦系数和摩擦功总体上呈减小趋势。

2）环境温度对岩石的影响显著。当环境温度达400℃时，无论使用哪一种胎体，砂岩均会在2min以内沿脆弱面成裂成几瓣，无法继续试验。环境温度达到400℃，500℃时，含金刚石胎体与花岗岩对磨过程中花岗岩由低温时的研磨脱落演变为小块状体积破碎，碎岩速度急剧上升。

3）磨损量与磨损行程成正比关系，无论是空白胎体还是添加金刚石的胎体试样，与花岗岩和砂岩的干摩擦，均存在相同的规律，即随着环境温度的升高，磨损量总体呈上升趋势。当环境温度超过400℃时，含金刚石胎体磨损花岗岩试样磨损量急剧上升，但不含金刚石胎体磨损量反而减小。表明在高温下胎体是否含金刚石对胎体磨损量影响较大。环境温度越高砂岩对胎体的研磨性越强，砂岩的磨损量越大。

4）空白胎体与岩石的磨损机理主要以粘着磨损与表面疲劳磨损为主。当磨损行程与环境温度升高后空白胎体会在表面摩擦热的作用下出现粘着现象。粘着有利用于胎体中的固体自润滑相（石墨）向岩石表面转移，在一定范围内减少磨损量。所以空白胎体与岩石的磨损机制以粘着磨损与表面疲劳磨损的混合形式。

5）金刚石胎体与岩石的磨损机理为磨粒磨损、粘着磨损和表面疲劳磨损的混合模式。磨损的磨粒为金刚石切削的岩屑与脱落的金刚石，它会在磨损界面中反削胎体的金属表面使磨损量增大。随着磨损行程与环境温度的增加，金刚石胎体出现剥落即疲劳磨损。所以说金刚石胎体的磨损机制为硬质项切削与磨粒磨损，并且在时间与温度的作用下表面出现粘着磨损、疲劳磨损失效的趋势。

总之，含金刚石胎体与花岗岩与砂岩的对磨，随着环境温度越高，胎体的磨损量逐渐增加。此种现象和科拉超深钻井中时的实际情况相吻合，科拉超深钻在钻进10000m以下时，采用的是硬质合金钻头，钻井越深，硬质合金钻头磨损越快，钻头的寿命越短。从结论中可以看出，随着环境温度的增加，胎体的工作温度逐渐升高，如果要保证孕镶金刚石取心钻头在超深孔中一直保持高效率，必须要求钻头胎体具有较好的高温硬度即红硬性和强耐磨性，若钻头胎体的红硬性设计的不理想，钻头在超深孔中容易引起胎体软化，使胎体十分容易磨损，抗变形能力减弱，从而将严重影响金刚石切削岩石的能力和效率，使金刚石稍有出刃就脱落或缩颈。为了解决上述问题，通常的做法是增加胎体中骨架成分碳化物的含量，但这会导致钻头的烧结温度升高使胎体的脆性增大，在井下工作过程中胎体抵抗震动、碰撞等的能力减弱，在裂隙不均质地层中容易使胎体成块状裂脱。最好的办法是在胎体中添加适量的低强度差质量的细颗粒金刚石作为辅磨料用以增强胎体的耐磨性和抗高温红硬性，一般不起切削破岩的作用。

机床刀具磨损，一般都采用什么方法检测？

刀具状态检测方法可分为直接测量法和间接测量法。
1.直接测量法
直接测量法能够识别刀刃外观、表面质量或几何形状的变化，一般只能在不切削时进行，它有两个明显的缺点：一是要求停机检测；二是不能检测出加工过程中出现的刀具突然破损。国内外采用的刀具磨损量的直接测量法有：电阻测量法、刀具工件间距测量法、光学测量法、放电电流测量法、射线测量法、微结构镀层法及计算机图像处理法。
（1）电阻测量法
该方法利用待测切削刃与传感器接触产生的电信号脉冲，来测量待测刀具的实际磨损状态。该方法的优点在于传感器价格低廉，缺点是传感器的选材必须十分注意，既要有良好的可切削性，又要对刀具寿命无明显的影响，而且工作不太可靠，因为切屑和刀具上的积屑可能引起传感器接触部分短路，从而影响精度。
（2）刀具工件间距测量法
切削过程中随着刀具的磨损，刀具与工件间的距离减小，此距离可用电子千分尺、超声波测量仪、气动测量仪、电感位移传感器等进行测量。但是这种方法的灵敏度易受工件表面温度、表面品质、冷却液及工件尺寸等因素的影响，使其应用收到一定限制。
（3）光学测量法
光学测量法的原理是磨损区比未磨损区有更强的光反射能力，刀具磨损越大，刀刃反光面积就越大，传感器检测的光通量就越大。由于热应力引起的变形及切削力引起的刀具位移都影响检测结果，所以该方法所测得的结果并非真实的磨损量，而是包含了上述因素在内的一个相对值，此法在刀具直径较大时效果较好。
（4）放电电流测量法
将切削力刀具与传感器之间加上高压电，在测量回路中流过的（弧光放电）电流大小就取决于刀刃的几何形状（即刀尖到放电电极间的距离）。该方法的优点是可以进行在线检测，检测崩齿、断刀等刀具几何尺寸的变化，但不能精确地测量刀刃的几何尺寸。
（5）射线测量法
将有放射性的物质掺入刀具材料内，当刀具磨损时，放射性的物质微粒就会随切屑一起通过一个预先设计好的射线测量器。射线测量器中所测得的量是同刀具磨损密切相关的，射线剂量的大小就反映了刀具磨损量的大小。该法的最大弱点是放射性物质对环境的污染大，对人体健康非常不利。此外，尽管此法可以测量刀具的磨损量，并不能准确地测定刀具切削刃的状态。因此，该法仅适用于某些特殊场合，不宜广泛采用。
（6）微结构镀层法
将微结构导电镀层同刀具的耐磨保护层结合在一起。微结构导电镀层的电阻随着刀具磨损状态的变化而变化，磨损量越大，电阻就越小。当刀具出现崩齿、折断及过度磨损现象时，电阻趋于零。该方法的优点是检测电路简单，检测精度高，可以实现在线检测。缺点是对微结构导电镀层的要求很高：要具有良好的耐磨性、耐高温性和抗冲击性能。
（7）计算机图像处理法
计算机图像处理法是一种快捷、无接触、无磨损的检测方法，它可以精确地检测每个刀刃上不同形式的磨损状态。这种检测系统通常由CCD摄像机、光源和计算机构成。但由于光学设备对环境的要求很高，而实际生产中刀具的工作环境非常恶劣（如冷却介质、切屑等），故该方法目前仅适用于实验室自动检测。
2.间接测量法
间接测量法利用刀具磨损或将要破损时的状态对不同的工作参数的影响效果，测量反映刀具磨损、破损的各种影响程度的参量，能在刀具切削时进行检测，不影响切削加工过程，其不足之处在于检测到的各种过程信号中含有大量的干扰因素。尽管如此，随着信号分析处理技术、模式识别技术的发展，这一方法己成为一种主流方法，并取得了很好的效果。国内外采用的刀具磨损的间接测量法有：切削力测量法、机械功率测量法、声发射、热电压测量法、振动信号及多信息融合检测。
（1）声发射信号测量法
声发射技术用于监测刀具的磨、破损是近年来声发射在无损检测领域方面新开辟的一个应用领域。其原理是当固体材料在发生变形、断裂和相变时会引起应变能的迅速释放，声发射就是随之产生的弹性应力波。当刀具破损时可检测到幅值较高的AE信号。声发射刀具监控技术被公认是一种最具潜力的新型监控技术，进入80年代以来，国内外致力于开发和应用该技术，已获得较大成果。早在1977年Iwatak和Moriwaki提出了用声发射技术对刀具磨损进行在线检测。在此基础上，Moriwaki提出了声发射刀具破损检测方法。Kannatey-Asibu和Dornfeld从理论上研究了声发射信号的频谱特征，并结合模式识别方法实现了对刀具破损的在线监测。我国声发射监测技术研究尽管起步较晚，但发展迅速。黄惟公采用包络分析法求取刀具磨损中声发射信号的包络线，用时序模型的参数作为特征值，通过神经网络对刀具磨损方程进行辨识，实验证明效果良好；李晓利对镗削过程中的典型AE信号进行FFT分析，通过在频域里AE信号幅值的变化反映刀具磨损状态；袁哲俊对切削过程中的声发射信号进行小波包分解，获取信号各频段的能量分布，以此作为信号特征，并建立基于模糊推理的快速神经网络模型识别刀具磨损状态。由日本Murakami Giken公司研制的chip-55A型刀具破损监控仪采用声发射监控技术，实施对加工过程中刀具状态的监控，该产品与其公司生产的数控铣床配套使用，效果良好。
（2）切削力信号测量法
切削力变化是切削过程中与刀具磨、破损状态最为密切相关的一种物理现象。采用切削力作为检测信号，具有拾取容易，反应迅速、灵敏等优点，是在线方法中研究较多、很有希望突破的一种方法，所以是加工中心和FMS中测量刀具破损的常用方法。
基于切削力的监测方法，采用的监测数据主要有切削分力，切削分力比，动态切削力的频谱和相关函数等。当刀具破损时，切削力变化敏感。当刀具破损较小时，刀具切削刃不锋利，使切削力增强:当产生崩刃或断刀时，切削深度减少或没有，使切削力剧减。在监测切削力时，在X,Y,Z三个方向上同时对Fx,Fy,Fz三个分力进行测量，依靠装在每个电机上的伺服放大器测量出进给电机和主轴电机的电流变化，并把电流变化传给力阀，在显示器上读出被测量的力，从而判断刀具是否破损。1977年，日本东京电机大学的村幸辰从理论和实验两方面深入研究了不同加工条件和刀具磨损状态下各切削力的变化规律，发现在一定条件下切削分力比是一个能灵敏反映刀具磨损变化的特征量，据此他提出了切削力比监测法；1984年，Lan和Dornfeld的研究表明，切向力和进给力对刀具破损具有较高的敏感性；Shiraishi等通过对加工过程的测量、检测和控制技术的对比研究指出刀具失效的力监测法是最有潜力的方法，有着广阔的工业应用前景，扭矩监测和切削力法一样具有相同的研究价值；成刚虎采用了频段均方值法通过切削力监测刀具的磨损状态；万军利用切削力模型和最小二乘法实现模型自动跟踪加工过程特性变化，从而获取刀具磨损量。在切削力监控技术方面具有代表性的成果是瑞典Sandvik Coromant公司推出的TM-BU-1001型刀具监控仪，该系统采用的力传感器可安装于主轴轴承、进给丝杠，可设置三个门限，一旦超限自动报警。
（3）功率测量法
功率测量法也是工业生产中应用潜力很大的方法。该方法是通过测定主轴负荷功率或电流电压相位差及电流波形变化等来确定切削过程中刀具是否破损。该方法具有信号检测方便，可以避免切削环境中切屑、油、烟、振动等因素的干扰，易于安装。潘建岳在对加工中心钻削过程功率信号分析的基础上，提出并采用功率数据的归原处理方法，以此建立了钻头磨损在线监控系统；刘晓胜将回归分析技术和模糊分类相结合，建立了镗削切削参数与电流之间的数学模型，间接的反映刀具磨损量与镗削切削参数的内在联系，并利用功率信号识别刀具磨损量；郭兴提出一种基于人工神经网络的铣刀破损功率监控方法，建立了一个铣刀破损功率监控系统，实验表明该系统能够灵敏的检测出刀具破损并实施监控。袁哲俊系统的研究了切削过程中刀具异常对主电机功率影响的规律，提出了用主电机功率的瞬时值、导数值、静态平均值和动态均方值等多个参数综合监控钻削过程刀具异常状态；万军利用离散自回归AR模型对功率信号进行处理，其模型参数通过适应算法在每个信号采样时刻进行递归修正，以适应切削状况，同时为了区别刀具磨损和切削条件改变引起的功率信号变化，文章引入了归一化偏差处理，当刀具切出工件时其归一化偏差明显比刀具磨损时归一化偏差的变化要小，监控时设报警门限，当归一化偏差超限时，即刻报警，具有良好的效果。成功应用电机功率监控技术具有代表性的厂家是美国Cincinnati milacron公司，该公司开发的刀具监控系统与本公司生产的马刀系列立式加工中心配套使用。
（4）工件尺寸测量法
加工中刀尖磨损或破损必然会引起工件尺寸发生变化，通过测量工件己加工表面的尺寸变化量，可以间接判断出刀具的磨损、破损情况。从测量方式看，有接触工件测量的接触式和测量刀具工件之间间隙的非接触式两类。测量工件尺寸方法的优点在于能直接定量给出刀具径向磨损或破损值，并可与加工精度的在线、实时补偿结合起来，保证加工质量，实现精加工中刀具磨损、破损监测的最终目标。其缺点在于，实时测量易受测试环境干扰，冷却液、切屑等影响测量结果;加工中工件、刀具的热膨胀和受力变形、主轴回转精度、进给运动精度、振动等因素也会直接影响测量的精度。此外，在加工变截面工件时，要求传感器进行准确的跟踪定位，由此也会带来定位的误差，并增加了实现的难度。
（5）切削温度测量法
切削热也是金属切削过程中的一个重要物理现象，刀具的磨损和破损将导致切削温度的骤增。测量切削温度有三种方式:(l)刀具一工件组成的自然热电偶，可以测出切削区的平均温度，不同的刀具、工件材料需进行标定;(2)固定在刀体内某点，由两种金属丝组成的热电偶，测出的是距离刀刃一定距离处某点的温度，存在温度变化时响应慢、事先准备费时的问题。(3)红外摄像系统，可测出切削区温度场分布，具有灵敏度高，响应时间短的特点，但仪器复杂、成本高，聚焦困难，难以测出切削覆盖处的刀具温度。
（6）刀具与工件接触处电阻测量法
测量原理可分为两种:一种是根据刀具磨损使刀具与工件接触面积增大而引起接触电阻减小的效应，这种方法受切削用量影响较大并有绝缘要求；二是在刀具后刀面上贴一层薄膜导体，它随着刀具磨损而消耗，根据其电阻的变化可知刀具后刀面的磨损量。此方法精度高，但需每把刀具都粘贴薄膜电阻，且在高温、高压下薄膜电阻易脱落。该方法应用于实际工况，目前还不太现实。
（7）振动频率测量法
刀具在切削过程中，工件与磨损的刀刃部侧面摩擦，会产生不同频率的振动。对这种振动的监测有两种方法:一是把振幅分成高低两部分，在切削过程中对此两部分振幅进行对比;二是把振幅分成几个独立的幅带，用微处理机对这些幅带进行不断地记录及分析，即能监测出刀具后刀面的磨损程度。美国国家标准局自动化研究所在钻削加工中利用振动信息方面取得了成功的经验。研制成的系统是利用装在工件上的加速度传感器对振动信息进行时效分析，识别钻头的磨损并判断钻头的折断。
（8）工件表面粗糙度测量法
随着刀具磨损程度的增加或破损的发生，工件己加工表面的粗糙度将呈增大趋势，据此可间接评价出刀具的磨损或破损状况。测量工件表面粗糙度的方法也可分为两类。一类是划针式接触测量，可直接得出表面粗糙度的评价参数R。此类方法仅适于静态测量。目前，绝大多数此类方法仅适用于计量室或实验室环境。另一类是非接触式光学反射测量，得出的是工件表面粗糙度的相对值，自动监测中通常采用光纤传感器和激光测试系统两种类型。此类方法测试效率高，可以不留痕迹地测量软质材料的工件表面，但事先需采用样品标定，受切削液、切屑、工件材质、振动等的影响较大。当前还达不到实际应用水平。
（9）电流信号测量法
该方法简称MCSA，利用感应电动机的定子电流作为信号分析的切入点，研究其特征与故障的对应关系。其基本原理是：随着刀具磨损的增大，切削力矩增大，机床所消耗的功率增大或电流上升，故 可实现在线检测刀具磨损。MCSA具有测试便利、信息集成度高、传动路径直接、信号提取方便、不受加工环境的影响、价格低、易于移植等特点，在机床这种传动系统封闭、一般传感器比较困难安装的场合，应该是一种值得探索的方法。
（10）热电压测量法
热电压测量法利用热点效应原理，即两种不同导体的接触点在受热时，将在两导体的另一端之间产生一个电压，这个电压的大小取决于导体的电特性 及接触点与自由端之间的温度差。当刀具和加工工件是由不同材料构成时，在刀具与工件之间就可以产生一个与切削温度相关的热电压。这个电压就可以作为刀具磨损量的一个度量，因为随着刀具磨损量的增大，热电压也随之增大。该方法的有点是价格便宜，精度较高，使用简便，特别适用于高速加工区，缺点是对传感器材料及精度要求高，只能进行间隔式检测。

自钻式旁压测试

（一）概述

预钻式旁压试验需要预先成孔，会对孔壁土体产生一定的扰动，旁压孔的深度也会因塌孔等原因而受到限制。为了克服预先成孔所带来的一系列缺点，自钻式旁压仪就应运而生了。法国道桥研究中心和有关道桥研究所、英国剑桥大学，从60年代末和70年代初分别开始研制自钻式旁压仪，并分别于1973年和1974年相继投入商品市场，进入实际工程应用，使旁压技术达到了一个更高的发展阶段。

自钻式旁压仪是一种自行钻进、定位和测试的钻孔原位测试装置。它借助于地面上的（或水下的）回转动力（通常可用水冲正循环回转钻机作为动力），利用旁压器内部的钻进装置，可自地面连续钻进到预定测试深度，然后在保持钻孔周围土层不受扰动的条件下测试，求得土或软岩的各项力学参数。

自钻式旁压试验的突出优点是自动成孔，原位测试。它可以使土层的天然结构和应力状态在测试前保持不变，真正起到了原位测试作用，所求土层的各项指标可代表土层的真实情况。其成果的分析和应用是建立在理论基础上的，而不是建立在经验关系上，这是其它土的原位测试方法所无法比拟的。

自钻式旁压试验的主要缺点是所用自钻式旁压仪结构复杂，操作方法也较复杂，测试人员需经较长时间的培训。此法应用历史较短，经验不足，还处于不断改进之中。因此，自钻式旁压试验和预钻式旁压试验将会长期共存，互相取长补短，在工程勘测中发挥重要作用。

目前，国际上有各种型号的自钻式旁压仪，但基本上可以法国道桥式和英国剑桥式两种为代表。它们的性能和区别如表5—9所示。

表5—9　自钻式旁压仪性能比较

英国剑桥式自钻式旁压仪（简称Camekometer）由探头（包括钻进器和旁压器）、液压地面升降架系统、钻进器的驱动系统、泥浆循环系统、压力控制系统和数据采集系统五部分组成。其动力设在地面，钻进器由钻杆回转带动，在刃脚内破碎土体，并借助循环水（或泥浆）带出地面。

图5—31是英国剑桥式自钻式旁压仪的探头构造图。其内装有弹簧式电阻应变传感器，可测在不同压力下膨胀时的应变值。

法国道桥式自钻式旁压仪（简称PAF）由探头（包括钻进器4、旁压器3和钻杆加压系统2，见图5—32、压力容积控制器和同轴管路系统等组成。

我国也于80年代初相继研制出自钻式旁压仪，并投入使用。如城乡建设部综合勘察院研制的MIM-1型自钻式旁压仪（见图5—33）是以英法两国自钻式旁压仪为基础的改进型。它是由地上装置、管路系统和地下装置三大部分组成。地上装置包括显示和自动记录、动力源、气压和放大示波装置。地下装置则分成孔压传感器、变形传感器、自钻装置、加压装置和拾震装置等五个部分。地上、地下各相应部分由水、气、电管路系统连接，使之协调地进行工作。

MIM-1型旁压器和英国剑桥式旁压器类似，属于单腔、气压应力控制式，外径为118mm，长1.385m，由电阻应变式传感器测应变。它还装有拾震装置，可以接收及传感来自垂直方向及水平方向的体波。激振采用单孔或跨孔法，这样可以测得土中的纵、横波速，并由此计算土的动泊松比、侧变形系数、动弹性模量、动剪切模量及拉梅常数等五项动弹性参数。这是一项具有潜力的综合性原位测试新技术。

图5—31　Camkometer探头构造图

图5—32　PAF探头构造图

1—空心钻杆；2—钻杆加压系统；3—旁压器；4—钻进器；5—液压马达；6—切土刃口；7—粉碎器

华东电力设计院研制的PYHL-1型自钻式旁压仪是在PY型预钻式旁压仪的基础上试制成功的。由钻机带动钻杆回转，使探头下部的钻进器切削土体，并借循环水（或泥浆）将土屑带出地面。探头为三腔液压式。旁压器长940mm，测量腔长200mm，外径90mm。

（二）自钻式旁压试验步骤

自钻式旁压试验，除自钻进尺外，试验步骤基本和预钻式旁压试验步骤一样，简述如下。

（1）根据土质的软硬程度选择合适形式的探头，并考虑是否要配用加强膜和护套以及切削器的种类等。

（2）率定弹性膜约束力和仪器管道系统受力后的综合变形。对压力表和传感器等，要求在试验室进行必要的校核和率定。

（3）把探头插入土中。首先，借探头和钻杆的自重将刃脚切入土中一小段深度；然后，开动液压马达或钻机，带动研磨刃具旋转，并根据土体的软硬程度向刃具施加一定的垂直压力。被粉碎的土屑不断地被循环水或泥浆带出地面，直至探头下沉至试验标高。必须控制进尺速度，对一般地基土，用法国PAF-76旁压仪，要采用恒定的0.25m/min的速度。

图5—33　MIM-1型自钻式旁压仪

（a）自钻式旁压试验工作示意图：1—示波仪；2—电荷放大器；3—测震仪放大器；4—气压调节箱；6—跨孔激振器；7—自钻旁压器（兼拾震器）

（b）MIM-1型探头：1—泥浆冲洗液；2—钻杆；3—回水；4—电气管路；5—导向翼轮；6—电缆；7—接触板；8—拉簧；9—压簧；10－双向检波器；11—钢筒骨架；12—橡皮膜；13—金属罩片；14—丝扣；15—孔压传感器；16—轴承；17—鱼尾钻头；18—管靴；19—射水孔

（4）试验。首先要卸除钻杆的下压力，停止液压马达或钻机的转动，并截断冲洗水。用压力传感器测得旁压腔压力达到稳定时的压力值。这个压力即为土的静止侧压力。然后，调节压力控制器的压力，并开启压力阀门，使控制器的压力正好平衡探头中的压力。接着开始进行正式试验，需要测量注入探头的总水量、注入测量腔的水量及相应的压力表和压力传感器上的读数。当达到预定的探头膨胀量时，试验停止。

关于读数的间隔时间和压力增量，对于PAF型（应变控制式），建议每分钟应变x（x＝△V/V0表示加压时测量腔的体积增量与原体积的比值）等于2%，直至x=20%—25%时停止。需要量测每一△x=0.4%时的压力值。

对于PYHL-1型（压力控制式），建议按下述规定进行试验：

①压力增量取预估比例极限Pf的1/5至1/7。

②在各级压力下观察时间为一分钟，即可认为已达到相对稳定。

③在各级压力下，按下列时间间隔记录测管水位下降值：15、30、60s。

（三）自钻式旁压试验成果

（1）自钻式旁压试验的最主要成果是旁压曲线（P-x曲线）。对旁压器加压方式的不同，x的涵意也不同。剑桥型等气压式自钻式旁压曲线中的x指应变ε＝△r/r，道桥型液压式指△V/V0，国产PYHL-1型则指测管的水位降。对于等容剪切理论（可参考有关书籍），应变ε与△V/V0之间有下述简单的关系：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

虽然自钻式和预钻式旁压试验的主要成果都是旁压曲线，但它们的旁压曲线有下列不同之处。

图5—34为标准的自钻式旁压曲线。把它和图5-23标准预钻式旁压曲线相比较可以看出，两曲线的形状有明显的不同。预钻式旁压曲线可分为首曲线段、直线段和尾曲线段；而自钻式旁压曲线却缺失首曲线段，只有似直线段和尾曲线段。两曲线不同的原因，可简述如下：预钻式旁压曲线的首曲线段表示试验开始时旁压器和钻孔之间有空隙，孔壁土层受到扰动。因此，施加较小的压力，弹性膜就有较大的变P0m系使卸荷膨胀的孔壁土层重新压回到原始位置所需的力。之后的直线段，表示孔壁土层受压后处于似弹性变形阶段。尾曲线段表示孔壁土层已处于塑性破坏阶段。自钻式旁压曲线缺失首曲线段，是因为测试前孔壁土层未受扰动。当开始施加压力时，由于土层中存在着原始水平应力（或静止的土侧压力），弹性膜不膨胀。当所施加的压力达到土层原始水平应力时，弹性膜开始膨胀，自钻式旁压曲线才偏离压力P轴。此偏离开始点即为P0，其意义为土层原始水平应力。自钻式旁压曲线没有明显的直线段，或者说只有似直线段，且比预钻式旁压曲线直线段陡。达到极限压力时，按两线段分别求出的极限压力值很接近，但自钻式旁压曲线的极限压力值所对应的应变值要比预钻式的小得多。

图5—34　自钻式旁压曲线及特征值

（2）据自钻式旁压曲线可以得到下列指标（参看图5—34）：

①P20:x=20%时的旁压，大致相当于预钻式旁压曲线上的极限压力PL值。

②P4:x=4%时的旁压，大致相当于预钻式旁压曲线上的比例极限Pf值。

③P0：为土的原始水平应力。

④K0：为土的侧压力系数，可由下式求得：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：u——孔隙水压力（kPa）；

γ——土的密度，水下要用浮密度（kN/m3）;

h——测试点深度（m）。

⑤τ－x剪切曲线和不排水抗剪强度Cu值：该曲线系根据等容剪切理论推得。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

曲线为图5—34虚线所示。各剪应力τ值为图中旁压曲线上与x相对应的次切距TN。τ－x曲线的峰值即为不排水抗剪强度Cu。

⑥不同x值对应的剪切模量Gx

土体原位测试机理、方法及其工程应用

（四）影响自钻式旁压试验成果精度的主要因素

（1）自钻式旁压试验成功的关键是在试验前防止孔壁土层被扰动。自钻式旁压器下端为一切削器（又称切削管靴），切削器内为钻头。钻头与切削器刃脚底边的相对位置对孔壁土层的扰动与否有密切关系。钻头的位置一般应比切削器刃脚底边缩进一定距离，这样可以使孔壁土层不产生扰动；但缩进过多或不缩进，都会对孔壁土层产生扰动。图5—35为钻头位置对孔壁土层产生扰动程度的示意图。a图表示缩进过多会使切削器内的土受到挤压，反过来对孔壁土层产生反挤压；b图示钻头位置和刃脚齐平，会使孔壁外土层向孔中挤压；c图表明位置恰当，未对孔壁土层产生扰动。虽然做了这样处理，但在成果分析时仍应注意土层可能产生扰动造成的影响。

图5—35　钻头位置对孔壁土层扰动示意图

在钻进中为防止土层受扰动和回水管堵塞，可根据土层性质调整切削器的距离。调整时可参照表5—10。

用PYHL-1型自钻式旁压仪试验，应根据地层情况，调整好钻头和切削器刃脚底边之间的距离。最大调节距离为6cm。当地层为流塑或软塑土层时，宜调到最大距离；对可塑土层，可调为3cm左右；对硬塑土层和密实的砂，则将两者调至齐平或使钻头超前。

（2）非正常自钻式旁压曲线分析。由于设备、试验条件及土质等因素的影响，可能出现图3—36中一些非正常的P-x曲线，见图5—36。

表5—10　剑桥式切削器调整距离D

图5—36　非正常P-x曲线

曲线Ⅰ：如图5—36a示。当土层较硬时可能出现这类曲线。试验开始时，孔壁和橡皮膜之间存在有孔隙。一旦橡皮膜与孔壁完全贴合后，即呈正常型。

曲线Ⅱ：如图5-36b示。与预钻式旁压曲线很相似，可能是因试验前孔壁土层受到扰动所致。

曲线Ⅲ：如图5—36c示。为双重曲线，可能是因为旁压器架在复合土层中所致。这样，软土层处旁压器膨胀得多，而硬土层处旁压器膨胀得少；橡皮膜不平滑也会出现这种情况。

曲线Ⅳ：如图5—36d示。可能是因为注水量突然增大所致，如渗漏等的影响。

利用上述非正常曲线的测试结果，应十分小心，须和已测得的正常曲线或其它测试结果进行对比，才能确定压力和变形的力学指标；否则，应弃之不用，重新测试。

（3）取值标准。由于自钻式旁压试验经验不足，对成果的取值标准并未取得一致的看法，使得到的成果有差异。如法国道桥式自钻旁压试验的最大相对体积变化△V/V0值为20%，将此值对应的压力定为极限压力P1。这样限制的一个重要原因是旁压器的弹性膜和保护套不能受到过大的变形，当必须大变形时，就要用特殊装置的旁压器来做试验。因此，定为20%，主要是人为的标准。再者，土类千差万别，性质各异，用统一的体积变形标准（数值）来求Pf、P1是否合适，也有待进一步验证。我国制造的PYHL-1型旁压测试成果取值方法为：先画直线，并将两端延长与P轴相交，其截距为P0；再用曲线板连接曲线，定出曲线与直线的切点，切点所对应的压力即为Pf；取测管水位下降值Sf为37cm（或体积增量△V=1300cm3），与其对应的压力即为P1。

（4）孔壁土层扰动影响。如上述，孔壁土层扰动对自钻式旁压试验成果有很大影响。其影响程度，可通过比较自钻式旁压曲线（图5—37中标SBPMT者）和预钻式旁压曲线（图5—37中标PMT者）的特征值来加以了解。图5—37是法国在现场两个靠近钻孔中的4m深处进行试验而得到的成果曲线，将预钻式旁压曲线的起点选在V0m和P0m处。从图中可看出：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

图5—37　自钻式与预钻式旁压曲线比较

①自钻式的P0（55kPa）小于预钻式的P0m（73kPa）。

②两者的Pf值很接近，但此时的应变差别较大，因而两者的旁压模量大不相同，自钻式的明显大于预钻式的。

③两者的P1值也很接近。

表5—11和表5—12为两者试验结果的比较表。

法国道桥试验中心的研究结果得出如下关系：粘性土：P1=P20；粉土、砂土（松—中密）：P1=1.5P20；密实砂土：P1=2P20。

用两种测试测得的模量差异甚大，说明土的扰动不可忽视，即模量对土的扰动异常敏感。

表5—11　粘土中PMT和SBPMT结果比较（kPa）

表5—12　砂土中PMT和SBPMT结果比较（kPa）

注：EP2为2%体积应变时的割线模量；

Em3为三次循环后的重新加荷模量。

（五）自钻式旁压试验成果的应用

（1）从自钻式旁压曲线上求土层的各项指标，参阅本节（三）。

（2）推算地基容许承载力（承载力标准值）fk

土体原位测试机理、方法及其工程应用

如旁压曲线上的比例界限压力出现后曲线很快转弯，出现极限破坏时，则

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中，F为安全系数，可根据当地经验确定，一般为2—3。fk、PL、P0单位均为kPa。

（3）计算旁压模量。用PYHL-1型旁压仪试验，建议采用下式计算自钻式旁压模量Efm：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中，Sc＝37cm;Sf为与旁压器中腔体积相当的测管水位下降值。PYHL-1型旁压仪为37cm。

（4）鉴定土类。法国Baguelin、Frank等人通过对比试验资料分析，提出了特征系数β。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

他们发现，对于一定土类，β值相对比较稳定：β＜25%为灵敏粘土，25%＜β＜40%为粘土，35%＜β＜50%为粉土和松砂，45%＜β＜0%为密实砂，β＞60%为极密实砂。

（5）计算基础沉降。法国Baguelin建议按照Ménard理论有下列计算基础沉降公式。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：S——基础沉降量（cm）;

P——基底单位荷载（kPa）;

λⅠ、λⅡ——形状系数，查表5—7得；

B0——基础参考宽度，取B0=60cm；当B＜B0时，取B0=B；

其它符号意义同前。

由于自钻式旁压试验应用历史较短，应用领域还有待继续扩大。但是，自钻式旁压试验有其独特的优点，有很大的发展潜力，特别是对软土层和海域工程勘察，更有其优势，大有用武之地。

φPDC钻头台架试验结果分析

(一)室内台架试验

时间:2010年11月8日～11月13日。

地点:湖北地大金石地质工具有限公司钻进试验台(图3－25)。所用设备为批量生产的XY－2型钻机。试验台把钻机架高了，试验用岩块可从下部推入。循环介质为清水。

试验钻头:用中国复合片+乌克兰工艺制造的75mmPDC取心钻头和用乌克兰复合片+乌克兰工艺制造的75mmPDC取心钻头(参见图3－24)。

试验岩样:共试验了两种岩石，如图3－26所示，编号分别为岩1与岩2。

图3－25 钻进试验台

图3－26 用于台架试验的两种硬岩岩块

(二)所钻岩石的矿物鉴定结果

委托中国地质大学(武汉)岩矿鉴定中心对所钻岩石进行了薄片分析，其矿物成分的电子显微镜照片见图3－27。

图3－27 电镜薄片分析结果

经专家确认，岩1为中粒—细粒似斑状白云母斜长花岗岩。其中，似斑晶:斜长石，自形，有绢云母化现象，粒径2.5mm，20%;石英:圆形，粒径2.5mm，20%;基质:斜长石:聚片双晶发育，粒径0.3～1mm，35%;白云母:片状，平行消光，解理发育，粒径0.8～1.2mm，25%;结构构造:似斑状结构，块状构造。岩2为粗—中粒黑云母二长花岗岩。其中，矿物成分:斜长石聚片双晶发育，板状，部分碳酸岩化，粒径0.7mm～2.5mm，30%;钾长石板状，具条纹构造，粒径1.7～6.25mm，35%;黑云母片状，平行消光，解理发育，单偏光下呈褐色，10%;石英文形，25%;结构构造:具二长结构，块状构造。

(三)所钻岩石类别的测试结果

1.按岩石的压入硬度分级

按照测试要求，首先对台架试验中取出的岩心进行切断、端面磨平、抛光。做压入硬度试验时，每组岩样上下端面各取5个测试点。有部分岩样在压入过程中出现了局部碎裂的情况，但不影响测试结果。压入硬度计及测试岩样的情况见图3－28。

图3－28 岩石测试用的压入硬度计(左)及测试后岩样的破坏情况(右)

计算岩石压入硬度Hy的公式如式(3－21)所示:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:Hy为岩石的压入硬度，MPa;F为岩样在压头作用下发生局部破坏时的轴向载荷，F=kPySy，N;S0为压头底面积，m2;Py为油压表的读数，kg/cm2;Sy为油缸活塞面积，m2;k为量纲换算系数。

由计算出的压入硬度值Hy，通过查表3－17，可确定岩石的可钻性等级，见表3－18。

表3－17 岩石按压入硬度值的可钻性分级表

表3－18 所钻岩块的压入硬度测试值及其可钻性级别划分

也就是说，按照国际钻探界通用的压入硬度分级标准，用于台架试验的两种岩块均为硬岩。其中岩1(中粒—细粒似斑状白云母斜长花岗岩)的可钻性为Ⅷ级，岩2(粗—中粒黑云母二长花岗岩)的可钻性为Ⅶ级。这两种岩石在以前国内的岩心钻探实践中很少用PDC钻头去钻进，而且是效率很低的钻探对象。

2.按岩石的单轴抗压强度分级

在单向压缩(即没有围压)条件下，岩样的单轴抗压强度也是反映其基本力学性质的重要参数。岩石的单轴抗压强度是岩样在单轴受力条件下整体破坏时的总压力与岩样截面面积之比。

委托中国地质大学(武汉)力学实验室进行了所钻岩样的单轴抗压强度测试，试验设备为WE－1000B型液压万能试验机。首先把岩样加工成高度和直径比为1～2的圆柱体，每组测两个样，取其平均值。对于高径比不等于2的圆柱样品，应按下式对试验结果进行修正:

人造金刚石超硬材料在钻探中的应用

式中:σ为高径比为2的条件下(H/D=2)试样抗压强度，MPa;σc为非标准试样条件下的抗压强度，MPa;D，H分别为非标准试样的直径和高度，mm。

按计算的岩石单轴抗压强度值查地层分类表3－19对岩石软硬程度进行分析，结果如表3－20所示。也就是说，按照单轴抗压强度分类标准，用于台架试验的两种岩块均为坚硬岩石。这从另外一个侧面反映了用PDC钻头钻进它的难度。

表3－19 按抗压强度对地层进行分类

表3－20 岩石单轴抗压强度测试结果以及岩性

(四)室内台架试验结果分析

试验目的:用中方和乌方复合片制造的№1、№2钻头在中粒—细粒似斑状白云母斜长花岗岩(岩1)和粗—中粒黑云母二长花岗岩(岩2)中的钻进情况，比较中国、乌克兰两国复合片的性能，检验乌方的焊接工艺及其保径超硬材料的保径效果。

1.在中粒—细粒似斑状白云母斜长花岗岩(岩1)中的钻进情况

由于每只钻头在硬岩钻进台架试验中总的进尺量较少，约6～7m，钻头的复合片、内外保径部分的磨损量非常小，可忽略不计。

试验的实测数据如表3－21与图3－29所示。

表3－21 №1、№2PDC钻头在中粒—细粒似斑状白云母斜长花岗岩中的试验效果

图3－29 №1和№2钻头在岩块1中的平均机械钻速柱状图

2.在粗—中粒黑云母二长花岗岩(岩2)中的钻进情况

试验的实测数据如表3－22与图3－30所示。

表3－22 №1、№2PDC钻头在粗—中粒黑云母二长花岗岩中的试验效果

图3－30 №1和№2钻头在岩样2中的平均机械钻速柱状图

3.两种PDC钻头的台架试验效果分析

由上述试验数据表格和柱状图，可得出以下结论:

(1)无论是№1钻头还是№2钻头，都存在着随钻压、转速增大，机械钻速增大的规律。对于岩样1，在钻压为7.5kN时，随着转速增至456r/min，机械钻速增幅最大，№1钻头(中方复合片)达14.73m/h，№2钻头(乌方复合片)为7.42m/h。对于岩样2，在钻压5.0kN，转速为456r/min时，№1钻头机械钻速最大，达10.66m/h;而在钻压7.5kN，转速为456r/min时，№2钻头机械钻速最大，达6.54m/h。台架试验的结果表明，PDC钻头可以正常钻进Ⅶ～Ⅷ级的硬岩石，并取得很好的钻进效果。从而摆脱以前认为PDC钻头只能钻进中软—中硬岩石的误区。

(2)在较低的规程参数组合下，例如，对于75mm的PDC取心钻头，在钻压低于5.0kN，转速低于300r/min条件下，无论是№1钻头还是№2钻头的钻进效率基本上相差不大，都处于较低的水平。而取较高的规程参数组合，在钻压大于5.0kN，转速高于300r/min条件下，机械钻速迅速增大。由此可以得出两条结论，一是PDC取心钻头可以在比孕镶金刚石钻头更低的规程参数组合下，实现硬岩正常钻进;二是对于75mm的PDC钻头的规程参数组合，钻压不能低于5.0kN，转速不能低于300r/min。

(3)在中粒—细粒似斑状白云母斜长花岗岩(岩1)和粗—中粒黑云母二长花岗岩(岩2)两种Ⅶ～Ⅷ级硬岩中，№1钻头都明显比№2钻头效率高，表明中方复合片的性能不亚于乌方复合片，而且价格更便宜，主要应解决复合片的低温焊接工艺。

(4)在整个试验过程中，两种钻头的PDC片均未发现磨损和掉齿现象，表明乌方焊接工艺优良。№1、№2PDC钻头的复合片、内外保径部分的磨损量非常小(图3－31)。由于试验进尺较短，从而无法验证两种钻头在使用寿命上有何差别。

图3－31 №1、№2钻头的磨损情况

由于PDC钻头不宜钻进裂隙性岩石，而在台架试验后一时没有找到合适的野外生产试验钻孔(既是Ⅶ级左右的硬岩，又是完整无裂隙性岩石)，所以生产试验工作拖后了，在本章完稿之前尚未完成PDC钻头野外生产试验数据的整理，所以暂缺生产试验的资料与效果分析。

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