一种适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头的制作方法

本实用新型涉及一种地质工程用钻头，特别是一种适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头。

背景技术：

随着水利、能源、交通、矿业、城市基础建设力度的加大，在隧道、边坡中锚杆支护应用越来越广泛。锚杆支护充分的利用了岩体自稳能力。尤其是自钻式中空锚杆系统，可以快速成孔并注浆，能确保岩体开挖后立即提供支护力（预应力），防止围岩的变形和松动，增强了岩土工程的稳定性。

自钻式锚杆系统中钻头众多，常用的有“一”字型、“十”字型、球齿型，每种钻头都有其特点。根据不同的地形和岩土特征，选择不同的钻头类型。在泥灰岩、白垩土、砾石、软弱泥岩的应用中，由于钻进效率高，缺乏一种定心效果好的钻头，钻进过程中钻头易偏离既定线路，造成杆体弯折，影响钻头的支护性能和效果。对于球齿全钢钻头来说，边齿的磨损速度成倍于内部球齿，边齿易先磨损而出现打滑、降低钻进效率等。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头，在软弱岩土的施工中，具有边齿耐磨损，成孔稳定性好的优点，且具有自定心功能，不容易偏移，凿岩效率高，成孔精度好。

为了实现解决上述技术问题的目的，本实用新型采用了如下技术方案：

一种适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头，属于全钢钻头，包括头部和裤体两部分；头部设有三个互不相连的切削刃、1个位于该三个互不相连的切削刃中间的下凹槽和分布在下凹槽中的4个球齿；三个切削刃底部互不连接，位于该三个切削刃中间的部位即为下凹槽；

所述三个切削刃均为三角形刀刃，凸出在头部，三个切削刃的底部在凹槽所在平面上以钻头轴线为中心呈120°角均匀分布；切削刃的刃尖呈圆弧线形，刃两侧一面为内凹圆弧面，另一面为外凸圆弧面；刀刃两侧面凹凸方向不同形成刀刃的方向；三个切削刃中两个刀刃方向相同，并凹向旋转方向，称之为主切削刃，另一切削刃凹向旋转方向的反向，称为副切削刃。主切削刃形状结构完全相同，任一主切削刃与副切削刃关于两切削刃之间的弧形排屑槽平分面相互对称；

裤体外壁上均布有三个形状相同的圆弧状排屑槽，使得在钻头与孔壁之间形成容屑和排屑空间，用于钻进时容屑和排屑；在两个主削刃旋转方向上方向的两个排屑槽中各分布有一个出水孔，出水孔的两端分别连通排屑槽和钻头内部的盲孔；出水孔在排屑槽的一端偏离排屑槽中心设置，相对于排屑槽的中心分别偏离两个主切削刃，出水孔角度斜向上，与钻头轴线夹角为60°～80°；与无出水孔排屑槽相邻的主切削刃下方，在钻头外壁上设有1个通水孔，通水孔方向垂直或近似垂直于钻头中心轴线设置，进通水孔一端与钻头内部的盲孔联通，另一端连通于排屑槽之外的钻头外壁；裤体内部设有螺纹腔体，可与自钻式杆体的外螺纹旋合，并实现钻进所需的能量传递，并通过内部腔体与通水孔相通，使压力水得以流通；头部下凹槽依次交替与切削刃底部、排屑槽相交形成六边状的下凹槽，六边均为圆弧状凹向钻头中心轴线；

4个半球型的球齿中的三个球齿中心分布在与钻头轴线同心的外侧圆周上，并且球齿的外缘贴近切削刃底部；三个外圈球齿分布角度与三个切削刃分别相同，靠近副切削刃的外圈球齿的中心到钻头中心的距离短于其他两个外圈球齿，使得该处球齿的外缘与切削刃间隙稍大；靠中心的为第四球齿，第四球齿的中心位于在下凹槽中心附近，距离钻头中心距离小于1个球齿半径，且第四球齿靠近主切削刃附近的两个外圈球齿，并与这两个球齿的中心距相等。

这些技术方案，包括改进的技术方案以及进一步改进的技术方案也可以互相组合或者结合，从而达到更好的技术效果。

本申请的适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头，各个部件作用的工作方式为：

两个主切削刃刀刃方向相同，可以迅速嵌入破坏岩土结构，并将破碎后的岩土碎屑剥入排屑槽中，然后迅速与水流混合成泥浆排出孔外；

副切削刃的刀刃方向与主切削刃相反，对于岩土粒块的作用方向与主切削刃相反，嵌入岩土中并向外拨动岩土粒块，对于较为坚硬顽固的岩土粒块，在主切削刃和副切削刃的交替作用下，更容易被破坏和排出；

在软弱的岩土地质条件下，如泥灰岩等，钻孔支护时，三个三角形刀刃凸出在头部，相比球齿钻头，工作时可迅速的嵌入土层，破坏土层结构，刀刃不滑动，剪切效果好；主切削刃和副切削刃交替作用，对于破坏坚硬顽固的粒块更为有效，起到增加钻进效率的目的。

中部下凹槽一方面让切削刃凸出钻头，在切削时先破坏孔周围土层，中部土层后破坏，卡在槽中，起到定心作用，在钻孔较深时，很好的减小或避免钻头和钻孔的偏斜。另一方面，下凹槽的存在增加了容屑空间，避免钻头在钻进时发生卡钻现象。

球齿的分布规律可以保证钻进时刀刃及球齿覆盖整个孔范围内的岩土；在小范围内布置相同的球齿，球齿的磨损速度大致相同，球齿保持较高的利用率，布局更为合理。

两个出水孔斜向上设置可以使水流直接冲洗到孔底，冷却刃部，并及时冲走两个主切削刃剥落下来的碎屑，避免碎屑在堵塞导致卡钻。

通水孔设置在排屑槽外的钻头外壁上，并与非对称刀刃垂直对应，通水孔方向水平或近似水平设置，可以达到的效果是：通压力水时，可以冲洗孔壁附着或松动的岩土碎屑。在两个出水孔和一个通水孔分别作用下，使得钻头刃部得以及时冷却，并冲洗带走钻孔孔壁上松动的碎屑，保证钻孔大小，在注浆时可以形成不低于要求的注浆厚度。

本申请的技术方案，具有很多先进的技术设计。

出水孔的两端分别连通排屑槽和钻头内部的盲孔，用于通压力水，提前润湿待切削的岩土，偏离排屑槽中心设置，避免水流方向直接与进入排屑槽的碎屑反向冲击，有利于排屑；压力水一方面提前润湿带切削的岩土并冷却切削刃，一方面水流经孔底孔壁折回后与进入出水孔所在的排屑槽中的岩土碎屑混合形成泥浆，排出孔外。

通水孔用于通压力水，冲洗孔壁上的松散碎屑，并与没有进入排屑槽，存留在钻头外壁和孔壁之间空间的碎屑混合形成泥浆，排出孔外，避免碎屑在狭小区域囤积卡钻。

在主切削刃的作用下，大部分岩土碎屑经主切削刃剥落作用进入位于主切削刃旋转方向上方向的两个排屑槽中，还有一小部分碎屑会进入另一排屑槽或填充在钻头外壁与孔壁之间的空隙中。有针对性的布置不同作用的出水孔和通水孔，既能保证压力水流与排屑槽中的碎屑充分迅速地混合成泥浆，也能保证钻头外壁与孔壁之间的松散碎屑得以快速有效的冲刷和混合，形成泥浆并排出孔外，大大改善碎屑的清理效果，避免碎屑囤积影响钻头钻进效率。

球齿的外缘贴近切削刃底部，可以避免钻孔时外圈球齿与切削刃之间隙过大形成切削死角。

三个外圈球齿如果和三个切削刃有对应，方便排屑；如果不对应，会阻碍球齿破碎后的岩土碎屑进入排屑槽中，影响钻进效率。

由于靠近副切削刃的外圈球齿的中心到钻头中心的距离短于其他两个外圈球齿，使得该处球齿的外缘与切削刃间隙稍大，这样可以使得外圈球齿中心在径向分布上分布点更多，外圈球齿覆盖的切削范围更广，切削效果更好。

球齿中心距离钻头中心太近起不到切削效果，离中心太远会在钻头中心形成切削死角，且中心球齿应与外圈球齿保持一定距离，避免过于拥挤使碎屑堆积。同时中心球齿靠近两个主切削刃附近的外圈球齿，使得在两个主切削刃所在的两个直径方向形成覆盖面完整的复合型切削刃。两个主切削刃及对应的球齿起到主要的破碎和剥落岩土作用，副切削刃及其对应的球齿则起到补充和改善破碎效果的作用。

通过采用上述技术方案，本实用新型具有以下的有益效果：

弧面三角形刀刃在松软岩土中可较容易地嵌入岩土中并形成剥削作用下，提高钻进效率，凹槽结构使钻头钻进过程中具有定心效果，成孔精度高，钻进更稳定，杆体径向变形小，保护杆体不易疲劳或剪切损坏；主切削刃和副切削刃圆弧刀刃方向不同，对于岩土中坚硬顽固的粒块有不同的作用力和效果，提高钻进效率；出水孔和通水孔在排屑槽的非中心位置和钻头外壁位置分别布置，使得压力水有效润湿岩土和切削刃的同时，避免压力水和岩土碎屑直接反向冲击；对于排屑槽之外的岩土碎屑，在水平通水孔的作用下也得到了有效的冲刷和混合，改善了岩土碎屑和压力水的整体混合冲洗效果，避免碎屑卡死钻头，提高排屑和钻进效率。通过对三个切削刃，以及设置出水孔和通水孔进行不同但明确的分工，整体的钻进效率更高，下凹槽的设计也使得成孔精度也得到了提升。

附图说明

图1是本申请的适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头的结构示意图。

图2是本申请的适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头的主视图。

图3是本申请的适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头的俯视图。

图4是适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头的A-A剖视图。

图中，11-主切削刃，12-副切削刃，13-主切削刃，2-下凹槽，31-第一球齿，32-第二球齿，33-第三球齿，34-第四球齿，41-第一出水孔，42-通水孔，43-第二出水孔，51-第一排屑槽，52-第三排屑槽，53-第三排屑槽。

附图1-4仅为左旋钻头，右旋钻头仍然适合以上描述，但是与左旋钻头反向设置。

具体实施方式

下面结合附图对本申请进一步解释说明。但本申请的保护范围不限于具体的实施方式。

实施例1

如图1-4所示，本申请的适用于自钻式中空锚固系统的三刃凹面球齿钻头，包括头部和裤体两部分。头部设有三个切削刃、1个下凹槽2和分布在下凹槽2中的4个球齿。裤体外壁上均布有三个圆弧状排屑槽，用于钻进时容屑排屑；在排屑槽中分布有两个出水孔，裤体外壁上设有1个通水孔42，用于通压力水，冲洗岩屑和冷却钻头切削刃。裤体内部设有螺纹腔体，可与自钻式杆体的外螺纹旋合，并实现钻进所需的能量传递，并通过内部腔体与通水孔42相通。

在软弱的岩土地质条件下，如泥灰岩、钻孔支护时，三个三角形刀刃凸出在头部，相比球齿钻头，工作时可迅速的嵌入土层，破坏土层结构，刀刃不滑动，剪切效果好，起到增加切削效率的目的。主切削刃11和主切削刃13为主刀刃，破坏并剥落破碎的岩土；副切削刃12为副刀刃，起到破坏岩土完整性的作用。中部下凹槽2一方面让切削刃凸出钻头，在切削时先破坏孔周围土层，中部土层后破坏，卡在槽中，起到定心作用，在钻孔较深时，很好的减小或避免钻头和钻孔的偏斜。另一方面，下凹槽2的存在增加了容屑空间，避免钻头在钻进时发生卡钻现象。球齿的分布规律可以保证钻进时刀刃及球齿覆盖整个孔范围内的岩土。在小范围内布置相同的球齿，球齿的磨损速度大致相同，球齿保持较高的利用率，布局更为合理。第一出水孔41和第二出水孔43斜向上可以使水流直接冲洗到孔底，冷却刃部，并及时冲走主切削刃13和主切削刃11剥落下来的碎屑，避免碎屑在堵塞导致卡钻。通水孔42水平布置，通压力水时，可以冲洗孔壁附着或松动的岩土碎屑。在三个水孔分别作用下，使的钻头刃部得以及时冷却，并冲洗带走钻孔孔壁上松动的碎屑，保证钻孔大小，在注浆时可以形成不低于要求的注浆厚度。在钻头外壁上设置有3个均匀分布的排屑槽，在钻头与孔壁之间形成容屑和排屑空间。