潜水器用钴结壳取芯钻头的制作方法

本发明涉及提取岩芯装置，尤其是一种潜水器用钴结壳取芯钻头。

背景技术：

海洋钴结壳富含钴，稀土元素总量很高，是极为重要的矿产资源。钴结壳的原位取芯不仅可用于研究钴结壳的矿产分布，钴结壳中各金属含量，也可作为研究海洋变化以及运动的依据。国际上，已有美国伍兹霍尔海洋研究所，美国海洋工程技术协会，英国、法国、俄罗斯利用潜水器实现了海底钴结壳的取芯。

目前，国内的蛟龙号潜水器已可实现海底7000m的下潜深度，而钴结壳的分布区域大多在海底400m-4000m的范围，因此，利用蛟龙号潜水器实现钴结壳的取芯成为最易实现的一种方式。由于蛟龙号潜水器在水下运动的特殊性，其在水下的作业受到多方面的限制，不仅对钻头的尺寸、钻头的钻进力有一定的限制，而且对钻头的钻进过程有很高的操作要求。

专利号为201320798560.7的中国专利以及专利号为201410777710.5的中国专利均研究了搭载在蛟龙号潜水器上的岩芯钻机，但是未对钻机上应用的钻头进行深入的研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种潜水器用钴结壳取芯钻头，能实现潜水器水下操作钻进，并能获取完整的岩芯。

本发明的技术方案是：一种潜水器用钴结壳取芯钻头，其中，包括钻筒、取芯头和钻刃，取芯头的底端镶焊有钻刃，取芯头的顶端与钻筒螺纹联接，钻筒和取芯头的内部均呈中空状，钻筒的内径从下到上逐渐变大，钻筒底端的内径比取芯头的内径大0.5-2mm；

取芯头的内表面设有环形的卡槽，卡槽内设有数个单向锁紧块，单向锁紧块的内表面设有棘齿，单向锁紧块在卡槽内滑动，相邻的两个单向锁紧块之间设有间隙；

钻筒和取芯头的外圆周面上均布有数组螺旋翼，螺旋角度为35°，在取芯头的底端设有与螺旋翼对应的钻刃，钻刃均匀分布在取芯头的底端，与螺旋翼一一对应。

所述钻刃切削面上，切削齿的出露高度为1-4mm，复合片旁通角为3-7°，负前角为12-18°，钻刃镶入钢体的深度为2-5mm。这种布齿设计既能达到等量切削，又有利于岩屑流动通畅。

优选的，所述钻刃切削面上，切削齿的出露高度为2mm，复合片旁通角为5°，负前角为15°，钻刃镶入钢体的深度为3mm。

所述钻刃采用pdc复合材料制成。pdc复合材料钻头由于具有金刚石耐磨层，硬度高，一般比碳化钨硬质合金的耐磨性高100倍以上，因而刃口锋利，且其刃尖前面和后面的聚晶层能同步磨损或剥落，后面的硬质合金底层更超前磨损，因而复合片钻头在切削过程中其刃口能自锐，锐利的刃口切入岩石，在扭矩作用下向前移动，剪切岩石，这充分利用了岩石剪切强度低的弱点，发挥了复合片钻头具有高速切削岩石的优点。

本发明的有益效果：

(1)钻筒和取芯头通过螺纹联接在一起，实现取芯钻头的分体式结构，需要将岩芯从钻头中取出时，旋开联接螺纹将钻筒与取芯头分开后，岩芯上部外露，岩芯下部的一小段被取芯头抱住，可以轻易地将岩芯从取芯头中取出，减少了取芯时的阻力；

(2)通过设置单向锁紧块，需要将钻头从钴结壳中取出时，单向锁紧块内表面的棘齿将岩芯抱紧，在拉力的作用下单向锁紧块将岩芯拉断，使岩芯保留在钻筒内部并跟随钻头脱离钴结壳，保证了岩芯的完整性。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的剖视图；

图3是本发明的单向锁紧块在取芯头中的位置剖视图；

图中：1钻筒；2取芯头；3钻刃；4单向锁紧块。

具体实施方式

如图1所示，本发明所述的潜水器用钴结壳取芯钻头，包括钻筒1、取芯头2和钻刃3，取芯头2的底端镶焊有钻刃3，取芯头2的顶端与钻筒1螺纹联接。钻筒1和取芯头2的内部均呈中空状，钻筒1的内径从下到上逐渐变大，且钻筒2底端的内径略大于取芯头2的内径，钻筒2底端的内径比取芯头2的内径大0.5-2mm，以适应钻头从水下移到岸上时岩芯压力释放引起的尺寸变大，有助于顺利将岩芯从钻筒1中取出。

如图2和图3所示，取芯头2的内表面设有环形的卡槽，卡槽内设有至少一个单向锁紧块4，单向锁紧块4的内表面设有棘齿，单向锁紧块4可以在卡槽内滑动。本实施例采用四个单向锁紧块4，共四个单向锁紧块的尺寸完全相同，在环形的卡槽内均匀分布，相邻的两个单向锁紧块4之间留有间隙。在钻取岩芯时，岩芯可顺利通过单向锁紧块4进入钻筒内部，钻进完成后，需要将钻头从钴结壳中取出时，单向锁紧块4受到向下的拉力，四个均匀分布的单向锁紧块4通过棘齿将岩芯抱紧，在拉力的作用下单向锁紧块4将岩芯拉断，使岩芯保留在钻筒1内部并跟随钻头脱离钴结壳。

钻筒1和取芯头2通过螺纹联接在一起，实现取芯钻头的分体式结构。钻头在水下钻取岩芯，需要将岩芯从钻头中取出时，旋开联接螺纹将钻筒1与取芯头2分开后，岩芯上部外露，岩芯下部的一小段被取芯头抱住，可以轻易地将岩芯从取芯头2中取出，减少了取芯时的阻力。

钻刃3采用pdc复合材料，pdc复合材料钻头由于具有金刚石耐磨层，硬度高，一般比碳化钨硬质合金的耐磨性高100倍以上，因而刃口锋利，且其刃尖前面和后面的聚晶层能同步磨损或剥落，后面的硬质合金底层更超前磨损，因而复合片钻头在切削过程中其刃口能自锐，锐利的刃口切入岩石，在扭矩作用下向前移动，剪切岩石，这充分利用了岩石剪切强度低的弱点，发挥了复合片钻头具有高速切削岩石的优点。

钻筒1和取芯头2的外圆周面上均布有数组螺旋翼，螺旋角度为35°，钻头在钻进时切削屑可沿螺旋翼向上排出，可有效防止卡钻的情况发生。本实施例采用四组螺旋翼，对应的，在取芯头2的底端设有四个钻刃3，钻刃3均匀分布在取芯头的底端，与四组螺旋翼一一对应，在螺旋翼位置处各布置1颗。在钻刃切削面，切削齿的出露高度为3mm，复合片旁通角为5°，负前角为15°，钻刃镶入钢体的深度为3mm，这种布齿设计既能达到等量切削，又有利于岩屑流动通畅。

该钴结壳取芯钻头的使用方法如下所述：首先，将取芯头2与钻筒1的螺纹连接处涂上润滑脂，拧紧螺纹，将取芯头2与钻筒1联接在一起；钻头在钴结壳矿床上钻进完成后，上提钻头，单向锁紧块4将钻取的岩芯抱紧，在上提力的作用下将岩芯拉断，岩芯随着钻头脱离钴结壳矿床；最后，将取芯头2与钻筒1的联接螺纹旋开，将岩芯从取芯头2中取出。

技术特征：

技术总结
本发明涉及提取岩芯装置，尤其是一种潜水器用钴结壳取芯钻头。包括钻筒、取芯头和钻刃，取芯头的底端镶焊有钻刃，取芯头的顶端与钻筒螺纹联接，钻筒和取芯头的内部均呈中空状，钻筒的内径从下到上逐渐变大，钻筒底端的内径比取芯头的内径大0.5‑2mm；取芯头的内表面设有环形的卡槽，卡槽内设有数个单向锁紧块，单向锁紧块的内表面设有棘齿，单向锁紧块在卡槽内滑动，相邻的两个单向锁紧块之间设有间隙；钻筒和取芯头的外圆周面上均布有数组螺旋翼，螺旋角度为35°，在取芯头的底端设有与螺旋翼对应的钻刃，钻刃均匀分布在取芯头的底端，与螺旋翼一一对应。其实现了潜水器水下操作钻进，并能获取完整的岩芯。

技术研发人员：丁忠军;鲁德泉;王洪亮
受保护的技术使用者：国家深海基地管理中心
技术研发日：2017.03.28
技术公布日：2017.07.14