Quando la roccia dura rompe prima il tuo carburo: ripensare la progettazione delle punte da trapano di piccole dimensioni
In rocce estremamente dure e resistenti, una punta di perforazione può cedere prima ancora che la squadra abbia iniziato a lavorare.
Arrivano i primi impatti. Un inserto in carburo subisce un carico concentrato. Si forma una piccola crepa. Poi un angolo si spezza, o un inserto si scheggia, oppure la punta perde il suo filo tagliente molto prima che la normale usura ne preveda la sostituzione.
Non si tratta sempre di un problema di qualità del materiale.
Può trattarsi di un problema di geometria.
Per le punte da trapano di piccole e medie dimensioni utilizzate in formazioni particolarmente dure e abrasive, l'istinto comune è spesso quello di aggiungere più inserti o di ridurre l'impatto sopportato da ciascuno di essi. Questo può funzionare in alcune condizioni. Ma in rocce molto dure, un piccolo inserto in carburo potrebbe semplicemente non avere la sezione trasversale e il volume necessari per resistere a ripetuti impatti concentrati.
In questi casi, la domanda non è "Come possiamo distribuire il carico su più inserti?", ma piuttosto "Come può ogni inserto sopportare un carico maggiore senza rompersi?".
Questa è l'idea alla base della capacità di carico a singolo inserto.
Perché le rocce estremamente dure si rompono presto
L'hard rock non è sempre sinonimo di rock duro.
Una formazione altamente abrasiva usura rapidamente il carburo. Una formazione tenace resiste alla frattura ed è in grado di trasferire le elevate sollecitazioni da impatto alla punta. Quando entrambe le condizioni coesistono, la punta da trapano si trova ad affrontare una combinazione difficile: il carburo deve resistere alla scheggiatura da impatto, mantenendo al contempo durezza e resistenza all'usura.
All'inizio di ogni impatto, la punta non entra in contatto con il fondo del foro in modo perfettamente uniforme. Il primo contatto può avvenire solo in un punto della superficie di taglio. L'onda di stress si propaga quindi attraverso l'utensile, frantumando la roccia locale al di sotto dell'inserto o del tagliente. In rocce molto dure, lo stress di contatto può aumentare rapidamente prima che il carico si distribuisca uniformemente.
Ecco perché la rottura precoce degli inserti è frequente nelle punte di perforazione non idonee. La roccia non si deforma sufficientemente facilmente da ridurre il picco di stress sul primo inserto che entra in contatto.
Una punta da trapano può presentare scheggiature del carburo dopo una breve distanza, anche quando l'attrezzatura di perforazione, la pressione dell'aria e le procedure operative sono altrimenti adeguate.
Il principio del carico a inserto singolo
Il carburo è duro e resistente all'usura, ma resta comunque un materiale fragile. La sua resistenza alla rottura per impatto dipende in parte dalle proprietà del materiale e in parte dalla geometria del singolo inserto.
Un inserto in carburo di tungsteno di dimensioni maggiori presenta generalmente una sezione trasversale portante più ampia e un volume maggiore per resistere agli impatti localizzati. In parole semplici, un inserto più spesso o più grande può spesso assorbire un carico d'impatto maggiore prima di fratturarsi.
Questo non significa che "più grande è sempre meglio". Un inserto sovradimensionato può comportare altri compromessi di progettazione. Tuttavia, quando la scheggiatura precoce è la modalità di guasto dominante, aumentare la dimensione effettiva di ciascun elemento in carburo portante può essere più utile che semplicemente aumentare il numero di elementi di piccole dimensioni.
Lo stesso principio si applica alle punte a scalpello e a croce. Nella roccia estremamente dura, una lama in carburo più spessa o un tagliente più robusto possono resistere meglio di un tagliente sottile progettato per rocce più facili.
L'obiettivo progettuale è quello di fornire a ogni elemento critico una capacità strutturale sufficiente a sopportare il carico effettivo che dovrà ricevere.
Perché a volte un eccesso di pulsanti può peggiorare le cose
Le moderne punte a bottone spesso utilizzano più inserti in carburo per distribuire il carico e migliorare l'azione di taglio. In molte condizioni di foratura, questo sistema funziona estremamente bene.
Ma ogni bit ha una superficie limitata.
Se si aggiungono ulteriori pulsanti senza modificare il design complessivo della superficie, l'energia d'impatto disponibile viene distribuita su un maggior numero di punti di contatto. I singoli pulsanti potrebbero diventare più piccoli o più ravvicinati. Lo spazio di lavaggio potrebbe diminuire. Il modello di frantumazione delle rocce potrebbe cambiare.
In terreni particolarmente duri e resistenti, anche un piccolo bottone può subire un carico localizzato intenso al momento del contatto iniziale. Se la sua sezione trasversale è troppo piccola, può scheggiarsi prima che il carico abbia la possibilità di distribuirsi su tutta la superficie.
Ecco perché non esiste un singolo tipo di punta da trapano ideale per ogni formazione rocciosa.
Una punta a bottone con molti inserti può essere un'ottima scelta in una determinata applicazione. In un'altra, una punta a scalpello, a croce, a tre ali o una con design misto per impieghi gravosi potrebbero risultare più resistenti. La risposta corretta dipende dalla resistenza della roccia, dalla tenacità, dall'abrasività, dall'energia di perforazione, dal diametro del foro, dalle condizioni di lavaggio e dal tipo di rottura osservato sul campo.
Rinforzare il corpo e il carburo
Gli inserti in carburo non funzionano da soli. Il corpo in acciaio deve sostenerli.
Nella perforazione di roccia dura, le alette o le sezioni del corpo in acciaio attorno agli inserti devono avere uno spessore e una resistenza sufficienti a tenere saldamente in posizione il carburo. Se il corpo si flette eccessivamente, si crepa in prossimità della sede dell'inserto o perde supporto a causa dell'usura, anche il carburo di alta qualità può cedere prematuramente.
Un design di punta per impieghi gravosi può quindi includere:
Inserti in carburo più grandi o più spessi
Alette in acciaio più robuste attorno al bordo tagliente
Geometria del sedile inserto più robusta
Smussature controllate dei bordi per ridurre le scheggiature degli angoli
Un profilo del viso che riduce l'impatto eccentrico
Trattamento termico adeguato al necessario equilibrio tra resistenza e tenacità
Il corpo in acciaio deve essere sufficientemente robusto da sostenere l'inserto, ma non così fragile da rompersi in seguito a ripetuti impatti. Trovare il giusto equilibrio è uno degli aspetti più importanti nella produzione delle punte.
Lo scarico del WC rimane importante, ma le priorità possono cambiare.
Una rimozione efficiente dei detriti di perforazione è generalmente essenziale per una perforazione produttiva. Un lavaggio inadeguato provoca una nuova frantumazione, surriscaldamento e usura evitabile.
Tuttavia, formazioni estremamente dure possono modificare le priorità di progettazione.
Se la roccia produce detriti relativamente fini e la velocità di perforazione è naturalmente inferiore, il lavaggio può essere meno limitante della durata della punta. In tal caso, può essere opportuno dedicare una maggiore superficie frontale e uno spessore maggiore del corpo al supporto dell'inserto, piuttosto che massimizzare ogni possibile passaggio di lavaggio.
Si tratta di un compromesso, non di una regola universale.
La punta necessita comunque di un adeguato lavaggio. Tuttavia, quando la scheggiatura precoce dell'inserto distrugge le punte prima che l'usura diventi il fattore limitante, una geometria più robusta può offrire un rendimento migliore rispetto a una superficie progettata principalmente per il massimo flusso di trucioli.
La progettazione corretta si ottiene identificando la causa effettiva del malfunzionamento del bit corrente.
La scelta dei materiali richiede equilibrio, non estremismi.
Nel caso di inserti in carburo in rocce abrasive dure, le proprietà desiderate possono essere in competizione tra loro.
Una maggiore tenacità contribuisce a resistere a fratture e scheggiature. Una maggiore durezza migliora la resistenza all'usura. Aumentare il contenuto di legante in una lega di carburo può migliorare la tenacità, ma potrebbe ridurre la durezza e accelerare l'usura dell'inserto in presenza di superfici altamente abrasive.
Ecco perché la scelta del carburo non dovrebbe basarsi su un solo numero.
Per rocce estremamente dure, un materiale di qualità adeguata richiede un equilibrio appropriato tra durezza, resistenza alla rottura trasversale, tenacità, densità e microstruttura. Anche la geometria dell'inserto, il metodo di ritenzione del bottone e i parametri operativi influenzano il risultato.
I processi di produzione avanzati possono migliorare ulteriormente la uniformità, ma le prestazioni sul campo dipendono comunque dall'adattamento completo del design della punta alla formazione rocciosa.
Osserva la modalità di guasto, non solo il chilometraggio
Quando si valuta una punta da trapano per roccia, non bisogna limitarsi a registrare il numero totale di metri perforati.
Verifica il motivo per cui la punta è stata messa fuori servizio.
È stata dismessa perché il diametro di misura si è usurato normalmente? I pulsanti in carburo si sono scheggiati? Si è fratturato un tagliente? Il corpo in acciaio si è incrinato? Le filettature si sono rotte? La punta si è surriscaldata perché i trucioli non venivano rimossi?
Questi dettagli ti indicano cosa modificare in seguito.
Se il problema è la normale usura, un design più duro o più resistente all'abrasione potrebbe essere d'aiuto. Se invece il problema è la rottura precoce del carburo, la soluzione potrebbe essere l'utilizzo di inserti singoli più robusti, una geometria di supporto migliorata, un allineamento più preciso o un diverso tipo di superficie.
Una punta che raggiunge i limiti di usura normali di solito sta svolgendo correttamente il suo lavoro. Una punta che si scheggia o si rompe prematuramente indica che il percorso di carico necessita di attenzione.
La parte giusta è quella che normalmente si guasta
Nelle rocce estremamente dure, potrebbe non esistere una punta da trapano perfetta. Ogni modello rappresenta un compromesso tra velocità di penetrazione, durata del calibro, lavaggio, robustezza dell'inserto e costo.
Ma l'obiettivo è chiaro: la punta non deve rompersi improvvisamente perché i suoi inserti in carburo non sono in grado di sopportare il carico.
Una buona punta da roccia dura è quella che si usura in modo prevedibile, mantiene un foro stabile e raggiunge l'intervallo di manutenzione previsto senza guasti prematuri dell'inserto. È qui che risiede il vero valore.
