樊臘生

（中國地質(zhì)科學(xué)院探礦工藝研究所，四川 成都 611734）

地質(zhì)鉆探中常用的鉆孔公稱口徑有?76、96、122、150 mm［1］，一般進(jìn)行取心鉆進(jìn)，在局部孔段或其他工程用途的鉆孔中可以全面鉆進(jìn)（不取心）。全面鉆進(jìn)一般使用PDC 鉆頭或牙輪鉆頭；牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)牙齒交替接觸孔底，具有碎巖扭矩小、比壓高的特點(diǎn)，適應(yīng)地層范圍廣，可采用泥漿、空氣循環(huán)冷卻鉆頭和攜帶巖粉。國內(nèi)小直徑鑲齒三牙輪鉆頭已有研究報(bào)道，如?75、95、104 mm 鑲齒三牙輪鉆頭［2-4］；其中，?75 mm 地質(zhì)鉆探牙輪鉆頭采用拼裝式結(jié)構(gòu)，由鉆頭體、牙掌、牙輪、滾珠、塞銷、螺栓等組成，牙輪上鑲球形硬質(zhì)合金齒，掌背鑲保徑齒；? 95、104 mm 地質(zhì)鉆探牙輪鉆頭按石油牙輪鉆頭設(shè)計(jì)的理念，采用了楔形硬質(zhì)合金鑲齒、滑動(dòng)軸承密封潤滑、儲(chǔ)油壓力平衡補(bǔ)償系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)；而小直徑鋼齒三牙輪鉆頭的研究未見報(bào)道。前蘇聯(lián)的地質(zhì)勘探用牙輪鉆頭已成系列，如?46、59、76、93、112、132、151 mm［5］，有單牙輪、雙牙輪、三牙輪等類型，牙輪上的牙齒有鋼齒（銑齒）、鑲齒、組合齒（鋼齒+鑲齒）等結(jié)構(gòu)形式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)（Excel函數(shù)、三維參數(shù)化實(shí)體模擬）、數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，給結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的小直徑鋼齒三牙輪鉆頭設(shè)計(jì)和加工帶來了便利。

1 總體方案

針對(duì)物探爆破孔、注漿孔及其他不取心鉆孔等，開展?76 mm 鋼齒三牙輪鉆頭的研究設(shè)計(jì)。該鉆頭主要用于第四系覆蓋層鉆進(jìn)，按國產(chǎn)石油三牙輪鉆頭“4 型（Z）”、地層性質(zhì)“中”進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。鉆頭由牙掌、銑齒牙輪（復(fù)錐牙輪）、接合銷、鋼球（滾珠）、塞銷、騎縫釘?shù)冉M成（圖1），鉆頭為無體式結(jié)構(gòu)，每個(gè)牙掌各帶1/3 殼體，互焊成一體，上端車成公扣［6］。

圖1 ?76 mm 鋼齒三牙輪鉆頭Fig.1 ?76mm steel tooth tricone bit

牙掌采用20CrNiMo 合金鋼鍛件（胎膜鍛）加工，牙掌上部車有總裝焊接后加工絲扣的圓錐體，下部車有安裝牙輪的軸頸，內(nèi)側(cè)鉆有水眼，掌背鉆有便于鎖緊鋼球裝入的塞銷孔，120°面外側(cè)銑有焊接的坡口。

牙輪采用20Ni4Mo 合金鋼鍛件（胎膜鍛）加工，牙輪內(nèi)側(cè)車有軸承跑道及臺(tái)肩（止推面），外側(cè)圓錐面切有齒圈槽、銑有牙齒。

牙輪配置方式為自潔式，牙輪復(fù)錐、超頂和移軸布置，具有壓碎、沖擊、剪切碎巖的特點(diǎn)。牙輪復(fù)錐和超頂引起的切向滑動(dòng)可以剪切掉同一齒圈相鄰牙齒破碎坑之間的巖石，牙輪移軸布置可使牙輪產(chǎn)生軸向滑動(dòng)剪切掉齒圈之間的巖石。受鉆頭直徑的限制，采用非密封滑動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)，由大軸滑動(dòng)副（滲碳鋼滑動(dòng)軸承）、鎖緊鋼球、第二道止推（滲碳鋼）、小軸滑動(dòng)副（滲碳鋼滑動(dòng)軸承）等組成。

2 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

三牙輪鉆頭的幾何形狀復(fù)雜，小直徑鉆頭的空間有限，各個(gè)參數(shù)之間又相互影響，相互制約，在設(shè)計(jì)鉆頭時(shí)需要相互配合，使各主要參數(shù)盡量合理。

2.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

牙輪鉆頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)（圖2）有鉆頭設(shè)計(jì)直徑D、牙輪軸線與鉆頭軸線交角（軸頸角）β、牙輪直徑d、牙輪底平面直徑d′、牙掌（牙爪）牙輪基準(zhǔn)尺寸C、牙輪錐高h(yuǎn)、牙輪全高H、牙輪牙掌裝配后的間隙e、牙輪主錐角2φ、牙輪副錐角2θ、牙輪背錐角2γ、主錐井底角α、牙輪軸線和鉆頭軸線的交點(diǎn)與牙輪錐頂距離（超頂距）M以及牙輪軸線偏移值即牙掌的軸頸沿鉆頭旋轉(zhuǎn)方向平移一段距離（移軸距）S等。

圖2 牙輪鉆頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)示意Fig.2 Schematic diagram of main structural parameters of roller cone drill bit

2.1.1 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)取值

鉆頭設(shè)計(jì)直徑D涉及到公稱口徑、產(chǎn)品直徑的公差（一般為正公差）、以及3 個(gè)牙輪掌組裝焊接后的直徑收縮，?76 mm 鋼齒三牙輪鉆頭的設(shè)計(jì)計(jì)算直徑D取77 mm。

相關(guān)文獻(xiàn)給出了國產(chǎn)石油三牙輪鉆頭主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的選取范圍［6-7］，?76 mm 鋼齒三牙輪鉆頭的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)取值見表1。在不移軸的情況下，?76 mm 鋼齒三牙輪鉆頭的2γ=108°（2γ=2β）、C=30.15 mm〔C=0.5（D-dcosβ）+（H-h+e）sinβ〕；在移軸的情況下，C值小于30.15 mm。

表1 自潔式4 型（Z）鋼齒三牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Structural parameters of self-cleaning Type 4 (Z) steel tooth tricone bit

2.1.2 鉆頭計(jì)算直徑校核

根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)（β、S、d、C、e、H、h）需校核牙輪鉆頭的計(jì)算直徑，計(jì)算直徑不合適的話，通過微調(diào)C值或其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，使計(jì)算直徑D達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

牙輪鉆頭計(jì)算直徑D的計(jì)算采用參考文獻(xiàn)［8］推導(dǎo)的有關(guān)公式。用牛頓法（切線法）xi+1=xi-f（xi）/f′（xi+1）在0≤δ≤90°內(nèi)迭代求解方程（1）的tan（δ/2）在［0，1］區(qū)間的實(shí)根tan（δn/2）（即δn），再用式（2）計(jì)算牙輪鉆頭的計(jì)算直徑D。同理，可求解出牙輪背錐處（牙輪底平面圓處，P=C/sinβ-e、d=d′）的tan（δn′/2）（即δn′）及D′。

式中：δ——牙輪大圓水平投影的橢圓上任一點(diǎn)繞橢圓長軸的轉(zhuǎn)角，（°）；P——牙輪軸線和鉆頭軸線的交點(diǎn)到牙輪大圓的距離，P=C/sinβ-（H-h+e），mm；S、d、β、C、H、h、e——意義及單位如前述。

式中：P、β、d、S——意義及單位如前述；δn——式（1）的解，（°）。

利用Excel 的函數(shù)功能，編入計(jì)算公式，在電子表格中可以很方便的迭代出tan（δn/2）、tan（δn′/2），并計(jì)算出D、D′，任何參數(shù)的微調(diào)都可以很方便得出計(jì)算結(jié)果（表2），背錐角2γ=108°，C值為29.7 mm，鉆頭最大計(jì)算直徑為77.03 mm。

表2 ?76mm 鋼齒三牙輪鉆頭的計(jì)算直徑校驗(yàn)結(jié)果Table 2 Calculated diameter check result of ?76mm steel tooth tricone bit

在結(jié)構(gòu)參數(shù)中背錐高度H-h與牙輪直徑d、牙輪底平面直徑d′、牙輪背錐角2γ有關(guān)聯(lián)，H-h=0.5（d-d′）/tanγ≈0.09D；超頂距M與牙輪全高H、間隙e、C值、β角有關(guān)聯(lián)，M=H+e-C/sinβ。

2.2 鋼齒牙輪的齒圈布置

自潔式布置牙輪齒圈有利于相鄰2 個(gè)牙輪的牙齒互相銑去齒圈間的巖屑（可以減輕鉆頭的泥包）、有利于軸承的加強(qiáng)（可以增大牙輪的體積），但3 個(gè)牙輪的齒圈互相牽連、齒圈的布置需統(tǒng)籌考慮。常用總覆蓋系數(shù)（3 個(gè)牙輪的全部齒長之和與牙輪主錐長、副錐長之和的比值）及井底擊碎圖來表示齒圈分布是否合理，用齒圈嚙合圖校核齒圈布置是否可行，并且各個(gè)牙輪的齒長之和盡量接近相等。

相關(guān)文獻(xiàn)給出的4 型（Z）自潔式鉆頭的總覆蓋系數(shù)為1.1～1.3，銑齒牙齒高度為0.074di+（4～10）mm，其中di為各齒圈大端直徑［6-7］。針對(duì)?76 mm口徑，牙輪主錐長僅為24.25 mm、副錐長17.40 mm，每個(gè)牙輪布置2 個(gè)齒圈（外排齒圈、內(nèi)排齒圈），總覆蓋系數(shù)、齒圈槽深度取值接近推薦值的下限，同時(shí)齒圈槽深度還需兼顧軸承內(nèi)跑道。

運(yùn)用三維參數(shù)化實(shí)體模擬軟件，根據(jù)已知的d、d′、2φ、2θ、2γ、H，分別構(gòu)建布有齒圈的一號(hào)牙輪、二號(hào)牙輪、三號(hào)牙輪的半個(gè)實(shí)體零件。

繪制井底擊碎圖：在一個(gè)平面內(nèi)定位裝配一號(hào)半個(gè)牙輪、二號(hào)半個(gè)牙輪、三號(hào)半個(gè)牙輪的實(shí)體零件成部件，剖視后形成二維工程圖，隱藏二號(hào)牙輪、三號(hào)牙輪的內(nèi)跑道，添加各個(gè)牙輪的各齒圈的齒長并標(biāo)注出間隙即成井底擊碎圖（圖3）。

圖3 井底擊碎圖Fig.3 Diagram of bottom breakage layout

采用相關(guān)文獻(xiàn)給出的齒圈嚙合圖傳統(tǒng)繪制方法［9-10］，在牙輪鉆頭結(jié)構(gòu)參數(shù)C=29.7 mm、β=54°、e=0.4 mm、H=40 mm、S=1 mm 及q=3（鉆頭的牙輪數(shù)）已知的情況下，用電子表格計(jì)算2 個(gè)牙輪軸線間的夾角2α1=88.9550°〔sinα1=sin（180°/q）cos（90°-β）〕、超頂距M=3.6888 mm（M=H+e-C/sinβ）、兩個(gè)牙輪軸線所決定的平面與水平面之間的夾角ρ=55.4646°〔tanρ=tan（90°-β）/cos（180°/q）〕、外形的偏移量U=0.6881 mm〔U=Ssin（180°/q）cosρ/cosα1〕以及W1=3.0007 mm（W1=M-U）和W2=4.3769 mm（W2=M+U）。

繪制齒圈嚙合圖：在一個(gè)平面內(nèi)，首先裝入一號(hào)半個(gè)牙輪，牙輪底平面定位于鉆頭中心線（工作軸）距離35.6231 mm（H-M-U），再裝入一個(gè)一號(hào)半個(gè)牙輪，此半個(gè)牙輪底平面定位于前一號(hào)半個(gè)牙輪底平面的偏移量1.3762 mm（2U）；順時(shí)針方向裝入三號(hào)半個(gè)牙輪，此牙輪底平面定位于鉆頭中心線（工作軸）距離35.6231 mm（H-M-U），在同一個(gè)平面內(nèi)三號(hào)牙輪的軸線與一號(hào)牙輪的軸線夾角為88.9550°（2α1），再裝入一個(gè)三號(hào)半個(gè)牙輪，此半個(gè)牙輪底平面定位于前三號(hào)半個(gè)牙輪底平面的偏移量1.3762 mm（2U）；順時(shí)針方向裝入二號(hào)半個(gè)牙輪，此牙輪底平面定位于鉆頭中心線（工作軸）距離35.6231 mm（H-M-U），在同一個(gè)平面內(nèi)二號(hào)牙輪的軸線與三號(hào)牙輪的軸線夾角為88.9550°（2α1）；逆時(shí)針裝入二號(hào)半個(gè)牙輪，此牙輪底平面定位于鉆頭中心（工作軸）距離36.9993 mm（H-M+U），在同一個(gè)平面內(nèi)二號(hào)牙輪的軸線與一號(hào)牙輪的軸線夾角為88.9550°（2α1）。上述構(gòu)建的部件，剖視后形成二維工程圖，添加2W1、2W2圓等并標(biāo)注尺寸即成齒圈嚙合圖（圖4）。

一號(hào)牙輪的錐頂齒、外排齒之間的齒圈槽需容納二號(hào)牙輪和三號(hào)牙輪的內(nèi)排齒，并留有間隙（圖3、圖4）；二號(hào)牙輪的齒圈槽需容納三號(hào)牙輪的內(nèi)排齒，并避免與一號(hào)牙輪外排齒內(nèi)側(cè)的碰撞；三號(hào)牙輪的齒圈槽需避免與一號(hào)、二號(hào)牙輪外排齒內(nèi)側(cè)的碰撞。二號(hào)牙輪的削頂深度需容納一號(hào)牙輪的錐頂齒；三號(hào)牙輪的內(nèi)側(cè)齒槽需容納二號(hào)牙輪的內(nèi)排齒，削頂高度需避免與一號(hào)牙輪錐頂齒的碰撞。設(shè)計(jì)的?76 mm 鋼齒三牙輪鉆頭的總覆蓋系數(shù)為1.06，齒圈槽深為7 mm（為兼顧滾珠內(nèi)跑道，三號(hào)牙輪外排齒與內(nèi)排齒之間的齒圈槽深度為6.42 mm）。

對(duì)3 個(gè)牙輪半個(gè)實(shí)體零件的齒圈布置進(jìn)行調(diào)整、更新后，井底擊碎圖、齒圈嚙合圖隨之更新，具有簡便和一目了然的特點(diǎn)。雖然傳統(tǒng)方法繪制的齒圈嚙合圖反映的嚙合間隙是近似的［10］，但在移軸距S較小時(shí)誤差是可以接受的，必要時(shí)可在裝配的三維部件（布有齒圈的3 個(gè)牙輪裝配在3 個(gè)牙掌上）中精確測量嚙合間隙值。

2.3 軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牙輪與牙掌之間的軸承一般采用大軸徑向軸承副、鎖緊組件、二道止推軸承、小軸徑向軸承副和一道止推軸承等，軸承結(jié)構(gòu)有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類，鎖緊組件有鋼球鎖緊、卡簧鎖緊、螺紋環(huán)鎖緊等結(jié)構(gòu)形式［11］，軸承系統(tǒng)有非密封和密封2 種方式。針對(duì)牙輪底平面直徑d′僅有29.5 mm，采用非密封的滲碳鋼對(duì)滲碳鋼的滑動(dòng)軸承形式，盡可能增大大軸軸徑及長度，使用傳統(tǒng)的鋼球（滾珠）鎖緊牙輪，二道止推面承受軸向力。

密封滑動(dòng)軸承的大、小軸的徑向間隙應(yīng)采用相同的尺寸，且在實(shí)際加工中將間隙值控制在0.07～0.13 mm［12］。針對(duì)非密封滑動(dòng)軸承，設(shè)計(jì)的大軸承配合為?21 H9/d9、間隙值為0.065～0.169 mm，小軸承配合為?10 H10/c10、間隙值為0.080～0.196 mm。

參考文獻(xiàn)［7］給出的滾珠軸承（鎖緊鋼球軸承）的總周向間隙和軸向間隙計(jì)算公式分別為：

式中：A——總的周向間隙，mm；n——滾珠（鎖緊鋼球）的數(shù)量；Di——軸承滾珠中心所構(gòu)成的圓的直徑（軸承的節(jié)圓直徑），為牙輪滾道大徑與牙掌滾道底徑之和的一半，mm；d0——鋼球直徑，mm。

式中：m——軸向間隙，mm；ε——鋼球軸承的徑向間隙，mm；R——鋼球軸承的滾道圓弧半徑，mm；d0——鋼球直徑，mm。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，滾珠軸承在正常鉆進(jìn)時(shí)不承受軸向力，或僅承受輕微的反向軸向力，只是在其他軸承磨損到一定程度后，才承受一部分徑向及軸向載荷［13］。選取鋼球直徑d0=4.7625 mm（3/16 in），牙輪、牙掌的滾道圓弧半徑R≥0.515d0［14］=2.45 mm，取R=2.45 mm。鋼球鎖緊軸承設(shè)計(jì)結(jié)果見表3，? 4.7625 mm 鋼球數(shù)量為13，牙輪滾珠跑道大徑為25.4 mm，牙掌滾珠跑道底徑15.7 mm，總的周向間隙為2.02 mm，軸向間隙為0.13 mm。

2.4 銑削牙齒幾何參數(shù)設(shè)計(jì)

鋼齒牙輪鉆頭的牙齒是由牙輪毛坯經(jīng)過銑削加工形成，在牙齒表面敷焊1 層碳化鎢粉以提高耐磨性，在牙輪的背錐部位敷焊碳化鎢粉以防止鉆頭直徑磨小。牙齒主要是楔形形狀，有齒高Hc、齒尖角2γc、齒頂寬b、齒長l、齒距t等結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過選擇齒數(shù)Z、銑刀角2αx及銑刀安裝角βx來滿足牙齒的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.4.1 牙輪各齒圈齒數(shù)選擇

相關(guān)文獻(xiàn)給出的4 型（Z）自潔式銑齒鉆頭的牙齒齒高、齒距、齒尖角等結(jié)構(gòu)參數(shù)見表4［6-7］。

表4 自潔式4 型（Z）鋼齒三牙輪鉆頭牙齒結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 4 Structural parameters of self-cleaning Type 4 (Z) steel tooth tricone bit

各齒圈齒數(shù)Z的計(jì)算公式為：

式中：Z——各齒圈的齒數(shù)；t——同一齒圈相鄰牙齒齒頂間的距離，mm；di——齒圈大端直徑，mm。

各齒圈的齒距t及齒圈大端直徑di代入式（5）的計(jì)算結(jié)果及取值情況見表5。

2.4.2 楔形銑齒參數(shù)計(jì)算

相關(guān)文獻(xiàn)推導(dǎo)的過牙齒大端垂直于牙輪軸線的截面與齒兩側(cè)面交線所成的夾角2γc′、銑刀安裝角βx、銑刀角2αx、齒谷深Hg、計(jì)算齒高Hc的計(jì)算公式分別為［15］：

式中：γc′——過牙齒大端垂直于牙輪軸線的截面與齒兩側(cè)面交線所成的夾角的一半，（°）；γc——過牙齒大端垂直于齒頂?shù)慕孛媾c齒兩側(cè)面交線所成的夾角（真實(shí)齒尖角）的一半，（°）；φy——牙齒所在牙輪母線的夾角（牙輪副錐角或牙輪主錐角）的一半，（°）；b——牙齒大端齒頂寬度，mm；b′——牙齒小端齒頂寬度，mm；l——牙齒齒頂長度，mm。

式中：βx——銑刀安裝角（圓盤銑刀軸線與牙輪軸線的夾角），（°）；di——齒圈大端直徑，mm；Z——牙齒所在齒圈的齒數(shù)。

式中：αx——銑刀角的一半，（°）。

式中：Hg——齒谷深（指過牙齒大端垂直于齒根的截面內(nèi)的齒深度），mm；Rx——銑刀圓角半徑，mm。

式中：Hc——計(jì)算齒高，mm。

在牙輪齒圈錐角2φy、齒圈大小端齒頂寬度b及b′、齒圈齒數(shù)Z、齒圈大端直徑di、齒圈齒頂長度l已知的情況下，利用Excel 的函數(shù)功能，編入計(jì)算公式即式（6）至式（10）。在電子表格中，利用推薦齒尖角2γc的計(jì)算結(jié)果，能很方便的通過調(diào)整齒尖角2γc的數(shù)值使銑刀角2αx的數(shù)值為5 的整數(shù)倍并使計(jì)算齒高Hc在合理的范圍內(nèi)，計(jì)算設(shè)計(jì)結(jié)果見表6。

3 零件設(shè)計(jì)

?76 mm 鋼齒三牙輪鉆頭由牙掌、牙輪、接合銷、鋼球、塞銷、騎縫釘?shù)冉M成，牙掌、牙輪結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

3.1 牙掌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牙輪鉆頭的螺紋采用《地質(zhì)鉆探鉆桿鎖接頭》（DZ 25—83）標(biāo)準(zhǔn)的?42 mm 鉆桿鎖接頭公扣［16］，中心水眼?15 mm。牙掌外形上由上部的擬加工公螺紋的1/3 圓錐體、中間的1/3 圓柱體、下部的2 個(gè)1/3 圓錐體、底部的軸頸等組成（圖5）。牙掌擬加工螺紋的錐體預(yù)留2 mm 的加工余量（錐體大端直徑49 mm），螺紋根部臺(tái)肩圓直徑55 mm。為減少磨損和利于排粉，掌尖徑向尺寸37.5 mm，掌背內(nèi)傾斜角度2°。掌背兩側(cè)分別銑成82°、86°斜平面，增大排粉的空間。掌背鉆有裝入鎖緊鋼球的塞銷孔。牙掌120°面上鉆有2 個(gè)接合銷孔，滿足定位、加工、裝配等要求；牙掌120°面兩邊外側(cè)銑有焊接用的坡口。牙掌軸頸須滲碳處理，滲碳層深度1.0～1.3 mm，表層含碳量0.75%～0.90%，淬火-回火硬度HRC60～66；掌尖、軸頸倒角等不滲碳。

圖5 牙掌圖Fig.5 Diagram of bit leg

3.2 牙輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

牙輪外形上由主錐、副錐、背錐3 段圓錐體組成（圖6）。主、副錐上切有齒圈槽、銑有楔形齒，牙輪內(nèi)部車有軸承跑道（大小滑動(dòng)軸承、滾珠軸承）及止推面，背錐上銑有便于堆焊20～30 目鑄造碳化鎢的扇狀弧槽，外排齒的嚙入面敷焊碳化鎢，內(nèi)排齒的嚙出面敷焊碳化鎢。一號(hào)牙輪的外形長度最長，三號(hào)牙輪的外形長度最短，3 個(gè)牙輪的軸承跑道及主錐角、副錐角、背錐角、牙輪直徑、牙輪錐高等都一致。牙輪內(nèi)孔及牙齒須滲碳處理，滲碳層深度1.0～1.3 mm，表層含碳量0.70%～0.85%，淬火-回火硬度HRC57～63。

圖6 銑齒牙輪圖Fig.6 Diagram of milled tooth cone

3.3 其他零件

接合銷采用A3 鋼加工成圓柱體，兩端倒角。

滾珠采用55SiMoV 材質(zhì)的鋼球，回火硬度HRC55～58。

塞銷采用A3 鋼加工成圓柱體，一端倒角并銑有安裝騎縫釘?shù)牟郏硪欢塑嚦啥虉A錐體（圓錐角為108°）并與牙掌裝配后同時(shí)加工滾珠跑道。

騎縫釘采用?2 mm 鐵絲制作。

4 加工制造工藝

試制和小批量加工?76 mm 鋼齒三牙輪鉆頭時(shí)，牙掌和牙輪采用胎膜鍛件，牙掌、牙輪和總裝的加工工藝如下：

（1）牙掌加工制造工藝流程：下料—鍛毛坯—高溫回火（HB156～207）—銑長方體各面、銑120°面—鉆接合銷孔—?jiǎng)澗€確定軸頸端面位置—銑軸頸端面—裝接合銷（三件一組）—車外圓—車30°掌背錐面、2°掌背錐面—鉆水眼孔、擴(kuò)水眼孔—車1∶5 外圓錐—拆接合銷—銑掌背兩側(cè)82°、86°斜面—粗車軸頸—銑焊口—鉆塞銷孔—裝塞銷—精車軸頸—精車滾道—拆塞銷—修掌尖—掌背堆焊碳化鎢耐磨材料—涂防滲碳涂料—軸頸滲碳（深度1.0～1.3 mm，表層含碳量0.75%～0.90%）—精車臺(tái)肩外圓—淬火-回火（軸頸表面硬度HRC60～66）—噴丸處理—水煮去鹽—裝塞銷—磨軸頸及端面—磨滾道—磨軸頸及端面—拆塞銷。

（2）牙輪加工制造工藝流程：下料—鍛毛坯—高溫回火（HB156～207）—車端面、車工藝外圓—車端面、車外圓、鉆孔、擴(kuò)孔—車端面、精車內(nèi)孔—車外圓、車外錐、車背錐—車端面、切槽—銑牙齒—銑背錐堆焊弧槽—敷焊碳化鎢耐磨材料—涂防滲碳涂料—滲碳（深度1.0～1.3 mm，表層含碳量0.70%～0.85%）—淬火-回火（表面硬度HRC57～63）—噴丸處理—磨內(nèi)孔—磨端面—磨內(nèi)孔及端面—磨內(nèi)滾道。

（3）牙輪鉆頭裝配工藝流程：清洗、烘干—牙輪內(nèi)孔、牙掌軸涂潤滑脂—裝牙輪—填滾珠—裝塞銷及騎縫釘—焊塞銷—裝接合銷—組合三片牙掌—用卡環(huán)夾緊—卡規(guī)測牙輪鉆頭直徑，調(diào)直徑—焊牙輪鉆頭底部焊縫［17］—冷卻—去夾環(huán)，焊牙輪鉆頭側(cè)面焊縫—冷卻—車螺紋外錐—車螺紋—打標(biāo)—噴漆。

5 結(jié)語

從總體方案、結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆頭直徑校核、齒圈布置、軸承結(jié)構(gòu)、銑齒幾何參數(shù)、零件設(shè)計(jì)、加工制造工藝等方面，開展了小直徑鋼齒三牙輪鉆頭的設(shè)計(jì)，給出了相關(guān)計(jì)算所用的公式和方法，闡述了牙掌、牙輪的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，編制了試制產(chǎn)品的加工工藝。以設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，繪制的三維實(shí)體具有較好的一致性，三維實(shí)體上測量的牙齒幾何參數(shù)和計(jì)算結(jié)果相吻合，表明了設(shè)計(jì)所采用的計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)流程可為類似牙輪鉆頭的設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。