กลไกการทำงานของดอกสว่านแบบสามแฉกในการเจาะหิน: สองกลไกที่เกิดขึ้นที่ก้นหลุม
ดอกสว่านแบบสามโคนดูเรียบง่ายจากภายนอก มีสามโคน เรียงเป็นแถวฟัน และมีเกลียวเชื่อมต่ออยู่ด้านบน หมุน กดลง หินก็แตก จบเรื่อง
แต่สิ่งที่เกิดขึ้นที่ก้นหลุมนั้นน่าสนใจกว่า และการทำความเข้าใจสิ่งนี้จะอธิบายได้ว่าทำไมดอกสว่านแบบสามแฉกที่ออกแบบมาสำหรับหินดินดานอ่อนจึงพังได้ในหินแกรนิตแข็ง และในทางกลับกัน ดอกสว่านใช้กลไกการทำลายหินสองแบบที่แตกต่างกันในเวลาเดียวกัน และความสมดุลระหว่างกลไกทั้งสองนี้เองที่ทำให้ดอกสว่านแบบหนึ่งเหมาะสำหรับหินปูน และอีกแบบหนึ่งเหมาะสำหรับหินเชิร์ต
การตั้งค่า: การหมุนรอบแกนและการหมุน
ตัวดอกสว่านหมุนรอบแกนของสายเจาะ ซึ่งเป็นการหมุนรอบแกนอย่างที่เห็นได้ชัด แต่กรวยทั้งสามอันก็หมุนอย่างอิสระบนแกนรองรับของตัวเองด้วยเช่นกัน ขณะที่ตัวดอกสว่านหมุน กรวยเหล่านั้นก็จะกลิ้งไปตามก้นหลุมเหมือนล้อเล็กๆ สามล้อ
การเคลื่อนที่แบบสองทิศทางนี้มีความสำคัญ เพราะมันกำหนดว่าฟันของกรวยเจาะจะสัมผัสกับหินอย่างไร ฟันของกรวยไม่ได้แค่กดลงไปในชั้นหินเท่านั้น แต่จะกลิ้งเข้าไปสัมผัส กดทะลุลงไปด้านล่าง แล้วกลิ้งออกมา รูปแบบการสัมผัสจะสลับไปมาระหว่างการสัมผัสแบบฟันเดี่ยวและแบบฟันคู่ขณะที่กรวยกลิ้ง ซึ่งสร้างวัฏจักรการรับน้ำหนักที่เป็นจังหวะ
กลไกที่หนึ่ง: การกระแทกและการบีบอัด
ขณะที่กรวยหมุน จำนวนฟันที่สัมผัสกับด้านล่างจะสลับกันระหว่างหนึ่งและสองซี่ เมื่อฟันซี่เดียวรับน้ำหนัก ศูนย์กลางของกรวยจะลดลงเล็กน้อย เมื่อฟันสองซี่แบ่งรับน้ำหนัก ศูนย์กลางของกรวยจะสูงขึ้น การเคลื่อนที่ขึ้นลงอย่างต่อเนื่องนี้—ด้วยความถี่ของการทำงานของฟัน ซึ่งอาจเป็นร้อยรอบต่อนาที—สร้างการสั่นสะเทือนตามแนวยาวในสายเจาะทั้งหมด
ส่วนที่น่าทึ่งก็คือ แท่งเจาะทำหน้าที่เหมือนสปริง การสั่นสะเทือนจะบีบและยืดเหล็กอย่างยืดหยุ่น เก็บและปล่อยพลังงานในแต่ละรอบ พลังงานยืดหยุ่นที่สั่นไหวนี้จะถูกส่งผ่านฟันเจาะเข้าไปในชั้นหินในรูปแบบของการกระแทกเป็นชุดๆ หัวเจาะไม่ได้แค่กดลงบนหิน แต่กำลังกระแทกมันด้วยแท่งเจาะเองเป็นกลไกในการเก็บและปล่อยพลังงาน
การกระแทกและการบดอัดเป็นกลไกหลักในการทำลายหินของดอกสว่านแบบสามแฉก เป็นสิ่งที่ช่วยในการขุดเจาะหินที่มีความแข็งปานกลางถึงแข็งมาก ฟันสว่านจะกระจายน้ำหนักไปที่บริเวณสัมผัสเล็กๆ — หลายพัน พีเอสไอ ที่ปลายฟัน — และหินจะแตกเนื่องจากการอัดตัวใต้ฟันแต่ละซี่
กลไกที่สอง: การตัดและการขูด
ถ้ากรวยกลิ้งไปอย่างเดียว มันก็จะแตกหัก แต่การออกแบบกรวยสามแฉกส่วนใหญ่จะมีการเลื่อนที่ควบคุมได้ขณะที่กรวยกลิ้ง และการเลื่อนนั้นจะขูดหินออกจากด้านล่างในลักษณะเดียวกับที่หัวกัดแบบลากทำ
การเลื่อนนั้นเกิดจากเทคนิคทางเรขาคณิตสามประการที่ถูกนำมาใช้ในการออกแบบกรวยและตลับลูกปืน:
การเยื้องศูนย์ของกรวย หมายความว่าปลายยอดของกรวยไม่ได้ชี้ไปที่กึ่งกลางของดอกสว่านอย่างแม่นยำ แกนของกรวยถูกเบี่ยงออกจากเส้นกึ่งกลางของดอกสว่านโดยเจตนา เมื่อกรวยหมุน การเบี่ยงนี้จะบังคับให้ฟันด้านนอกเลื่อนไปตามพื้นผิวด้านล่างในแนวสัมผัส ซึ่งเป็นการขูดในทิศทางของการหมุน
โปรไฟล์ทรงกรวยผสม หมายความว่ากรวยนั้นไม่ใช่กรวยที่สมบูรณ์แบบ ส่วนต่างๆ ของกรวยมีมุมที่แตกต่างกัน ฟันที่บริเวณรอยต่อระหว่างมุมของกรวยไม่สามารถกลิ้งได้เนื่องจากรูปทรงเรขาคณิตของพื้นผิวไม่ตรงกัน พวกมันจึงต้องเลื่อน ซึ่งจะสร้างการขูดในแนวสัมผัสเพิ่มเติม โดยเฉพาะอย่างยิ่งมีประสิทธิภาพในบริเวณที่คุณภาพของผนังรูมีความสำคัญที่สุด
วารสารออฟเซ็ต การปรับมุมแกนแบริ่งทรงกรวยทำให้กรวยไม่ชี้ตรงไปที่ศูนย์กลาง ซึ่งทำให้เกิดส่วนประกอบการเลื่อนตามแนวแกน กล่าวคือ ฟันจะขูดไปด้านข้างสัมพันธ์กับทิศทางการหมุน การเยื้องศูนย์ของเพลาจะสร้างแรงเฉือนที่ตัดผ่านวัสดุที่อ่อนนุ่มและมีความยืดหยุ่นมากกว่า
แผนที่การออกแบบสอดคล้องกับการก่อตัวอย่างไร
นี่คือกฎการออกแบบที่สำคัญซึ่งจะกำหนดว่าดอกสว่านแบบสามแฉกจะใช้งานได้ในชั้นหินที่กำหนดหรือไม่:
การก่อตัวแบบอ่อนถึงแข็งปานกลาง(หินดินดาน หินปูนอ่อน หินทรายที่ไม่แข็งตัว): การทำงานแบบเฉือนสูงสุด การออกแบบดอกสว่านประกอบด้วยการเยื้องศูนย์ของกรวย รูปทรงกรวยแบบผสม และการเยื้องศูนย์ของแกนหมุน กลไกการเลื่อนทั้งสามแบบทำงานพร้อมกัน ฟันสว่านขูดอย่างรุนแรง ขจัดหินออกด้วยการผสมผสานระหว่างการเฉือนและการบดเบาๆ ระยะห่างระหว่างฟันกว้างเพื่อป้องกันการอุดตันในชั้นหินที่เหนียว
ลักษณะหินแข็งปานกลางถึงแข็งมาก(หินโดโลไมต์, หินปูนแข็ง, หินทรายปานกลาง): การเฉือนปานกลาง ดอกสว่านมีรูปทรงกรวยเยื้องศูนย์และกรวยผสม แต่ไม่มีการเยื้องศูนย์ของแกนหมุน การเลื่อนลดลง การบดกลายเป็นกลไกหลัก โดยการเฉือนช่วยเสริมการกำจัด ระยะห่างของฟันแคบลง
ลักษณะทางธรณีวิทยาที่แข็งและขรุขระมาก(หินแกรนิต, หินควอตไซต์, หินเชิร์ต): ไม่มีการลื่นไถลโดยเจตนา ดอกสว่านใช้โปรไฟล์ทรงกรวยเดี่ยวโดยไม่มีการเยื้องศูนย์และไม่มีการเยื้องศูนย์ของแกนหมุน กรวยหมุนได้อย่างบริสุทธิ์ที่สุด การกำจัดหินทั้งหมดเกิดขึ้นจากการบด – แรงกดสัมผัสสูง การลื่นไถลต่ำ ความทนทานของฟันสูงสุด ฟันสั้น เรียงชิดกัน และทำจากคาร์ไบด์เกรดที่แข็งที่สุดเท่าที่มีอยู่
หากคุณใช้ดอกสว่านสำหรับหินอ่อน (มีการเยื้องศูนย์มาก มีการเลื่อนมาก) ในหินแกรนิตแข็ง ฟันสว่านจะขูดแทนที่จะบด คาร์ไบด์บนหินแกรนิตที่ความเร็วในการเลื่อนสูงจะทำให้ฟันสว่านสึกจนเหลือแต่ตอในเวลาอันสั้น ในทางกลับกัน ดอกสว่านสำหรับหินแข็ง (ไม่มีการเยื้องศูนย์ เป็นการกลิ้งอย่างเดียว) ในหินดินดานอ่อนจะบดโดยไม่ขูดและเจาะได้ช้าเพราะหินดินดานตอบสนองต่อแรงเฉือนได้ดีกว่าแรงอัด
สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไรเมื่อคุณกำลังซื้อ
ตลาดดอกสว่านสามแฉกแบ่งตามความแข็งของชั้นหินด้วยเหตุผลนี้เอง รหัส ไอเอดีซี บนดอกสว่านไม่ได้บอกแค่ประเภทของแบริ่งและวัสดุของฟันเท่านั้น แต่ยังเข้ารหัสปรัชญาการออกแบบทางเรขาคณิตด้วย เช่น ระยะห่างของแกนดอกสว่าน รูปทรงของกรวย และการมีระยะห่างของแกนดอกสว่านหรือไม่ ดอกสว่านสองดอกที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางและเกลียวเหมือนกัน อาจเป็นเครื่องจักรที่แตกต่างกันโดยพื้นฐาน ซึ่งได้รับการปรับให้เหมาะสมกับหินที่แตกต่างกัน
เมื่อมีคนบอกคุณว่าดอกสว่านแบบสามแฉกใช้ไม่ได้ผลในชั้นหินบางประเภท ให้ถามว่าพวกเขาใช้รหัส ไอเอดีซี ใด ในเก้าในสิบครั้ง ดอกสว่านไม่ได้เสีย แต่เป็นเพราะการออกแบบไม่เหมาะสมกับหินต่างหาก
