Análisis de fallas y uso adecuado de herramientas de perforación de roca
Failure analysis of rock drilling tools China now produces a range of rock drilling tools (RDT) with distinct features—such as column/insert-tooth bits, cemented-carbide integral bits, ultra-tough rock bits, and K610 carbide—whose quality and life have improved but remain inconsistent. Early failures are mainly due to bit and drill-rod problems.
Bits fail by abnormal and normal wear: fragmenting, tooth breakage, tooth loss, chipping and fractures. Chisel-type bits often fail because the cutting wings are too thin, wear quickly, have poor geometric stability, and insufficient clamping of carbide inserts—leading to insert loss and accelerated wear. Spherical/button bits typically suffer from edge spalling, fractured edge teeth, cracking in the skirt, cap loss and waist (body) fractures. A field study using a 7655 pneumatic drill on hard granite found for domestic ∅40–∅42 insert-tooth bits: edge-tooth spall 22.7%, edge-tooth breakage 35.4%, and fragment loss 26.4%—showing that edge tooth damage is a dominant failure mode. Causes include eccentric and uneven stress on edge teeth, differing radial pressures, increasing plastic deformation of the tooth hole wall (leading to a bell-mouth and reduced clamping force), insufficient interference fit between tooth and hole, and low bit-body hardness. Higher bit-body hardness benefits carbides far more than medium/low hardness bodies. Welding quality, flux performance, welding practice and usage also affect failures. More than 80% of bit-body fractures occur at the junction of the bit face and skirt; partial fractures of insert-tooth bits propagate along the tooth-hole bottom. Poor steel selection, inappropriate geometry, improper manufacturing or incorrect use also exacerbate fractures.
Drill rods endure alternating stresses—impact, bending and corrosion—so they require high fatigue strength, impact toughness, corrosion resistance, and low notch sensitivity and crack-propagation rates. Rod failures include deformations at the small-rod shank end due to low hardness, bursting of high-hardness ends, thread wear at couplings, fatigue breaks and brittle fractures. Fatigue breaks initiate and propagate from material defects (nonmetallic inclusions, porosity, white spots, scratches, decarburization, corrosion cracks) or from poor material/heat treatment (overhard core from carburizing, poor quenching causing tail cracks, quench cracks). Design flaws and poor coupling fit can induce cracks; misuse (hammer marks, poor joint lubrication, corrosion) also causes cracking and breakage. Some rod fractures show no fatigue features and present as bright, crystalline brittle fractures—usually from defects, severe section changes, forging laps, or improper heat treatment producing low strength or high stress concentration and rapid crack propagation.
Uso correcto y racional de las herramientas de perforación de roca 2.1 Mejorar la calidad del diseño Determinar parámetros estructurales razonables y desarrollar nuevos tipos son prerrequisitos para una vida útil más larga. Para brocas de inserción/diente de columna, las coronas hemisféricas brindan alta velocidad de perforación y resistencia a la compresión duradera. El diámetro del diente debe garantizar la resistencia a la tracción y la fuerza de sujeción. Para reducir el daño de los dientes de borde y prolongar la vida útil: (1) reforzar los dientes de borde eligiendo la forma, el diámetro y la altura de exposición adecuados; (2) reducir el ángulo de ataque de los dientes de borde para mejorar la distribución de la carga y la resistencia al impacto; (3) seleccionar espacios de soldadura correctos y ajuste de interferencia para aumentar la fuerza de retención; (4) usar carburos más duros y tratados térmicamente para los dientes de borde para evitar la fragmentación; (5) fortalecer el cuerpo de la broca para mejorar la resistencia al desgaste; (6) optimizar la disposición de los dientes, aumentar el número de dientes de borde cuando sea posible y mejorar el lavado: conservar los orificios de agua de la cara y un sistema de lavado de tres ranuras/dos orificios de gran espacio para aumentar la remoción de recortes, reducir el reafilado de recortes, disminuir el consumo de energía y prolongar la vida útil de la broca.
Mejorar la geometría de las varillas: por ejemplo, las varillas de rosca completa de Ingersoll-Rand, fabricadas mediante laminado con endurecimiento superficial, mayor ángulo de hélice y buen autobloqueo, mejoran la tenacidad, la resistencia al desgaste y la facilidad de montaje y desmontaje. Mejorar la apariencia y el diseño del empaque para proteger las herramientas y prolongar su vida útil.
2.2 Seleccione materiales de alta calidad Los materiales de las herramientas deben ser tenaces y resistentes al desgaste, con buena rigidez, alta resistencia a la fatiga, baja sensibilidad a las entallas, fuerte retención de carburo y cierta resistencia a la corrosión. Los aceros recomendados incluyen: 24SiMnNi2CrMo (similar al FF710 sueco) con excelentes propiedades mecánicas y de fractura combinadas; 40SiMnMoV para varillas (penetración promedio ~1225,4 m, cerca de los niveles extranjeros); 55SiMnMo para varillas pequeñas que se acercan a la vida útil de la varilla pequeña del 95CrMo sueco (~250 m); 35SiMnMoV que alcanza ~300 m por varilla. Estos aceros, después del temple-revenido, forman microestructuras bainíticas con alta tenacidad a la fatiga. Para brocas pequeñas y medianas con unión por inserto, 40MnMoV es adecuado para el cuerpo de la broca; para brocas con inserto montado en caliente, es preferible 45NiCrMoV. La selección del carburo debe coincidir con la mecánica de la roca y el tipo de broca.
2.3 Adopción de tecnología de fabricación avanzada. El uso del mecanizado para producir brocas, en sustitución de la forja tradicional, es un avance clave. Para las brocas de inserción soldadas, utilice equipos de calentamiento adecuados (hornos de inducción de frecuencia ultrasónica o de frecuencia media) o calentamiento por inducción completa para prevenir la oxidación y la descarburación, garantizar tiempos de calentamiento cortos y controlables, facilitar la soldadura fuerte y evitar tensiones de temple mediante el control del enfriamiento. Aumente el tamaño de la soldadura adecuadamente, elija muelas de rectificado graduadas y limpie a fondo las superficies de soldadura con disolventes orgánicos para mejorar la calidad de la soldadura fuerte.
Para la fijación de insertos, se recomienda el montaje en caliente para diámetros medianos y grandes: minimiza el impacto en las propiedades del cuerpo de la broca y del carburo, preserva la calidad superficial, genera tensiones de compresión biaxiales en la unión, proporciona una buena retención, reduce la pérdida de fragmentos y permite un tratamiento térmico óptimo del acero. Los insertos prensados en frío requieren una alta precisión de mecanizado; utilice herramientas de alta precisión y cadenas dimensionales cortas para mejorar la rigidez de contacto y la calidad superficial del agujero. La geometría de las herramientas debe permitir una mayor deformación de corte y refuerzo por extrusión para que la pared del agujero adquiera una tensión residual de compresión beneficiosa y una capa superficial endurecida por deformación.
Para prolongar la vida útil de las varillas, fabrique matrices de forjado y mecanizado de precisión para evitar abocinamientos, rebabas y grietas. Mejore la calidad del laminado de acero hueco para eliminar abolladuras, costras, pliegues y descarburación.
Conclusión Este documento analizó los modos de falla de RDT y examinó las estructuras de las brocas y las formas de daño, demostrando las causas de falla y proponiendo medidas para prolongar la vida útil: parámetros estructurales adecuados, selección de materiales de calidad y técnicas de fabricación avanzadas. Sin embargo, la vida útil de la herramienta depende de la calidad inherente y el uso científico. Puntos prácticos adicionales: utilice extractores en lugar de martillar a mano al retirar las brocas; reafilar las brocas para reducir la iniciación y el crecimiento de grietas superficiales y para mejorar la velocidad de perforación; siga la operación correcta: avance lentamente hasta que la broca haya entrado en la roca antes de perforar a toda velocidad; asegúrese de que los acoplamientos de la varilla sean concéntricos y las roscas estén completamente enganchadas; si una broca se atasca, evite martillar: cierre la válvula de entrada, abra el agua, avance lentamente y utilice movimientos de vaivén para alisar la pared del pozo y liberar la herramienta, evitando la fragmentación del carburo, la rotura del vástago o la fractura de la varilla.
En resumen, el uso de taladros adecuados, herramientas dedicadas y máquinas apropiadas en diversas condiciones permitirá que RDT alcance su rendimiento potencial.
