胎體PDC鉆頭模具激光快速成型技術(shù)

夏鵬程

摘要：針對傳統(tǒng)的胎體PDC鉆頭制造中，存在加工精度低、制造周期長、復(fù)雜形狀鉆頭難以實現(xiàn)等缺點，探討了PDC鉆頭模具激光快速成型技術(shù)。研究結(jié)果顯示，將激光快速成型技術(shù)應(yīng)用于PDC在鉆頭模具加工，可縮短產(chǎn)品制造周期，不保證鉆頭的性能。

Abstract： Contraposed the manufacture process of traditional Matrix PDC bits， there are the following shortages in the processing technology， the processing accuracy is low， the manufacture period is long and the complex structure of bits is hard to be formed. This paper discussed the laser rapid prototyping technology of Matrix PDC bits mould. The research result shows， the laser rapid prototyping technique can achieve the manufacture of complex structure of PDC bits， it can improve the manufacture accuracy of bits and the appearance， shorten the manufacture period.

關(guān)鍵詞：激光快速成型;PDC鉆頭;模具制造

Key words： laser rapid prototyping;Matrix PDC bits;manufacture

中圖分類號：TE921.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）11-0214-02

0? 引言

鉆頭性能是影響礦山鉆探效率和成孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。不論是煤礦還是非煤礦山鉆探所廣泛使用的鉆頭是PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭）鉆頭。按鉆頭體材質(zhì)不同，分為鋼體式和胎體式兩種。鋼體式PDC鉆頭使用中常發(fā)生磨損、沖蝕現(xiàn)象，影響鉆進(jìn)效率;胎體式PDC鉆頭具有高耐磨、高強度、抗沖蝕等綜合性能，更能滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下鉆孔要求[1]。

胎體式PDC鉆頭加工制造中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是模具成型，其成型精度和質(zhì)量直接影響鉆頭的性能。使用工況的多樣性需要研發(fā)不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的胎體式PDC鉆頭，相應(yīng)模具也需要有差異化，而模具多次成型的時間直接影響對市場的響應(yīng)速度。為縮短胎體式PDC鉆頭的生產(chǎn)周期，有必要探索解決模具成型難、精度要求高的有效途徑。目前，常用的PDC鉆頭模具的成型工藝主要傳統(tǒng)機械加工和數(shù)控加工兩種[2-3]。傳統(tǒng)加工受工人技術(shù)水平與熟練程度的影響，精度和效率難以滿足要求;數(shù)控加工雖能滿足PDC鉆頭模具精度的要求，但在復(fù)雜曲面鉆頭模具加工對編程人員的技術(shù)水平要求高，對于組合模具，精度也受一定影響。而PDC鉆頭模具激光快速成型技術(shù)是集設(shè)計與制造于一體的成型方法，可以實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)PDC鉆頭的制造，使鉆頭制造精度更高，制造周期更短。

1? 激光快速成型技術(shù)原理[4]

激光快速成型技術(shù)（Laser Rapid Prototyping Technology）是通過添加材料直接從三維數(shù)學(xué)模型得到三維實體模型的綜合制造技術(shù)。計算機控制激光噴嘴進(jìn)行逐點、逐線、逐面、逐層熔化、堆積，從而形成三維結(jié)構(gòu)，制造出所設(shè)計的模具。該技術(shù)原理是先由三維軟件設(shè)計出模型，然后根據(jù)工藝要求進(jìn)行分層，把三維模型變成二維平面信息，再生成數(shù)控代碼，以平面加工方式連續(xù)加工出薄層模型，并使它們自動疊加粘結(jié)成型，直至堆積成完整的三維制件。激光快速成型技術(shù)通過快速、自動成型系統(tǒng)能夠在短時間內(nèi)從CAD三維模型制作出原型，可大大縮短生成周期，降低生成成本。

2? PDC鉆頭三維實體模型的實現(xiàn)

PDC鉆頭由鉆頭體、PDC切削齒、水力系統(tǒng)組成，其設(shè)計主要為冠部形狀設(shè)計和布齒結(jié)構(gòu)設(shè)計。應(yīng)用三維設(shè)計軟件設(shè)計并繪制PDC鉆頭。通過建立PDC鉆頭的坐標(biāo)系統(tǒng)、冠部形狀、刀翼形狀、切削齒等數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建鉆頭體、刀翼、切削齒、鉆頭冠部等三維實體模型，完成PDC鉆頭結(jié)構(gòu)單元三維模型庫，然后在三維軟件裝配環(huán)境下，由程序?qū)崿F(xiàn)鉆頭結(jié)構(gòu)單元的組裝，完成PDC鉆頭的三維造型設(shè)計[5]。

3? 胎體PDC鉆頭模具激光快速成型工藝

將設(shè)計好的PDC鉆頭三維CAD模型，轉(zhuǎn)換成表面三角形模型，即轉(zhuǎn)換成STL文件格式，再利用分層將模型分割成一層一層的平面廓信息，并編制掃描NC指令，控制激光束按每個切層快速掃面液態(tài)光敏樹脂，使之快速固化成型，一層制作完畢后，移動升降平臺，在上一層疊加，直至制作完成PDC鉆頭的陰模及模襯，然后制作出鉆頭的橡膠模，再用橡膠模制作出制造鉆頭的陶瓷模，用陶瓷模就可生產(chǎn)出比傳統(tǒng)工藝精度高的鉆頭了。

試制的鉆頭如圖1所示。

4? 效果分析

4.1 與傳統(tǒng)工藝制作的鉆頭對比

激光快速成型技術(shù)結(jié)合了CAD/CAM技術(shù)、計算機技術(shù)、激光技術(shù)、數(shù)控技術(shù)，解決了形狀復(fù)雜PDC頭模具的加工。通過對比傳統(tǒng)壓模成型和銑模成型工藝制作的鉆頭，關(guān)鍵參數(shù)切削齒角、齒高精度提高了5～10倍。采用激光快速成型工藝的新產(chǎn)品開發(fā)周期為傳統(tǒng)工藝的1/3～1/6，批量生產(chǎn)周期為傳統(tǒng)工藝的1/3～1/10，比采用壓模成型工藝和銑模成型工藝的相應(yīng)周期均大大縮短。

4.2 應(yīng)用效果

采用新工藝制作了2只鉆頭直徑為96mm的胎體式PDC鉆頭，在某礦山鉆進(jìn)施工定向孔，巖石普氏系數(shù)f=4～8，每班平均進(jìn)尺40m，累計進(jìn)尺3000余米。起鉆后，發(fā)現(xiàn)鉆頭胎體有細(xì)微磨損，沒有偏磨現(xiàn)象。鉆頭胎體的綜合機械性能滿足礦山復(fù)雜巖層的使用要求。

5? 結(jié)論

①激光快速成型技術(shù)結(jié)合激光快速成型技術(shù)能制作復(fù)雜構(gòu)型的胎體式PDC鉆頭，無需銑削加工，可降低工時，提高效率，縮短鉆頭制造周期，能快速適應(yīng)市場復(fù)雜多變的需求。

②新工藝制作的鉆頭模具精度高，能滿足高性能鉆頭的加工要求。經(jīng)過試驗應(yīng)用，取得較好的鉆進(jìn)效果，滿足復(fù)雜巖石的使用要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]張俊嶺，郭一川，等.影響PDC鉆頭胎體強度韌性的因素及提高措施[J].設(shè)備管理與維修，2018（2）：28-29.

[2]刁文慶，唐大勇.定向鉆進(jìn)用胎體式PDC鉆頭燒結(jié)工藝研究[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2013（3）：21-23.

[3]王紅波，劉嬌鵬，等.PDC鉆頭發(fā)展與應(yīng)用概況[J].金剛石與磨料磨具工程，2011（8）：74-77.

[4]周光昌，于鳳蘭.激光快速成型技術(shù)在胎體式PDC鉆頭制造中的應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2005（2）：44-45.

[5]單巖，吳立軍.三維造型技術(shù)基礎(chǔ)（CAD實用技術(shù)）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.