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胎體式鉆頭基礎模具設計研究

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  聚晶金剛石復合片鉆頭(簡稱PDC鉆頭)由鉆頭體、接頭組成,根據鉆頭體按材料的不同分為胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭。胎體PDC鉆頭的鉆頭體是采用鑄造碳化鎢粉和浸漬料經無壓浸漬燒結而成的。鉆頭體形狀是通過模具的形狀而間接實現的。模具由底模、中模和上模三部分組成。模具的中模和上模的設計與加工都很容易實現。但底模是具有復雜曲面特征的實體,PDC鉆頭的冠部形狀參數、切削齒位置和方向參數、水力結構參數等都是通過底模的形狀來實現的。因此底模的設計和加工是模具設計和加工中最重要的一部分,其設計的好壞和加工的精度都直接關系到鉆頭的最終使用效果。高質量的模具是保證PDC鉆頭質量的關鍵因素之一。

  目前國內PDC鉆頭模具的形成主要有三種方法。第一種(應用最多的,如圖1所示)是利用普通車床車削形成鉆頭冠部形狀,依靠分度頭手工劃線定位、普通萬能銑床銑削完成切削齒和水眼的加工,再通過手工修模完成水力結構的造型等多道工序完成的。這種加工方法的缺點是工人勞動強度大、加工精度低、人為誤差大,難以控制和保證質量,很難達到設計的要求。

  第二種是數控加工,利用數控機床加工形成鉆頭的冠部形狀和切削齒的定位,然后再通過手工修?;蛘哒成舷鄳螤畛尚蔚乃Y構(粘上以后也要進行一定的手工修理)而最后形成模具的。這種加工方法的缺點是并未實現完全意義上的數控加工,切削平面確立和過度還需手工進行完善,存在一定的誤差。 第三種是利用橡膠模進行成形,首先將加工好的模具先形成橡膠模,再利用此橡膠模通過澆鑄形成模具。這種加工方法的缺點是產品的改形困難,橡膠模的質量要好,相應的加工工藝要完善,尤其是獲得橡膠模的原始模具必須保證質量,而實現模具的形狀必然要通過上述兩種方法,這兩種方法的缺點也必然體現在它的上面。國外PDC鉆頭CAD/CAM一體化高度集成,設計和制造有機結合起來。首先進行產品設計,由二維數據形成三維模型,利用此三維模型生成數控加工程序,利用數控加工機床實現數控加工。目前國內進行PDC鉆頭模具三維設計和完全意義上實現模具數控加工,把模具的設計和制造有機的結合起來還處于探索階段。石油大學(北京)方面開展了PDC鉆頭三維實體造型設計的初步研究。它可將PDC鉆頭二維計算機輔助設計軟件的輸出結果三維化,并可輸出圖紙和圖形數據文件,具備了一定的三維設計功能,但是與計算機輔助制造并沒有結合前來,而且建立的三維模型也是經過簡化的,準確性不夠。在牙輪鉆頭方面國內也進行了CAD/CAM相結合的研究,已經取得了成功??梢娒鎸γ娴娜藱C交互式的計算機輔助設計(三維設計)和高精度自動化設備的數控加工技術兩者的有機結合是未來PDC鉆頭模具設計和加工的發展方向。針對這一問題進行了PDC鉆頭模具三維設計和數控加工一體化技術研究,實現PDC鉆頭模具的三維設計和數控加工,集車模、劃線、銑模、修模四道工序與一體,模具一次裝卡、模具一次成形。大大降低工人勞動強度,提高模具加工精度和質量,對鉆頭性能指標起到極大的促進作用,進一步縮短了鉆頭改型和制造周期,更好地適應市場需求。


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