PDC钻头数控加工工艺开发应用探讨

摘 要：石油天然气开采过程中经常会遇到一些岩石的阻碍，我们需要利用多种工具将岩石破开，运用最多的破岩工具是PDC钻头，其进尺量占到了总进尺量的六成以上；PDC钻头的工作性能会对钻井质量、钻井进度和钻井成本产生直接影响，而它高强度、高韧性的特点保证了流道面积大的性能，為生产节约了较大的成本，所以人们对PDC钻头的需求也越来越大。但是，我国的PDC钻头加工技术起步较晚，在使用和研发方面缺乏足够的经验，很难保证PDC钻头的质量和使用寿命。文章通过PDC钻头的分类、特点、发展过程和加工工艺等方面对PDC数控加工工艺开发应用展开了讨论。

关键词：PDC钻头；数控加工；工艺

1 PDC钻头分类

PDC钻头主要是依靠聚晶金刚石复合片和钻头本体按照设计结构而组成的一个组合体，实现了钻井过程中利用聚晶金刚石复合片切削岩石的工作原理。根据钻头本体的构成材料、加工方法和形状架构上的不同，PDC钻头可以分为胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头。胎体式PDC钻头主要是利用了钎焊技术，把金刚石复合片焊接在钻头胎体上，最后形成了具有切削功能的钻头，而钻头的胎体是由铸造碳化钨粉烧结而成。这种胎体式PDC钻头的特点是，加工成本低，加工工艺相对简单，而钻头体强度差，对复合片进行冷却时的流道面积小，但是胎体的构成成分主要是碳化钨，所以具有较好的抗腐蚀性。钢体式PDC钻头的本体原材料是通过二次加工的金属材料，利用热加工技术先在钻头体上打孔，再把聚晶金刚石复合片打入钻头体内，然后在钻体表面镀上抗腐蚀的硬质金属材料，防止钻体受到腐蚀。这种PDC钻头的特点是，整个金属钻头体是通过二次加工后所形成的，保证了完整的韧性和强度，而且对复合片进行冷却时的流道面积大，极大地避免了钻头泥包现象的发生，与胎体式PDC钻头相比，其制作成本也相对较低。但是钻头本体大部分是由普通金属材料构成，耐冲蚀性能方面存在一定的不足。

2 PDC钻头数控加工工艺

随着我国经济和科技的快速发展，国内数控机床的运用也是越来越普遍。五轴联动加工中心对一般零件的加工包括了叶片、叶轮、螺旋桨叶片等，此外还涉及了对一些复杂的多面曲面的加工，例如：钻孔、铣孔等孔类零件。五轴联动加工中心的成本相对较高，而且缺乏一些先进的国外设备的支持，在我国的普及率还是不够高；在工时上，五轴联动加工中心的加工工时比普通加工中心的工时要高出好几倍；处于以上限制因素的考虑，企业必定会站在节约资源的角度出发，选择其他的加工方式来代替五轴联动加工。

2.1 零件加工工艺

通过PDC钻头的三维数模和加工特征组合来看，对深度、宽度、最小圆角半径等进行数据测量，可以得出这样的结果：PDC钻头从毛坯阶段到成品阶段会除去大量原材料，而钻头本身的上部分为冠状部分由刀翼、水道、齿窝、水孔等复杂曲面和空间斜孔组成，这里依靠三轴和五轴加工中心加工完成；钻头的下半部分是一个回转体结构，通过车削加工技术，不但可以获得符合条件的零件外形和尺寸，还可以得到较高的经济回报。所以通常在选择加工工艺时，需要以零件的基本特征为依据，再结合零件能够带来的实际经济效益，最大限度地降低成本输出。

2.2 车削加工

车削加工主要是事先去除零件中的一些多余材料，以此来减少加工中心的工作任务；此外，通过车削加工可以保证PDC钻头下半部分的形状的完整性和精确性；最后，车削加工为三轴及五轴加工做了基础准备，即在这一过程中已经完成了对定位孔和装夹槽的加工。

2.3 三轴加工

PDC钻头冠状部分的复杂曲面众多，而且刀翼的前刀面是倒扣的，由于有些曲面斜率过大甚至超过90度，导致立式加工中心无法满足这种零件的加工；在保持原有装夹方式的条件下，虽然可以利用卧式加工中心或五轴加工中心来完成这样的加工任务，但是由于需要除去较多的原材料，工作量较大，使得加工时间延长，而且也加大了成本投入，综合考虑，还是依靠三轴立式加工中心来加工，但是需要进行一定的修改，原来的工件装夹方式是保证回转中心与刀具平行的，现在修改为与刀具垂直即可。先把工件安装在分度头上，利用分度头来带动工件转动，从而计算出合理的角度、刀翼斜率和流道大小；在实际加工过程中，由于刀翼的曲面和刀翼间的角度是不同的，所以需要对刀翼间的角度进行重新测量和记录。与五轴加工中心加工相比，这种方法虽然操作步骤比较繁琐，但是可以节约很多的加工成本，随着加工数量和加工人员的增加，工人的操作熟练度会越来越高，不仅提升了工作效率，还节约了经济成本。总的来说，企业运用分度头与三轴立式加工中心，会给企业带来很多好处。

2.4 三轴立式加工

等到装在分度头上的工件完成加工后，说明了PDC钻头冠状部周围已经完成了基本的加工，但是顶部的中心位置还没有得到加工。在实际加工过程中，工件会受到自身重量和切削力的影响，被安装在分度头上后工件会产生一个和进刀方向保持一致的力，导致了不能保持较高的加工精度。为了避免这种现象的发生，通常会在加工前现在工件的另一侧加上一个顶尖；在卧式加工的过程中，想要对钻头顶部进行加工，由于受到大直径工件的限制，就要避开刀柄与刀翼的影响，这对刀具提出了一定的要求，即刀具的悬伸长度要大于工件的半径。但是这种规定会加大刀具在切削时的振动频率，导致了加工出来的零件质量偏低，所以加工工艺还需要有更多的改进。

3 结束语

随着人们对PDC钻头数控加工工艺的持续性研究，对其进行不断创新和完善，一方面，提高了PDC钻头零件的加工效率，有利于生产出高质量、高寿命的钻头；另一方面，扩大了PDC钻头在天然气油田开采中的使用功能，有利于提高油田的开发速度、经济效益和产能建设，为企业和国家带来了巨大的社会效益。同时该工艺在实践中的多次创新和完善，可以积累一定的经验，对PDC钻头的数控加工的长久发展，提供了宝贵的参考并具有指导意义。

参考文献

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作者简介：岑华（1977，5-），男，广西壮族自治区河池市，硕士研究生，研究方向：数控技术、模具材料。