胎体PDC钻头模具激光快速成型技术

夏鹏程

摘要：針对传统的胎体PDC钻头制造中，存在加工精度低、制造周期长、复杂形状钻头难以实现等缺点，探讨了PDC钻头模具激光快速成型技术。研究结果显示，将激光快速成型技术应用于PDC在钻头模具加工，可缩短产品制造周期，不保证钻头的性能。

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.

关键词：激光快速成型;PDC钻头;模具制造

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

中图分类号：TE921.1                                     文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）11-0214-02

0  引言

钻头性能是影响矿山钻探效率和成孔质量的关键因素之一。不论是煤矿还是非煤矿山钻探所广泛使用的钻头是PDC（Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金刚石复合片钻头）钻头。按钻头体材质不同，分为钢体式和胎体式两种。钢体式PDC钻头使用中常发生磨损、冲蚀现象，影响钻进效率;胎体式PDC钻头具有高耐磨、高强度、抗冲蚀等综合性能，更能满足复杂地质条件下钻孔要求[1]。

胎体式PDC钻头加工制造中的一个关键环节是模具成型，其成型精度和质量直接影响钻头的性能。使用工况的多样性需要研发不同结构参数的胎体式PDC钻头，相应模具也需要有差异化，而模具多次成型的时间直接影响对市场的响应速度。为缩短胎体式PDC钻头的生产周期，有必要探索解决模具成型难、精度要求高的有效途径。目前，常用的PDC钻头模具的成型工艺主要传统机械加工和数控加工两种[2-3]。传统加工受工人技术水平与熟练程度的影响，精度和效率难以满足要求;数控加工虽能满足PDC钻头模具精度的要求，但在复杂曲面钻头模具加工对编程人员的技术水平要求高，对于组合模具，精度也受一定影响。而PDC钻头模具激光快速成型技术是集设计与制造于一体的成型方法，可以实现复杂结构PDC钻头的制造，使钻头制造精度更高，制造周期更短。

1  激光快速成型技术原理[4]

激光快速成型技术（Laser Rapid Prototyping Technology）是通过添加材料直接从三维数学模型得到三维实体模型的综合制造技术。计算机控制激光喷嘴进行逐点、逐线、逐面、逐层熔化、堆积，从而形成三维结构，制造出所设计的模具。该技术原理是先由三维软件设计出模型，然后根据工艺要求进行分层，把三维模型变成二维平面信息，再生成数控代码，以平面加工方式连续加工出薄层模型，并使它们自动叠加粘结成型，直至堆积成完整的三维制件。激光快速成型技术通过快速、自动成型系统能够在短时间内从CAD三维模型制作出原型，可大大缩短生成周期，降低生成成本。

2  PDC钻头三维实体模型的实现

PDC钻头由钻头体、PDC切削齿、水力系统组成，其设计主要为冠部形状设计和布齿结构设计。应用三维设计软件设计并绘制PDC钻头。通过建立PDC钻头的坐标系统、冠部形状、刀翼形状、切削齿等数学模型，构建钻头体、刀翼、切削齿、钻头冠部等三维实体模型，完成PDC钻头结构单元三维模型库，然后在三维软件装配环境下，由程序实现钻头结构单元的组装，完成PDC钻头的三维造型设计[5]。

3  胎体PDC钻头模具激光快速成型工艺

将设计好的PDC钻头三维CAD模型，转换成表面三角形模型，即转换成STL文件格式，再利用分层将模型分割成一层一层的平面廓信息，并编制扫描NC指令，控制激光束按每个切层快速扫面液态光敏树脂，使之快速固化成型，一层制作完毕后，移动升降平台，在上一层叠加，直至制作完成PDC钻头的阴模及模衬，然后制作出钻头的橡胶模，再用橡胶模制作出制造钻头的陶瓷模，用陶瓷模就可生产出比传统工艺精度高的钻头了。

试制的钻头如图1所示。

4  效果分析

4.1 与传统工艺制作的钻头对比

激光快速成型技术结合了CAD/CAM技术、计算机技术、激光技术、数控技术，解决了形状复杂PDC头模具的加工。通过对比传统压模成型和铣模成型工艺制作的钻头，关键参数切削齿角、齿高精度提高了5～10倍。采用激光快速成型工艺的新产品开发周期为传统工艺的1/3～1/6，批量生产周期为传统工艺的1/3～1/10，比采用压模成型工艺和铣模成型工艺的相应周期均大大缩短。

4.2 应用效果

采用新工艺制作了2只钻头直径为96mm的胎体式PDC钻头，在某矿山钻进施工定向孔，岩石普氏系数f=4～8，每班平均进尺40m，累计进尺3000余米。起钻后，发现钻头胎体有细微磨损，没有偏磨现象。钻头胎体的综合机械性能满足矿山复杂岩层的使用要求。

5  结论

①激光快速成型技术结合激光快速成型技术能制作复杂构型的胎体式PDC钻头，无需铣削加工，可降低工时，提高效率，缩短钻头制造周期，能快速适应市场复杂多变的需求。

②新工艺制作的钻头模具精度高，能满足高性能钻头的加工要求。经过试验应用，取得较好的钻进效果，满足复杂岩石的使用要求。

参考文献：

[1]张俊岭，郭一川，等.影响PDC钻头胎体强度韧性的因素及提高措施[J].设备管理与维修，2018（2）：28-29.

[2]刁文庆，唐大勇.定向钻进用胎体式PDC钻头烧结工艺研究[J].煤炭科学技术，2013（3）：21-23.

[3]王红波，刘娇鹏，等.PDC钻头发展与应用概况[J].金刚石与磨料磨具工程，2011（8）：74-77.

[4]周光昌，于凤兰.激光快速成型技术在胎体式PDC钻头制造中的应用[J].石油钻探技术，2005（2）：44-45.

[5]单岩，吴立军.三维造型技术基础（CAD实用技术）[M].北京：清华大学出版社，2004.