钻头设计.doc

胎体式PDC钻头基础模具设计与成型工艺的研究 本文对PDC钻头模具三维设计和数控加工一体化技术的方法、步骤和相关工艺技术进行了研究。解决了PDC钻头模具辅助设计二维数据的三维转化问题，提出了模具三维造型和参数化开发的方法，并应用CAD／CAM系统软件PRO／E建立了PDC钻头模具三维模型，应用PRO／PROGRAM(程序)开发模块进行PDC钻头模具造型的参数化开发，并编制了相应的参数化开发软件，提高了PDC钻头模具造型速度和准确性。在建立PDC钻头模具三维造型的基础上，确定了模具数控加工工艺，摸索出一套利用PRO／E软件进行PDC钻头模具计算机辅助制造的方法和步骤，实现了PDC钻头模具一次装卡、一次成形的高精度自动化数控加工技术。关键词 PDC钻头模具 三维设计 数控加工技术 CAD／CAM聚晶金刚石复合片钻头(简称PDC钻头)由钻头体、接头组成，根据钻头体按材料的不同分为胎体PDC钻头和钢体PDC钻头。胎体PDC钻头的钻头体是采用铸造碳化钨粉和浸渍料经无压浸渍烧结而成的。钻头体形状是通过模具的形状而间接实现的。模具由底模、中模和上模三部分组成。模具的中模和上模的设计与加工都很容易实现。但底模是具有复杂曲面特征的实体，PDC钻头的冠部形状参数、切削齿位置和方向参数、水力结构参数等都是通过底模的形状来实现的。因此底模的设计和加工是模具设计和加工中最重要的一部分，其设计的好坏和加工的精度都直接关系到钻头的最终使用效果。高质量的模具是保证PDC钻头质量的关键因素之一。目前国内PDC钻头模具的形成主要有三种方法。第一种(应用最多的，如图1所示)是利用普通车床车削形成钻头冠部形状，依靠分度头手工划线定位、普通万能铣床铣削完成切削齿和水眼的加工，再通过手工修模完成水力结构的造型等多道工序完成的。这种加工方法的缺点是工人劳动强度大、加工精度低、人为误差大，难以控制和保证质量，很难达到设计的要求。第二种是数控加工，利用数控机床加工形成钻头的冠部形状和切削齿的定位，然后再通过手工修模或者粘上相应形状成形的水力结构(粘上以后也要进行一定的手工修理)而最后形成模具的。这种加工方法的缺点是并未实现完全意义上的数控加工，切削平面确立和过度还需手工进行完善，存在一定的误差。第三种是利用橡胶模进行成形，首先将加工好的模具先形成橡胶模，再利用此橡胶模通过浇铸形成模具。这种加工方法的缺点是产品的改形困难，橡胶模的质量要好，相应的加工工艺要完善，尤其是获得橡胶模的原始模具必须保证质量，而实现模具的形状必然要通过上述两种方法，这两种方法的缺点也必然体现在它的上面。国外PDC钻头CAD／CAM一体化高度集成，设计和制造有机结合起来。首先进行产品设计，由二维数据形成三维模型，利用此三维模型生成数控加工程序，利用数控加工机床实现数控加工。目前国内进行PDC钻头模具三维设计和完全意义上实现模具数控加工，把模具的设计和制造有机的结合起来还处于探索阶段。石油大学(北京)方面开展了PDC钻头三维实体造型设计的初步研究。它可将PDC钻头二维计算机辅助设计软件的输出结果三维化，并可输出图纸和图形数据文件，具备了一定的三维设计功能，但是与计算机辅助制造并没有结合前来，而且建立的三维模型也是经过简化的，准确性不够。在牙轮钻头方面国内也进行了CAD／CAM相结合的研究，已经取得了成功。可见面对面的人机交互式的计算机辅助设计(三维设计)和高精度自动化设备的数控加工技术两者的有机结合是未来PDC钻头模具设计和加工的发展方向。针对这一问题进行了PDC钻头模具三维设计和数控加工一体化技术研究，实现PDC钻头模具的三维设计和数控加工，集车模、划线、铣模、修模四道工序与一体，模具一次装卡、模具一次成形。大大降低工人劳动强度，提高模具加工精度和质量，对钻头性能指标起到极大的促进作用，进一步缩短了钻头改型和制造周期，更好地适应市场需求。1 PDC钻头模具三维设计与参数化造型研究1.1 PDC钻头模具辅助设计数据三维转化原理研究1.1.1 PDC钻头模具辅助设计二维数据的分析形成钻头PDC钻头底模的数据是通过以下三个图反映的。底模剖面图反映了PDC钻头冠部形状尺寸；底模排屑块图反映了水力结构数据；PDC钻头的布齿图反映各个切削齿和水眼的空间位置参数和空间方向参数。在加工时先按照图2底模剖面图上冠部形状尺寸用普通车床车削形成钻头冠部形状，再依靠分度头按照图3钻PDC钻头的布齿图上数据手工划线定位，用普通万能铣床铣削完成切削齿和水眼的加工，最后按照图4底模排屑块图上的数据通过手工修模完成水力结构造型。从图5至图7我们看到PDC钻头底模是一个曲面特征复杂的实体，最关键的就是切削齿位置如何准确定位，图中粘贴的石墨片位置就是最后切削齿的位置，石墨片与排屑槽相粘贴的表面就是切削平面。像上述工艺就