PDC鉆頭數(shù)控加工工藝開發(fā)應(yīng)用探討

PDC鉆頭分類

　　PDC鉆頭主要是依靠聚晶金剛石復(fù)合片和鉆頭本體按照設(shè)計結(jié)構(gòu)而組成的一個組合體，實現(xiàn)了鉆井過程中利用聚晶金剛石復(fù)合片切削巖石的工作原理。根據(jù)鉆頭本體的構(gòu)成材料、加工方法和形狀架構(gòu)上的不同，PDC鉆頭可以分為胎體式PDC鉆頭和鋼體式PDC鉆頭。胎體式PDC鉆頭主要是利用了釬焊技術(shù)，把金剛石復(fù)合片焊接在鉆頭胎體上，最后形成了具有切削功能的鉆頭，而鉆頭的胎體是由鑄造碳化鎢粉燒結(jié)而成。這種胎體式PDC鉆頭的特點是，加工成本低，加工工藝相對簡單，而鉆頭體強度差，對復(fù)合片進行冷卻時的流道面積小，但是胎體的構(gòu)成成分主要是碳化鎢，所以具有較好的抗腐蝕性。鋼體式PDC鉆頭的本體原材料是通過二次加工的金屬材料，利用熱加工技術(shù)先在鉆頭體上打孔，再把聚晶金剛石復(fù)合片打入鉆頭體內(nèi)，然后在鉆體表面鍍上抗腐蝕的硬質(zhì)金屬材料，防止鉆體受到腐蝕。這種PDC鉆頭的特點是，整個金屬鉆頭體是通過二次加工后所形成的，保證了完整的韌性和強度，而且對復(fù)合片進行冷卻時的流道面積大，極大地避免了鉆頭泥包現(xiàn)象的發(fā)生，與胎體式PDC鉆頭相比，其制作成本也相對較低。但是鉆頭本體大部分是由普通金屬材料構(gòu)成，耐沖蝕性能方面存在一定的不足。

　　PDC鉆頭數(shù)控加工工藝

　　隨著我國經(jīng)濟和科技的快速發(fā)展，國內(nèi)數(shù)控機床的運用也是越來越普遍。五軸聯(lián)動加工中心對一般零件的加工包括了葉片、葉輪、螺旋槳葉片等，此外還涉及了對一些復(fù)雜的多面曲面的加工，例如：鉆孔、銑孔等孔類零件。五軸聯(lián)動加工中心的成本相對較高，而且缺乏一些先進的國外設(shè)備的支持，在我國的普及率還是不夠高；在工時上，五軸聯(lián)動加工中心的加工工時比普通加工中心的工時要高出好幾倍；處于以上限制因素的考慮，企業(yè)必定會站在節(jié)約資源的角度出發(fā)，選擇其他的加工方式來代替五軸聯(lián)動加工。

　　1 零件加工工藝

　　通過PDC鉆頭的三維數(shù)模和加工特征組合來看，對深度、寬度、最小圓角半徑等進行數(shù)據(jù)測量，可以得出這樣的結(jié)果：PDC鉆頭從毛坯階段到成品階段會除去大量原材料，而鉆頭本身的上部分為冠狀部分由刀翼、水道、齒窩、水孔等復(fù)雜曲面和空間斜孔組成，這里依靠三軸和五軸加工中心加工完成；鉆頭的下半部分是一個回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，通過車削加工技術(shù)，不但可以獲得符合條件的零件外形和尺寸，還可以得到較高的經(jīng)濟回報。所以通常在選擇加工工藝時，需要以零件的基本特征為依據(jù)，再結(jié)合零件能夠帶來的實際經(jīng)濟效益，最大限度地降低成本輸出。

　　2 車削加工

　　車削加工主要是事先去除零件中的一些多余材料，以此來減少加工中心的工作任務(wù)；此外，通過車削加工可以保證PDC鉆頭下半部分的形狀的完整性和精確性；最后，車削加工為三軸及五軸加工做了基礎(chǔ)準備，即在這一過程中已經(jīng)完成了對定位孔和裝夾槽的加工。

　　3 三軸加工

　　PDC鉆頭冠狀部分的復(fù)雜曲面眾多，而且刀翼的前刀面是倒扣的，由于有些曲面斜率過大甚至超過90度，導(dǎo)致立式加工中心無法滿足這種零件的加工；在保持原有裝夾方式的條件下，雖然可以利用臥式加工中心或五軸加工中心來完成這樣的加工任務(wù)，但是由于需要除去較多的原材料，工作量較大，使得加工時間延長，而且也加大了成本投入，綜合考慮，還是依靠三軸立式加工中心來加工，但是需要進行一定的修改，原來的工件裝夾方式是保證回轉(zhuǎn)中心與刀具平行的，現(xiàn)在修改為與刀具垂直即可。先把工件安裝在分度頭上，利用分度頭來帶動工件轉(zhuǎn)動，從而計算出合理的角度、刀翼斜率和流道大??；在實際加工過程中，由于刀翼的曲面和刀翼間的角度是不同的，所以需要對刀翼間的角度進行重新測量和記錄。與五軸加工中心加工相比，這種方法雖然操作步驟比較繁瑣，但是可以節(jié)約很多的加工成本，隨著加工數(shù)量和加工人員的增加，工人的操作熟練度會越來越高，不僅提升了工作效率，還節(jié)約了經(jīng)濟成本?？偟膩碚f，企業(yè)運用分度頭與三軸立式加工中心，會給企業(yè)帶來很多好處。

　　4 三軸立式加工

　　等到裝在分度頭上的工件完成加工后，說明了PDC鉆頭冠狀部周圍已經(jīng)完成了基本的加工，但是頂部的中心位置還沒有得到加工。在實際加工過程中，工件會受到自身重量和切削力的影響，被安裝在分度頭上后工件會產(chǎn)生一個和進刀方向保持一致的力，導(dǎo)致了不能保持較高的加工精度。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，通常會在加工前現(xiàn)在工件的另一側(cè)加上一個頂尖；在臥式加工的過程中，想要對鉆頭頂部進行加工，由于受到大直徑工件的限制，就要避開刀柄與刀翼的影響，這對刀具提出了一定的要求，即刀具的懸伸長度要大于工件的半徑。但是這種規(guī)定會加大刀具在切削時的振動頻率，導(dǎo)致了加工出來的零件質(zhì)量偏低，所以加工工藝還需要有更多的改進。

　　結(jié)束語

　　隨著人們對PDC鉆頭數(shù)控加工工藝的持續(xù)性研究，對其進行不斷創(chuàng)新和完善，一方面，提高了PDC鉆頭零件的加工效率，有利于生產(chǎn)出高質(zhì)量、高壽命的鉆頭；另一方面，擴大了PDC鉆頭在天然氣油田開采中的使用功能，有利于提高油田的開發(fā)速度、經(jīng)濟效益和產(chǎn)能建設(shè)，為企業(yè)和國家?guī)砹司薮蟮纳鐣б?。同時該工藝在實踐中的多次創(chuàng)新和完善，可以積累一定的經(jīng)驗，對PDC鉆頭的數(shù)控加工的長久發(fā)展，提供了寶貴的參考并具有指導(dǎo)意義。