PDC鉆頭數控加工工藝開發應用探討

摘 要：石油天然氣開采過程中經常會遇到一些巖石的阻礙，我們需要利用多種工具將巖石破開，運用最多的破巖工具是PDC鉆頭，其進尺量占到了總進尺量的六成以上；PDC鉆頭的工作性能會對鉆井質量、鉆井進度和鉆井成本產生直接影響，而它高強度、高韌性的特點保證了流道面積大的性能，為生產節約了較大的成本，所以人們對PDC鉆頭的需求也越來越大。但是，我國的PDC鉆頭加工技術起步較晚，在使用和研發方面缺乏足夠的經驗，很難保證PDC鉆頭的質量和使用壽命。文章通過PDC鉆頭的分類、特點、發展過程和加工工藝等方面對PDC數控加工工藝開發應用展開了討論。

關鍵詞：PDC鉆頭；數控加工；工藝

1 PDC鉆頭分類

PDC鉆頭主要是依靠聚晶金剛石復合片和鉆頭本體按照設計結構而組成的一個組合體，實現了鉆井過程中利用聚晶金剛石復合片切削巖石的工作原理。根據鉆頭本體的構成材料、加工方法和形狀架構上的不同，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，把金剛石復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，對復合片進行冷卻時的流道面積小，但是胎體的構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，利用熱加工技術先在鉆頭體上打孔，再把聚晶金剛石復合片打入鉆頭體內，然后在鉆體表面鍍上抗腐蝕的硬質金屬材料，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，而且對復合片進行冷卻時的流道面積大，極大地避免了鉆頭泥包現象的發生，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成，耐沖蝕性能方面存在一定的不足。

2 PDC鉆頭數控加工工藝

隨著我國經濟和科技的快速發展，國內數控機床的運用也是越來越普遍。五軸聯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雜的多面曲面的加工，例如：鉆孔、銑孔等孔類零件。五軸聯動加工中心的成本相對較高，而且缺乏一些先進的國外設備的支持，在我國的普及率還是不夠高；在工時上，五軸聯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，企業必定會站在節約資源的角度出發，選擇其他的加工方式來代替五軸聯動加工。

2.1 零件加工工藝

通過PDC鉆頭的三維數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據測量，可以得出這樣的結果：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體結構，通過車削加工技術，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，再結合零件能夠帶來的實際經濟效益，最大限度地降低成本輸出。

2.2 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；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準備，即在這一過程中已經完成了對定位孔和裝夾槽的加工。

2.3 三軸加工

PDC鉆頭冠狀部分的復雜曲面眾多，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，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中心與刀具平行的，現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動，從而計算出合理的角度、刀翼斜率和流道大小；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，但是可以節約很多的加工成本，隨著加工數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，還節約了經濟成本。總的來說，企業運用分度頭與三軸立式加工中心，會給企業帶來很多好處。

2.4 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生一個和進刀方向保持一致的力，導致了不能保持較高的加工精度。為了避免這種現象的發生，通常會在加工前現在工件的另一側加上一個頂尖；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。但是這種規定會加大刀具在切削時的振動頻率，導致了加工出來的零件質量偏低，所以加工工藝還需要有更多的改進。

3 結束語

隨著人們對PDC鉆頭數控加工工藝的持續性研究，對其進行不斷創新和完善，一方面，提高了PDC鉆頭零件的加工效率，有利于生產出高質量、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速度、經濟效益和產能建設，為企業和國家帶來了巨大的社會效益。同時該工藝在實踐中的多次創新和完善，可以積累一定的經驗，對PDC鉆頭的數控加工的長久發展，提供了寶貴的參考并具有指導意義。

參考文獻

[1]陳國慶.PDC鉆頭的發展趨勢[J].石油機械，2003，31：103-106.

[2]王隆太.機械CAD/CAM技術[M].北京：機械工業出版社，2004.

[3]孔慶復.計算機輔助設計與制造[M].哈爾濱工業大學出版社，1997.

[4]唐榮錫，汪嘉業，等.計算機圖形學教程[M].北京：科學出版社，2001.

[5]周濟，周艷紅.數控加工技術[M].北京：國防工業出版社，2002.

作者簡介：岑華（1977，5-），男，廣西壯族自治區河池市，碩士研究生，研究方向：數控技術、模具材料。