面向PDC鉆頭的三軸數控機床改進模塊研究*

馬少華　鹿德臺　馬建民　 劉振東

(中國石油大學(華東)石油工業訓練中心，山東 青島 266580)

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面向PDC鉆頭的三軸數控機床改進模塊研究*

馬少華鹿德臺馬建民 劉振東

(中國石油大學(華東)石油工業訓練中心，山東 青島 266580)

對常用三軸數控機床進行改進設計以適用于PDC鉆頭加工。首先分析PDC鉆頭的加工特征，明確加工工藝。然后根據PDC鉆頭的實際加工情況和三軸數控機床的特點，設計機床改進模塊和控制軟件。最后與三軸機床結合，試加工PDC鉆頭。解決了普通三軸數控機床無法加工PDC鉆頭和五軸數控機床加工PDC鉆頭的高成本等問題。

PDC鉆頭；五軸數控機床；三軸數控機床；改進模塊

1　研究意義

在油田開發中，鉆井占據重要地位，據估計，在某些油田的投資開發中，鉆井投資占35%～40%[1]。聚晶金剛石復合片PDC鉆頭是鉆井作業中的重要工具，目前其進尺量已占鉆井總進尺量的60%左右[2]。PDC鉆頭結構無運動部件，整個鉆頭是一個整體，適用于軟到中等硬度均質地層中破巖。與應用廣泛的牙輪鉆相比，PDC鉆頭工作穩定、鉆速提高2倍以上、進尺速度提高4～6倍[3]。高效率、低成本地生產PDC鉆頭已成為當前石油工業中的迫切需求。

隨著能源等行業的發展，PDC鉆頭的功能更加高端、設計更加復雜，齒窩、水孔等帶有空間復雜位置度要求的特征已經超出了三軸加工中心的加工范圍[4]。目前PDC鉆頭的生產多采用五軸加工中心。但是，這僅使用了五軸加工中心的空間斜孔等小部分多軸加工能力，浪費了五軸加工中心的大部分功能，高成本的五軸加工中心造成了PDC鉆頭的高成本。對低成本的三軸數控機床改進以適用于PDC鉆頭低成本加工，有利于推廣PDC鉆頭在鉆井領域的應用，降低油田開發成本。

2　PDC鉆頭的加工特征

如圖1所示，本文將PDC鉆頭分解成鉆頭體、刀翼、切削齒、冠部、水眼等加工特征，通過分析特征參數，明確加工要求，指導三軸數控機床改進模塊設計。

2.1建立PDC鉆頭坐標系

為了準確描述PDC鉆頭各個特征，建立由鉆頭圓柱坐標系o-ρφh、切削齒工作面坐標系和切削齒基準面坐標系組成的PDC鉆頭坐標系，如圖2所示。各特征的參數首先轉換成圓柱坐標系下的絕對坐標，然后轉換成笛卡爾坐標系下的坐標，形成加工數據。

2.2建立特征化模塊

鉆頭體是PDC鉆頭的基礎結構特征，數學模型是一條二維曲線旋轉而成的柱體，特征參數有鉆頭體半徑、鉆頭體高度、鉆頭體內錐半角、鉆頭體圓角。

刀翼外形由樣條曲線來表示，關鍵點坐標控制刀翼形狀，特征參數有刀翼外厚度、刀翼內厚度、刀翼高度、鉆頭半徑、樣條曲線點坐標。

鉆頭冠部的數學模型是一條曲線經過拉伸形成，常用的冠部曲線有A型：直線-圓弧-直線；B型：直線-圓弧；C型：直線-雙圓弧；D型：直線-圓弧-拋物線，如圖3所示。

切削齒的數學模型是一個柱體(切削齒)和一個半球體(支撐切削齒)的組合體，其中，柱體和半球體的直徑相等，特征參數有齒直徑、齒徑向坐標、齒高、后傾角、側轉角、刀翼號。

水眼數學模型是圓柱，需要在PDC鉆頭裝配體的基礎上添加通孔。因此，水眼的特征參數為水眼直徑、水眼軸線與鉆頭軸線的夾角。

2.3加工工藝

根據PDC鉆頭尺寸選擇恰當的圓柱式毛坯并進行初步的車削加工，獲得鉆頭輪廓體、下半部分的準確形狀和后續加工所需的定位孔、裝夾槽，提高加工效率。水平裝夾毛坯，進行兩刀翼間復雜曲面加工，并根據刀翼特征參數依次旋轉一定角度完成所有刀翼間加工。同時銑削一個與h軸垂直的基準面，確保每次裝夾的基準一致。鉆頭立式裝夾，銑削頂部輪廓；鉆頭水平裝夾，加工齒窩；鉆頭立式裝夾，加工水眼。工藝流程如圖4所示。

3　三軸數控機床改進模塊

針對PDC鉆頭的加工，本文對立式三軸數控機床進行改進，設計一個可拆卸的機床改進模塊，即PDC工作臺，實現以下功能：

①水平裝夾PDC鉆頭并可繞X軸旋轉，加工刀翼曲面和齒窩。

②豎直裝夾PDC鉆頭并可繞Z軸旋轉、繞Y軸擺動，加工鉆頭頂部和水眼。實施方案如圖5所示。

3.1工作臺設計

為了實現毛坯的初步車削加工和對PDC鉆頭的刀翼之間曲面加工、齒窩加工，設計水平夾具，實現立式數控機床的刀具對PDC鉆頭的加工。由于刀翼和齒窩沿鉆頭體周向分布以及三軸數控機床的刀具不具備角度旋轉功能，將水平夾具設計成具有繞水平X軸旋轉的功能，定義為A軸。伺服電動機3通過V型帶驅動夾具內蝸輪蝸桿機構實現A軸旋轉工作。

為了加工PDC鉆頭的頂部和水眼，設計立式夾具，便于立式數控機床的刀具對鉆頭加工。另外，水眼沿鉆頭體周向分布，因此將夾具設計成具有繞豎直Z軸旋轉的功能，定義為C軸。伺服電動機2通過V型帶驅動夾具內蝸輪蝸桿機構實現C軸旋轉功能。由于水眼軸線與豎直軸有一定傾斜角度，因此需要將PDC鉆頭繞水平Y軸旋轉一定角度，使水眼軸線豎直，便于三軸機床刀具的Z向進給加工，定義為B軸。此功能有伺服電動機1通過減速裝置驅動蝸輪蝸桿機構實現。

刀具加工PDC鉆頭時，對鉆頭周向和軸線方向產生一定的作用力，因此工作臺的夾具應具有自鎖功能。蝸輪蝸桿的自鎖性可實現夾具位置的鎖定。

3.2數控系統設計

為了實現PDC工作臺各個運動軸的加工動作，設計專門的數控系統，包括用戶界面層、核心運動控制層以及二者間的交互層，具體軟件結構如圖6所示。

用戶界面層：采用C#語言設計，實現加工中心與操作者之間的信息交互。根據2.2節分析，輸入鉆頭參數，迅速構建PDC鉆頭特征，數控系統根據內嵌PDC鉆頭加工工藝自動生成NC加工代碼，以控制本項目設計的加工模塊。同時，數控系統調用動態鏈接庫TaskData和ManuCmd，對NC代碼進行處理，編譯為加工數據，下傳至交互層。同時，從交互層獲取加工模塊狀態信息并顯示，便于操作者查看。

核心運動控制層：由于PDC鉆頭加工過程需要實時控制，本層采用響應較快的C++語言編寫。數控系統首先調用動態鏈接庫motion對交互層下傳的加工數據進行邏輯處理；根據加工數據類型不同，motion分別調用動態鏈接庫auto、manu、PLC進行相應的邏輯運算和運動插補，指令傳至任務調度模塊；最后，任務調度模塊通過通訊模塊EtherMAC將指令傳送至控制器執行，同時獲取控制器狀態信息，并反饋至交互層。

交互層：通過調用動態鏈接庫IO、Task、Status對加工信息和加工模塊狀態信息進行邏輯處理，實現用戶界面層和核心運動控制層之間的信息交互。

4　結語

在中國石油大學(華東)校級重點教學項目“加工中心實踐教學研究”支持下，以國家級石油工業訓練教學示范中心和國家級石油勘探與開發虛擬仿真教學單位為平臺，本文對PDC鉆頭的加工情況進行分析研究，設計了一款升級模塊并在中心的FANUC三軸加工中心MV-60上進行測試，可以完成PDC鉆頭加工。加工現場如圖7所示。經過近2年測試，效果表明：

(1)與原“三軸+五軸”生產方式相比，降低了一線工人的勞動強度，生產時間縮短了1/3左右。

(2)可以生產多種改進型PDC鉆頭，并成功應用于勝利油田、大慶油田等。

本項目初步解決了PDC鉆頭的空間復雜曲面難加工和五軸數控機床加工成本高的問題，降低PDC鉆頭的生產成本，便于PDC鉆頭生產的推廣使用。

[1]陳康民.PDC鉆頭頭部流場可視化裝置[P]，：中國，02283641.1.2003-12-17.

[2] 杜濱.PDC鉆頭數控加工工藝開發應用[D].濟南：山東大學，2013.

[3] 劉程.PDC鉆頭三維設計技術研究[D].北京：中國石油大學，2008.

[4] 岑華.PDC鉆頭數控加工工藝開發應用探討[J].科技創新與應用，2015(1)：84.

(編輯孫德茂)

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The research of three axis NC machine tool improvement module for PDC bit

MA Shaohua, LU Detai, MA Jianmin, LIU Zhendong

(Petroleum Industry Training Center,China University of Petroleum, Qingdao 266580,CHN)

A three axis NC machine tool improvement module is designed in this paper. Firstly, the processing characteristics of PDC bit are analyzed to determine the processing technology. Secondly, according to the actual working condition of the PDC bit and the characteristics of the three axis NC machine tool, machine tool improvement module and control software are designed. Finally, the PDC bit is processed using the improved module. This solved the problems of difficulties for ordinary three axis NC machine tools in processing PDC bit and high cost of machining PDC bits using five axis NC machine tools.

PDC bit; five axis NC machine tool; three axis NC machine tool; improvement module

TE921

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.028

馬少華，男，1985年生，碩士研究生，助教，主要研究方向為石油機械、數控技術。

2016-02-18)

160644

* 中國石油大學(華東) 教學研究與改革項目(SY-A201202)