鋼體鉆頭冠部參數(shù)化設計和數(shù)控加工工藝研究

姚長江

（大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163461）

1 概述

PDC鉆頭按冠部材料不同可以劃分成胎體式鉆頭和鋼體式鉆頭，胎體式是通過混合的鑄造碳化鎢粉、浸漬料、助熔劑、鐵粉等經無壓浸潰燒結而成；鋼體式是采用合金鋼圓棒，通過數(shù)控加工成型。胎體式的表面質量高、耐沖蝕性強、保徑效果好，唯一的難點在于制造工藝異常復雜致使其加工質量難以得到有效保證。鋼體式的優(yōu)勢在于可數(shù)控加工復雜曲面及多水眼孔，制造成本低、精度高，質量可控，易修復，適合市場化、大批量生產。近幾年國際原油價格不斷探底，各大油田鉆井開發(fā)由原來只注重進尺的提升轉而注重質量的提升及成本的降低，對于鉆井鉆頭提出了新的要求，迫切需要開發(fā)出更快速高效的鉆頭，以此來提升鉆井效率、節(jié)約鉆井成本。國內外知名的鉆頭生產廠家已經針對制造成本更低、鉆井效率更高的鋼體鉆頭開展了系統(tǒng)的研究與推廣應用，形成了自己的鋼體鉆頭生產線和系列產品。

2 鋼體PDC鉆頭冠部設計

PDC鉆頭的設計主要工作在其冠部形狀與布齒的研究上，冠部形狀及其布齒的好壞直接影響鉆頭的鉆進的速度和使用壽命。

2.1 鋼體PDC鉆頭冠部剖面形狀

冠部的設計要考慮到鉆頭的破巖效率、壽命和穩(wěn)定性。冠部形狀分為三個部分：內錐、冠頂和外錐。設計人員選擇剖面線內錐部分絕大情況下都是直線，冠頂部分為圓弧結構，外錐部分有直線或圓弧。設計冠部輪廓曲線的基本設計模式有“直線—圓弧—直線形”、“直線—圓弧形”和“直線—圓弧—圓弧形”。

2.2 直線—圓弧—圓弧形剖面設計及參數(shù)

本文選擇直線—圓弧—圓弧形剖面設計結構，圖1為直線—圓弧—圓弧形剖面的示意圖，該剖面由直線及雙圓弧構成，直線與內圓弧相切，兩圓弧相切，外圓弧與冠部外徑相切。

圖1 直線—圓弧—圓弧形剖面設計圖

該剖面形狀可用如下公式表示：

上式中具體參數(shù)計算如下：

其中：

式中：DP——冠部外徑，mm；

R0——冠頂半徑，mm；

α——內錐半角，（°）；

R1——內圓弧半徑，mm；

R2——外圓弧半徑，mm；

R02——外圓弧圓也徑向坐標，mm；

H1、H2——內、外錐高度，mm。

通過上述DP、R0、α、R1、R2五個參數(shù)，鉆頭的冠部剖面形狀可基本確立下來。DP、R0、α、R1、R2為鉆頭剖面的設計參數(shù)。一般鋼體鉆頭冠部外徑從110~445mm，內錐半角為57°~78°。

根據(jù)選擇的鉆頭的剖面形狀，依據(jù)計算公式可計算出鉆頭的剖面形狀并對其進行相應的處理。

3 鋼體鉆頭冠部數(shù)控加工工藝

目前國內外知名的鉆頭制造廠家，擁有獨立自主產權的鉆頭設計軟件、模擬、加工軟件及設備,實現(xiàn)了CAD/CAE/CAM的數(shù)字一體化應用[1-2]。研發(fā)部進行鉆頭冠部剖面、布齒、水眼設計，Creo、UG等三維軟件進行建模，專業(yè)編程軟件進行刀路生成、程序仿真加工、生成NC代碼，生產車間采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心進行鉆頭整體加工制造。目前，五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心購買成本比較高而且購買難度大，此外五軸加工中心的加工費用很高。因而，大部分制造廠家為了節(jié)省成本一般采用數(shù)控車床進行合金坯料的冠部毛坯加工，三軸數(shù)控銑床進行鉆頭排屑槽加工，五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心進行鉆頭齒窩、合金保徑孔和水眼的加工，三維掃描設備對加工后的鉆頭進行掃描并生成模型，最后用三維檢測軟件將掃描模型與設計模型進行對比分析,驗證加工質量，形成鋼體鉆頭數(shù)控加工生產流水線，實現(xiàn)批量化生產制造。

3.1 鋼體鉆頭數(shù)控加工工藝分析

根據(jù)鋼體鉆頭的三維建模模型，結合鉆頭的高度、直徑等特征進行分析。直徑215.9mm鉆頭毛坯加工后的高度為253mm，最大直徑225mm。因此采用直徑為228mm，高度258mm合金鍛造圓棒料。具體的加工工藝方案如下：首先數(shù)控車床車削加工毛坯，其次三軸數(shù)控銑削排屑槽，最后五軸數(shù)控鉆銑齒窩和水眼，在保證加工質量的情況下，盡量降低成本和提高效率。

3.2 鋼體鉆頭冠部數(shù)控車削加工

鋼體鉆頭冠部車削加工尺寸對后續(xù)三軸和五軸數(shù)控加工具有重要的影響，為了避免后續(xù)數(shù)控加工過程出現(xiàn)由于尺寸偏差引起的撞刀、干涉等事件，因此必須嚴格保證車削加工尺寸和精度。采用數(shù)控車床，三爪卡盤裝夾，工序為鉆孔—車下端回轉體—車上端曲面。鉆孔工步為外圓車刀平端面中心鉆打中心孔—鉆頭鉆孔—鏜刀鏜孔—測量檢驗。車下端回轉體工步為外圓車刀平端面—外圓車刀粗車輪廓—切槽刀車端面槽—切槽刀倒角—外圓車刀精車輪廓—測量檢驗。車上端曲面工步為掉頭裝夾—外圓車刀平端面—粗車外輪廓—精車外輪廓—測量檢驗。

3.3 鋼體鉆頭數(shù)控三軸加工

鋼體鉆頭可直接采用五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心進行排屑槽、齒窩、水眼加工，但是由于鉆頭在加工制造的過程中需要被去除的材料較多，因此鉆頭加工占機時間長，加工成本過大。通過完善三軸數(shù)控加工工藝及參數(shù)，可極大地提高鋼體鉆頭的加工效率，有效降低制造成本。鋼體鉆頭三軸數(shù)控加工工序普遍選擇定位槽銑削—粗銑排屑槽與刀翼—精銑排屑槽與刀翼—冠部中心粗、半精、精銑。粗加工一般采用切深大、進給低、轉速小的方式，刀路須保持平緩，不宜使用產生大量的空行程的偏置法，會造成加工效率特別低。為了更好維護機床的使用性能，必須要限制刀具的切深。精加工在高轉速、高進給的條件下，一次進刀完成工件的精加工工藝，精加工后的工件表面精度高、效率也較高。依據(jù)設備、刀具及設計參數(shù)，進給速率可選擇600~1200mm/min,轉速可選擇600~2000r/min。也有學者研究發(fā)現(xiàn)一種更為高效的冠部成型方法，無需進行排屑槽及刀翼—冠部中心的三軸粗精銑加工。

3.4 鋼體鉆頭數(shù)控五軸加工

數(shù)控三軸銑削后，再利用五軸數(shù)控加工中心進行水眼、齒窩及保徑孔復雜曲面的加工。四刀翼鋼體鉆頭五軸數(shù)控加工工序為齒窩銑削—齒窩鉆削—球刀鉆孔—銑刀銑孔—鉆頭鉆孔—銑刀精銑水眼。常規(guī)設計一般鉆頭刀翼間隔較小，鉆頭冠部中心位置的齒窩在加工時，可能會使刀具或主軸與其他刀翼發(fā)生碰撞，為改進此類設計加工弊端出現(xiàn)，有的學者在設計時將主刀翼連接，還有人提出一種單獨加工刀翼的策略。加工鉆頭水眼在鉆銑加工過程中存在偏離預定加工位置，為防止鉆頭在鉆孔時孔打偏，需要提前在加工位置用中心鉆加工導引孔，在導引孔的基礎上進行直徑為8~19mm齒窩孔的加工。

4 結論

(1)鋼體PDC鉆頭采用合金結構鋼,無需使用如鑄造碳化鎢粉、銅鎳錳等有色金屬原材料，有效降低了鉆頭制造成本。

(2)鋼體PDC鉆頭冠部主體力學性能好,可以設計更加開放的刀翼空間及流道結構,從而提高機械鉆速和鉆井效率。

(3)鋼體PDC鉆頭的基體易于修復,在包井市場可以有效節(jié)約鉆井成本。

(4)鋼體PDC鉆頭采用CAD/CAM數(shù)字化設計和加工制造，縮短鉆頭研發(fā)、設計、生產周期，保證鉆頭產品質量。