PDC钻头模具三维设计和数控加工技术研究与应用(1)

PDC钻头模具三维设计和数控加工技术研究与应用
摘要本文对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。

像上述工艺就很难保证切削齿的位置，其准确程度主要依赖于修模人的水平。

难以保证实现设计的要求。

要对这样一个复杂的曲面的特征实体利用数控机床加工，就必须要进行数控编程，而对这样复杂形状的实体用手工进行编程在短时间是难以实现的，而且准确程度难以保证。

因此必须利用计算机辅助编程。

而要利用计算机辅助编程必须先建立模具三维模型，然后调用此模型，利用CAD／CAM系统软件的CAM(计算机辅助制造)模块功能实现计算机辅助数控。

切削齿位置和方向的准确定位是保证模具三维模型准确建立的前提。

因此，必须实现切削齿二维数据向三维的转化。

1.1.2 PDC钻头辅助设计二维数据的三维转化
确定切削齿的位置要素有两个，即切削平面中心的空间位置和切削平面方向。

空间位置参数包括切削齿中心在钻头上的半径R，轴向高度H和周向位置角θ。

切削平面的空间方向参数包括切削齿的仰角Φ(有的称齿前角)、侧向角β(有的称侧转角)和法向角(有的称装配角γ)(图8)。

切削齿角度采用以下定义：仰角Φ定义为切削齿工作面和齿柱轴线(对于钢体式PDC 钻头，下同)或齿中心处的钻头表面外法线(对于胎体式PDC钻头，下同)所
成的夹角；侧向角口定义为钻头在垂直于齿柱轴线或齿中心处的钻头表面外法线的平面上，切削齿工作面与钻头半径平面的夹角；法向角γ定义为齿柱轴线或齿中心处的钻头表面外法线与钻头轴线的夹角。

将PDC钻头布齿图上反映的二维数据三维化，从而进行切削齿的定位，切削平面的确立，这是保证PDC钻头模具三维造型的关键。

根据PDC钻头结构和运动的特点，建立如图8所示的复合坐标系统。

(1)钻头圆柱坐标系：以钻头轴线为竖轴O1H1，建立一个固定于钻头上的右手系圆柱坐标系O1R1θ1H1，切削齿中心02在该坐标系中的坐标为02(R、θ、H)，当钻头运动时 R、θ、H为常量。

(2)切削齿直角坐标系：为了表示切削齿上的几个空间方位角度之间的关系，在切削齿工作面中心O2处建立切削齿的复合直角坐标系统，它由四个空间直角坐标系组成，下面分别加以说明(图8)。

图8 PDC钻头几何结构参数及坐标系统
切削齿位置坐标系：以过02点的钻头半径平面作为02X1Z1平面，O2Y1垂直于该面，02Z1平行于O1H1，建立一个右手系的直角坐标系02X1Y1Z1。

切削齿装配坐标系：将02X1Y1Z1坐标系中的O2X1轴和O2Z1轴按装配角γ的方向绕O2Y1，轴旋转一个γ角度，即为切削齿装配坐标系02X2Y2Z2，坐标系的02Z2轴平行于齿柱轴线或过02点处的钻头表面外法线，02X2Z2仍在钻头半径平面内。

切削齿侧转坐标系：再将02X2Y2Z2坐标系中的02X2；轴和02Y2轴按侧转角β方向绕02Z2轴旋转一个β角度，即成切削齿侧转坐标系02X3Y3Z3，该坐标系的02X3轴在切削齿工作面内。

切削齿基本坐标系：再将02X3Y3Z3坐标系中的02Y3轴和02Z3轴按齿前角Φ的方向绕02X3轴旋转一个Φ角，即成切削齿基本坐标系02X4Y4Z4。

该坐标系的02X4Z4平面就是切削齿工作面，02Y4轴为切削齿工作面的法线。

至此，PDC钻头切削齿的空间位置参数二维和三维之间关系就完全联立起来，其他像冠部数据、水力结构数据二维和三维之间关系很简单，其对应关系就不在阐述。

1.2 PDC钻头模具三维设计(实体造型)研究
1.2.1 PDC钻头模具的特征分析
我们应用的是美国PTC公司开发的PRO／E软件，特征建模是其基本思想。

一个大型模型可以看成是由多个不同种类的特征按照一定方式组合生成的。

因此三维实体造型特征分析是高效的使用PRO／E的重要步骤，首先要对零件的整体有了解，将其分解为多个特征，分析特征之间是怎样相互关联的，然后再考虑这些特征如何生成。

从简单的几何形状入手，经过特征的不断组合从而形成一个较复杂的零件。

现在使用的PDC钻头绝大多数都是翼片式钻头。

尽管PDC钻头的规格、型号不同，但在基本结构上是相同的。

有几个刀翼、排屑槽和水眼。

每个刀翼只不过是切削齿个数不同，翼的宽窄、形状不同。

因此可以归结为单刀翼处理。

PDC钻头的结构是通过PDC钻头模具
来保证的，同理可以将一个PDC钻头模具看成由不同的单个刀翼组成的。

这个单刀翼模具也只不过是切削齿个数不同，翼的宽窄、形状不同。

按照钻头模具本身的功能和PRO／E建模的特点，将钻头模具拆分成冠部形状、切削齿位置、齿窝形状、切削刀翼四个部分。

1.2.2 PDC钻头模具三维设计过程(应用PRO／E建模过程)
(1)石墨毛坯特征建立。

利用PRO／E软件，用特征-创建-实体-加防料一拉伸功能，建立一个零件图(*．PRT)，如图9所示。

(2)冠部特征建立。

在上面零件的基础上，用特征-创建-实体-剪切材料一旋转功能，根据PDC钻头模具冠部形状尺寸，建立一个零件图（*．PRT)，如图10所示。

(3)切削齿位置定位特征建立。

在底模冠部特征的基础上，利用PDC钻头布齿图上切削齿的辅助设计数据，根据二维数据的三维转化原理，建立不同的参考面，参考轴，确定切削平面、切削齿中心，用特征-创建-实体-加材料-拉伸功能，建立齿的空间位置。

依次建立其余齿的位置，存为零件图*．PRT，如图11所示。

(4)齿窝形状特征建立。

切削齿窝主要是预留放置石墨替片和烧结后形成切削齿支撑的部分。

用特征-创建-实体-剪切材料一旋转功能，根据齿窝形状尺寸，得到齿窝形状特征。

如图12所示。

(5)切削刀翼特征建立。

利用PRO／E的特征-新建-加材料-高级-混合命令，根据底模排屑块的尺寸，建立第一截面形状，第二截面形状，输入拉伸距离，完成建模。

再加以倒角和圆滑过度。

最后得到如图13所示特征，即单刀翼的底模特征。

至此，PDC钻头的一个刀翼形状已完成，同理，依次制作其他刀翼的底模形状，之后组合在一起，成为一个PDC钻头底模形状(图14)。

这里没有水眼的定位位置，由于水眼结构简单，利用手工编程，直接加工就可完成水眼的空间定位。

1.3 PDC钻头模具实体造型参数化研究
前面已经建立了一个标准典型的单刀翼模具的实体模型。

针对此标准典型化的单刀翼的实体模型应用PRO／PROGRAM二次开发工具，进行PDC 钻头模具的参数化设计。

主要由以下几个过程组成：将钻头拆分并找出各部分特征尺寸、创建实体模型、定义特征参数、输入特征参数、修改特征参数。

由于像钻头模具这样复杂的特征，零件表中上百个参数依次排列下来，很难弄清楚参数和模型实体上各个部位尺寸之间的对应关系。

这给设计人员使用带来了麻烦。

因此把PRO／PROGRAM程序用Visual Basic程序界面包装起来，把所有的参数进行概念化，使PRO／PROGRAM部分对用户而言是透明的，在程序界面上，出现是以汉字表示的钻头设计人员所熟悉的专业术语，并且按照零件的特征进行分类排列。

设计人员依据设计钻头的具体数修改相应参数，参数修改完毕后，自动保存为PRO／PROGRAM所需要的数据文件格式，再在VB界面上设置接口，直接调用PRO／E程序，用PRO／PRO—GRAM的“读入文件”功能调用这个数据文件来实现参数化设计，这样大大加强了参数化设计的实用性，提高模具三维设计的速度和准确性。

2 PDC钻头模具数控加工技术的研究
最终实现利用数控机床，运行数控加工程序，实现按照设计和工艺要求自动定位、加工，实现一次装卡、模具一次成形的数控加工技术，除了正确建立模具的三维模型，还需要进行数控加工工艺艺、计算机辅助制造(计算机辅助数控编程)、数控加工程序的编辑等研究。

有了三维模型只要合理确定加工工艺，熟练运用CAM(计算机辅助制造)功能模块，再结合具体数控机床和工艺要求进行修改和添加就能得到由CNC系统接受的数控加工程序。

再经过试加工模具、不断地探索和调整，就能掌握相应的数控加工工艺技术。

对此不进行深入的阐述，只作一个整体的介绍。

2.1 PDC钻头模具数控加TT艺研究
根据PDC钻头模具的形状特点、数控加工中心的功能特点与局限、模具材料属性和模具的加工质量要求确定了具体的加工工艺(表1)。

表 1 根据模具材料属
性和模具的加工质量确定的制造参数
参数粗加工精加工
切割进度(mm/min)
1500 1800
加工步距深度(mm) 5 默认
跨度(mm) 8 0.5
配置毛坯允许(mm) 2 0
转轴速率(r/min) 1600 2000
根据模具形状特征进行的工序划分：
车削加
工
铣削加
工
钻削加
工
工步、加工形式和刀具的选择：
车削加工：粗车→精车，硬质合金车刀(T1)。

钻削加工：依据水眼大小选择相应尺寸的钻头(T6-T8)。

2.2 PDC钻头模具计算机辅助制造研究(计算机辅助数控编程)
本文应用的是一体化的CAD／CAM系统(Pro／ENGINEER)，其以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型，也就是调用前面建立的PDC钻头模具的三维模型。

结合已经确定的PDC钻头模具数控加工工艺，然后利用CAM系统的五个模块(即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块)获得能够被数控机床接受的NC(数控)指令。

2.3 模具数控加工程序的获得
上述经过CAM系统生成的NC代码，要想用于数控机床加工还必须经过进一步编辑修改。

要结合具体的数控加工设备以及工艺参数加入必要NC 代码，如加入换刀信息、换刀命令、主轴转速、C轴和B轴旋转角度，坐标
系的变换等。

需要修改和加入内容具有一定的规律性，为了提高工作效率和准确性，应用VB语言编制了“PDC钻头模具数控加工程序自动编排软件”。

应用该软件实现了快速、准确、简洁化的NC程序编排。

这样就形成一个能够由于加工，实现模具形状要求的数控程序。

下面是编制的“PDC钻头模具数控加工程序自动编排软件”的部分功能模块界面(图15)。

图15 PDC钻头模具数控加工程序自动编排软件的部分功能模块界面
2.4 PDC钻头模具数控加工过程(图16)
3 应用效果
截止到2003年12月应用PDC钻头模具数控加工工艺，利用数控加工中心，共加工各种钻头模具290只，制造成品钻头200只，投入现场使用130只。

2003年4月在大庆钻井二公司试验了两只钻头，每只钻头都完钻三
口井，进尺在3500m以上，平均机械钻速达到28.8m／h以上，高于此地区手工修模制作钻头的平均指标5％以上。

在钻井一公司使用钻头52只，三环钻井公司使用钻头71只，没有一只钻头出现质量问题，钻头指标高于以往手工修模的钻头。

钻头指标的提高、钻头质量的稳定标志着我们开发的模具数控加工技术已经成熟，其模具的三维造型方法能够准确实现设计的要求，配套工艺技术能够保证加工的质量。

应用模具的数控加工技术比原来减少3个修模工，每只模具缩短工时2.5h，到目前为止创造直接经济效益16.1万元，同时钻头失效率大大降低，钻头技术指标提高进一步缩短钻井周期，节约钻井成本，创造间接经济效益17.19万元。

加快了油田的开发速度，提高油田的产能建设，具有良好的社会效益。