钻头设计

胎体式PDC钻头基础模具设计与成型工艺的研究

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)。

切削齿位置坐标系：以过02点的钻头半径平面作为02 X1Z1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。