鉆頭設計

1、胎體式PDC鉆頭基礎模具設計與成型工藝的研究本文對PDC鉆頭模具三維設計和數(shù)控加工一體化技術的方法、步驟和相關工藝技術進行了研究。解決了PDC鉆頭模具輔助設計二維數(shù)據(jù)的三維轉化問題，提出了模具三維造型和參數(shù)化開發(fā)的方法，并應用CAD／CAM系統(tǒng)軟件PRO／E建立了PDC鉆頭模具三維模型，應用PRO／PROGRAM(程序)開發(fā)模塊進行PDC鉆頭模具造型的參數(shù)化開發(fā)，并編制了相應的參數(shù)化開發(fā)軟件，提高了PDC鉆頭模具造型速度和準確性。在建立

2、PDC鉆頭模具三維造型的基礎上，確定了模具數(shù)控加工工藝，摸索出一套利用PRO／E軟件進行PDC鉆頭模具計算機輔助制造的方法和步驟，實現(xiàn)了PDC鉆頭模具一次裝卡、一次成形的高精度自動化數(shù)控加工技術。關鍵詞PDC鉆頭模具三維設計數(shù)控加工技術CAD／CAM聚晶金剛石復合片鉆頭(簡稱PDC鉆頭)由鉆頭體、接頭組成，根據(jù)鉆頭體按材料的不同分為胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭。胎體PDC鉆頭的鉆頭體是采用鑄造碳化鎢粉和浸漬料經(jīng)無壓浸漬燒結而成的。鉆頭

3、體形狀是通過模具的形狀而間接實現(xiàn)的。模具由底模、中模和上模三部分組成。模具的中模和上模的設計與加工都很容易實現(xiàn)。但底模是具有復雜曲面特征的實體，PDC鉆頭的冠部形狀參數(shù)、切削齒位置和方向參數(shù)、水力結構參數(shù)等都是通過底模的形狀來實現(xiàn)的。因此底模的設計和加工是模具設計和加工中最重要的一部分，其設計的好壞和加工的精度都直接關系到鉆頭的最終使用效果。高質量的模具是保證PDC鉆頭質量的關鍵因素之一。目前國內PDC鉆頭模具的形成主要有三種方法。第一

4、種(應用最多的，如圖1所示)是利用普通車床車削形成鉆頭冠部形狀，依靠分度頭手工劃線定位、普通萬能銑床銑削完成切削齒和水眼的加工，再通過手工修模完成水力結構的造型等多道工序完成的。這種加工方法的缺點是工人勞動強度大、加工精度低、人為誤差大，難以控制和保證質量，很難達到設計的要求。第二種是數(shù)控加工，利用數(shù)控機床加工形成鉆頭的冠部形狀和切削齒的定位，然后再通過手工修?；蛘哒成舷鄳螤畛尚蔚乃Y構(粘上以后也要進行一定的手工修理)而最后形成模

5、具的。這種加工方法的缺點是并未實現(xiàn)完全意義上的數(shù)控加工，切削平面確立和過度還需手工進行完善，存在一定的誤差。第三種是利用橡膠模進行成形，首先將加工好的模具先形成橡膠模，再利用此橡膠模通過澆鑄形成模具。這種加工方法的缺點是產(chǎn)品的改形困難，橡膠模的質量要好，相應的加工工藝要完善，尤其是獲得橡膠模的原始模具必須保證質量，而實現(xiàn)模具的形狀必然要通過上述兩種方法，這兩種方法的缺點也必然體現(xiàn)在它的上面。國外PDC鉆頭CAD／CAM一體化高度集成，設

6、計和制造有機結合起來。首先進行產(chǎn)品設計，由1.1.2PDC鉆頭輔助設計二維數(shù)據(jù)的三維轉化確定切削齒的位置要素有兩個，即切削平面中心的空間位置和切削平面方向?？臻g位置參數(shù)包括切削齒中心在鉆頭上的半徑R，軸向高度H和周向位置角θ。切削平面的空間方向參數(shù)包括切削齒的仰角Φ(有的稱齒前角)、側向角β(有的稱側轉角)和法向角(有的稱裝配角γ)(圖8)。切削齒角度采用以下定義：仰角Φ定義為切削齒工作面和齒柱軸線(對于鋼體式PDC鉆頭，下同)或齒中心

7、處的鉆頭表面外法線(對于胎體式PDC鉆頭，下同)所成的夾角；側向角口定義為鉆頭在垂直于齒柱軸線或齒中心處的鉆頭表面外法線的平面上，切削齒工作面與鉆頭半徑平面的夾角；法向角γ定義為齒柱軸線或齒中心處的鉆頭表面外法線與鉆頭軸線的夾角。將PDC鉆頭布齒圖上反映的二維數(shù)據(jù)三維化，從而進行切削齒的定位，切削平面的確立，這是保證PDC鉆頭模具三維造型的關鍵。根據(jù)PDC鉆頭結構和運動的特點，建立如圖8所示的復合坐標系統(tǒng)。(1)鉆頭圓柱坐標系：以鉆頭軸

8、線為豎軸O1H1，建立一個固定于鉆頭上的右手系圓柱坐標系O1R1θ1H1，切削齒中心02在該坐標系中的坐標為02(R、θ、H)，當鉆頭運動時R、θ、H為常量。(2)切削齒直角坐標系：為了表示切削齒上的幾個空間方位角度之間的關系，在切削齒工作面中心O2處建立切削齒的復合直角坐標系統(tǒng)，它由四個空間直角坐標系組成，下面分別加以說明(圖8)。切削齒位置坐標系：以過02點的鉆頭半徑平面作為02X1Z1平面，O2Y1垂直于該面，02Z1平行于O1H

9、1，建立一個右手系的直角坐標系02X1Y1Z1。切削齒裝配坐標系：將02X1Y1Z1坐標系中的O2X1軸和O2Z1軸按裝配角γ的方向繞O2Y1，軸旋轉一個γ角度，即為切削齒裝配坐標系02X2Y2Z2，坐標系的02Z2軸平行于齒柱軸線或過02點處的鉆頭表面外法線，02X2Z2仍在鉆頭半徑平面內。切削齒側轉坐標系：再將02X2Y2Z2坐標系中的02X2；軸和02Y2軸按側轉角β方向繞02Z2軸旋轉一個β角度，即成切削齒側轉坐標系02X3Y3