0 引言

    模具成型是燒結(jié)式PDC鉆頭制造中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是準(zhǔn)確實(shí)施鉆頭設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，模具成型精度及質(zhì)量直接影響成品PDC鉆頭的性能。在PDC鉆頭新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要反復(fù)修改驗(yàn)證鉆頭各設(shè)計(jì)參數(shù)，而模具多次成型的時(shí)間直接影響新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。

    為縮短燒結(jié)式PDC鉆頭開(kāi)發(fā)周期，開(kāi)發(fā)了軟模成型工藝，并成功應(yīng)用于燒結(jié)式PDC鉆頭模具成型中，降低了鉆頭的開(kāi)發(fā)周期，并降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。該工藝中基礎(chǔ)模具成型是關(guān)鍵技術(shù)，是決定成品鉆頭的外形尺寸精度和研發(fā)周期的重要因素。

    為解決基礎(chǔ)模具成型困難，精度要求高的難題，一直在尋求有效地解決辦法。目前，常用的基礎(chǔ)模成型工藝主要有2種：①傳統(tǒng)的機(jī)械加工與手工相結(jié)合；②數(shù)控加工。傳統(tǒng)機(jī)械加工是采用銑齒、修補(bǔ)、組合等方法進(jìn)行模具加工，加工過(guò)程工人手工操作量大，精度與效率受限于工人技術(shù)水平與熟練程度，難以滿足布齒要求越來(lái)越高的PDC鉆頭設(shè)計(jì)。數(shù)控加工雖然能夠滿足模具精度要求，但是在復(fù)雜曲面模具加工，尤其是深型腔加工過(guò)程中需要分模，單個(gè)加工并組合，對(duì)編程人員的技術(shù)水平有較高要求，由于是組合模具，精度也受到一定的影響，且加工成本較高。為解決這一難題，本文將3D打印技術(shù)引入鉆頭模具制造領(lǐng)域，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，取得了較好效果。

1 3D打印技術(shù)原理

    3D打印技術(shù)。即增材制造技術(shù)，是根據(jù)三維計(jì)算機(jī)數(shù)字模型，采用逐層堆積的方法成型零件，適合于個(gè)性化、小批量、形狀復(fù)雜、中空等零部件制造。該技術(shù)能在幾小時(shí)或幾十小時(shí)內(nèi)直接從CAD三維實(shí)體模型制作出原型，與圖紙和計(jì)算機(jī)屏幕提供的信息相比，快速成型提供了一個(gè)信息更豐富、更直觀的實(shí)體。

    (1)3D打印技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

    與傳統(tǒng)機(jī)械加工方法相比，3D打印技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

    ①加工周期短  3D打印技術(shù)由CAD模型直接驅(qū)動(dòng)打印設(shè)備進(jìn)行加工，能夠快速完成任意復(fù)雜形狀的三維實(shí)體零件，特別是在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，利用快速成形技術(shù)全面考慮各種因素，力爭(zhēng)開(kāi)發(fā)能夠一次獲得成功，從而縮短開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，避免投資風(fēng)險(xiǎn)；

    ②加工精度高  3D打印技術(shù)加工精度與材料顆粒大小以及分層厚度相關(guān)。目前打印材料的粒徑已經(jīng)能夠完全滿足鉆頭模具精度要求，只要在加工過(guò)程中減小分層厚度，可滿足精度要求，且目前大部分廠家工業(yè)級(jí)設(shè)備成型精度均可達(dá)到±0.1mm；

    ③3D打印產(chǎn)品能滿足鉆頭基礎(chǔ)模具要求  目前3D打印材料通常采用樹(shù)脂、尼龍等進(jìn)行激光照射燒結(jié)，能夠滿足基礎(chǔ)模具對(duì)穩(wěn)定性和強(qiáng)度的要求。

    (2)3D打印技術(shù)分類與優(yōu)選

    快速成型技術(shù)有10余種，每一種的具體原理都不一樣，但是主要都是根據(jù)電腦數(shù)據(jù)制造出一層?xùn)|西，然后在這層?xùn)|西上面再制造一層?xùn)|西，如此類推，直至制造出整個(gè)立體模型。根據(jù)快速成型技術(shù)所采用的原材料和工藝的不同，最常見(jiàn)的原理有LOM、SLS、FDM、SLA、SLM和3DP。

    作為成品鉆頭最前端的基礎(chǔ)模具，要求其精度高，過(guò)度流暢，外表光滑，常溫下不變形，保存時(shí)間長(zhǎng)，成型速度快。選擇3D打印設(shè)備及其耗材應(yīng)充分考慮這些要求。

    目前SLA技術(shù)主要用于制造多種模具、模型等；還可以在原料中通過(guò)加入其它成分，用SLA原型模代替熔模精密鑄造中的蠟?zāi)！�SLA技術(shù)成形速度較快，精度較高。其工作原理如圖1所示，該技術(shù)更能適合鉆頭模具成型加工。

圖1 SLA技術(shù)工作原理圖

1.激光器2.固化的樹(shù)脂層3.升降平臺(tái)4.激態(tài)樹(shù)脂5.激光束6.掃描系統(tǒng)

2 鉆頭模具制造

    (1)模具加工

    采用3D打印技術(shù)制造鉆頭基礎(chǔ)模具，模具的打印工藝流程如圖2所示。

圖2 模具的打印工藝流程

    ①模型設(shè)計(jì)  首先利用NX軟件設(shè)計(jì)模具三維模型；

    ②數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化  設(shè)計(jì)的三維模型須利用NX軟件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，將其轉(zhuǎn)換為快速成型設(shè)備能識(shí)別的STL數(shù)據(jù)格式；

    ③模型診斷  為確保三維模型成功打印，輸入3D打印機(jī)之前，須采用專用軟件進(jìn)行模型診斷，確保無(wú)誤后，方可輸入打印機(jī)；

    ④分層處理  打印設(shè)備對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行分層處理，層厚與精度密切相關(guān)，層厚越小，精度越高，效率越低。為兼顧精度和效率，本文φ113胎體式弧角鉆頭模具的層厚設(shè)計(jì)為0.1mm；

    ⑤設(shè)置打印工藝參數(shù)  打印工藝參數(shù)與設(shè)備性能，材料類型，模具精度要求等密切相關(guān)。是通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究總結(jié)出來(lái)的一組經(jīng)驗(yàn)值；

    ⑥模具打印  打印參數(shù)設(shè)置好后就可以進(jìn)行打印，無(wú)人值守，該模具6h內(nèi)完成打印作業(yè)。打印好的模具還需要進(jìn)行后期處理和檢驗(yàn)；

    ⑦后期處理  后處理工序主要是提高模具本質(zhì)強(qiáng)度、美化外觀、對(duì)原型件缺失進(jìn)行修補(bǔ)和修復(fù)，提高表面質(zhì)量。

    本文以φ113燒結(jié)式PDC弧角鉆頭為例，3D技術(shù)打印的鉆頭模具如圖3所示。

圖3 3D打印鉆頭基礎(chǔ)模具

    (2)模具檢測(cè)

    由于弧角鉆頭各切削齒空間位置由中心距、切削角、側(cè)轉(zhuǎn)角以及周向角等參數(shù)組成。且鉆頭冠部形狀不規(guī)則，曲面形狀復(fù)雜，采用常規(guī)方法難以進(jìn)行檢測(cè)，本文使用了HandyScan手持式激光三維掃描儀對(duì)3D打印模具（見(jiàn)圖3）進(jìn)行了掃描，生成的三維圖像如圖4所示，通過(guò)與三維模型對(duì)比，3D打印的模具與設(shè)計(jì)模型基本吻合。本次打印的φ113燒結(jié)式PDC弧角鉆頭模具具有較高的尺寸精度，打印模型與設(shè)計(jì)模型尺寸誤差≤0.1mm。

圖4 三維掃描生成模型

3 鉆頭試制與野外實(shí)驗(yàn)

    采用3D打印技術(shù)制造了φ113燒結(jié)式PDC弧角鉆頭基礎(chǔ)模具，按照軟模成型工藝試制了2只鉆頭，并在淮南顧橋煤礦進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)。

    (1)鉆場(chǎng)與設(shè)備情況

    試驗(yàn)地點(diǎn)為顧橋礦鉆機(jī)工區(qū)1125 (1)運(yùn)順底抽巷，鉆孔為穿層孔，穿層過(guò)程中有兩段硬質(zhì)粉砂巖。現(xiàn)場(chǎng)采用鉆機(jī)為ZDY3200S分體式液壓鉆機(jī)，使用鉆桿為φ73/63.5高抗扭試驗(yàn)鉆桿。

    (2)鉆頭使用情況

    試驗(yàn)鉆頭的進(jìn)尺情況如表1所示。

表1 試驗(yàn)鉆頭使用統(tǒng)計(jì)

    工區(qū)現(xiàn)用普通三翼內(nèi)凹鉆頭單只平均壽命約為150m左右，進(jìn)尺效率18～20m/h；試驗(yàn)用新產(chǎn)品鉆頭使用2只，總進(jìn)尺分別為607.2m和832.2m，平均效率為24m/h。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)鉆頭的使用壽命與現(xiàn)有三翼內(nèi)凹鉆頭相比有了大幅度的提高。圖5、圖6為2只試驗(yàn)鉆頭使用前使用后的對(duì)比圖。

圖5 1*鉆頭使用前后照片

圖6 2*鉆頭使用前后照片

4 結(jié)語(yǔ)

    利用3D打印技術(shù)可以制作任意復(fù)雜曲面形狀的模具，將該技術(shù)引入鉆頭模具制造，配合現(xiàn)有軟模成型工藝，加工鉆頭基礎(chǔ)模具用于鉆頭制造，改進(jìn)了傳統(tǒng)模具加工工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜結(jié)構(gòu)及唇面形狀的PDC鉆頭高效研發(fā)。與目前常用的基礎(chǔ)模成型技術(shù)相比，可得出如下結(jié)論：

    (1)簡(jiǎn)化加工工序，可直接由CAD模型驅(qū)動(dòng)設(shè)備打印，無(wú)需銑削操作，可降低工時(shí)，提高效率；能夠應(yīng)用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的鉆頭，且無(wú)需分模編程，對(duì)技術(shù)人員無(wú)特殊技能要求，縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，提高工作效率；

    (2)試驗(yàn)證明，3D打印技術(shù)制作的基礎(chǔ)模具能夠在精度、強(qiáng)度以及表面光潔度等方面滿足鉆頭設(shè)計(jì)要求，且精度高于普通工藝加工的模具；

    (3)基于3D打印技術(shù)制作的PDC鉆頭在現(xiàn)場(chǎng)野外試驗(yàn)中，取得了較長(zhǎng)的使用壽命與較高的鉆進(jìn)效率。

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