摘 要：石油天然氣開(kāi)采過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到一些巖石的阻礙，我們需要利用多種工具將巖石破開(kāi)，運(yùn)用最多的破巖工具是PDC鉆頭，其進(jìn)尺量占到了總進(jìn)尺量的六成以上；PDC鉆頭的工作性能會(huì)對(duì)鉆井質(zhì)量、鉆井進(jìn)度和鉆井成本產(chǎn)生直接影響，而它高強(qiáng)度、高韌性的特點(diǎn)保證了流道面積大的性能，為生產(chǎn)節(jié)約了較大的成本，所以人們對(duì)PDC鉆頭的需求也越來(lái)越大。但是，我國(guó)的PDC鉆頭加工技術(shù)起步較晚，在使用和研發(fā)方面缺乏足夠的經(jīng)驗(yàn)，很難保證PDC鉆頭的質(zhì)量和使用壽命。文章通過(guò)PDC鉆頭的分類、特點(diǎn)、發(fā)展過(guò)程和加工工藝等方面對(duì)PDC數(shù)控加工工藝開(kāi)發(fā)應(yīng)用展開(kāi)了討論。

關(guān)鍵詞：PDC鉆頭；數(shù)控加工；工藝

1 PDC鉆頭分類

PDC鉆頭主要是依靠聚晶金剛石復(fù)合片和鉆頭本體按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而組成的一個(gè)組合體，實(shí)現(xiàn)了鉆井過(guò)程中利用聚晶金剛石復(fù)合片切削巖石的工作原理。根據(jù)鉆頭本體的構(gòu)成材料、加工方法和形狀架構(gòu)上的不同，PDC鉆頭可以分為胎體式PDC鉆頭和鋼體式PDC鉆頭。胎體式PDC鉆頭主要是利用了釬焊技術(shù)，把金剛石復(fù)合片焊接在鉆頭胎體上，最后形成了具有切削功能的鉆頭，而鉆頭的胎體是由鑄造碳化鎢粉燒結(jié)而成。這種胎體式PDC鉆頭的特點(diǎn)是，加工成本低，加工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，而鉆頭體強(qiáng)度差，對(duì)復(fù)合片進(jìn)行冷卻時(shí)的流道面積小，但是胎體的構(gòu)成成分主要是碳化鎢，所以具有較好的抗腐蝕性。鋼體式PDC鉆頭的本體原材料是通過(guò)二次加工的金屬材料，利用熱加工技術(shù)先在鉆頭體上打孔，再把聚晶金剛石復(fù)合片打入鉆頭體內(nèi)，然后在鉆體表面鍍上抗腐蝕的硬質(zhì)金屬材料，防止鉆體受到腐蝕。這種PDC鉆頭的特點(diǎn)是，整個(gè)金屬鉆頭體是通過(guò)二次加工后所形成的，保證了完整的韌性和強(qiáng)度，而且對(duì)復(fù)合片進(jìn)行冷卻時(shí)的流道面積大，極大地避免了鉆頭泥包現(xiàn)象的發(fā)生，與胎體式PDC鉆頭相比，其制作成本也相對(duì)較低。但是鉆頭本體大部分是由普通金屬材料構(gòu)成，耐沖蝕性能方面存在一定的不足。

2 PDC鉆頭數(shù)控加工工藝

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)和科技的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用也是越來(lái)越普遍。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心對(duì)一般零件的加工包括了葉片、葉輪、螺旋槳葉片等，此外還涉及了對(duì)一些復(fù)雜的多面曲面的加工，例如：鉆孔、銑孔等孔類零件。五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的成本相對(duì)較高，而且缺乏一些先進(jìn)的國(guó)外設(shè)備的支持，在我國(guó)的普及率還是不夠高；在工時(shí)上，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心的加工工時(shí)比普通加工中心的工時(shí)要高出好幾倍；處于以上限制因素的考慮，企業(yè)必定會(huì)站在節(jié)約資源的角度出發(fā)，選擇其他的加工方式來(lái)代替五軸聯(lián)動(dòng)加工。

2.1 零件加工工藝

通過(guò)PDC鉆頭的三維數(shù)模和加工特征組合來(lái)看，對(duì)深度、寬度、最小圓角半徑等進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，可以得出這樣的結(jié)果：PDC鉆頭從毛坯階段到成品階段會(huì)除去大量原材料，而鉆頭本身的上部分為冠狀部分由刀翼、水道、齒窩、水孔等復(fù)雜曲面和空間斜孔組成，這里依靠三軸和五軸加工中心加工完成；鉆頭的下半部分是一個(gè)回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，通過(guò)車削加工技術(shù)，不但可以獲得符合條件的零件外形和尺寸，還可以得到較高的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。所以通常在選擇加工工藝時(shí)，需要以零件的基本特征為依據(jù)，再結(jié)合零件能夠帶來(lái)的實(shí)際經(jīng)濟(jì)效益，最大限度地降低成本輸出。

2.2 車削加工

車削加工主要是事先去除零件中的一些多余材料，以此來(lái)減少加工中心的工作任務(wù)；此外，通過(guò)車削加工可以保證PDC鉆頭下半部分的形狀的完整性和精確性；最后，車削加工為三軸及五軸加工做了基礎(chǔ)準(zhǔn)備，即在這一過(guò)程中已經(jīng)完成了對(duì)定位孔和裝夾槽的加工。

2.3 三軸加工

PDC鉆頭冠狀部分的復(fù)雜曲面眾多，而且刀翼的前刀面是倒扣的，由于有些曲面斜率過(guò)大甚至超過(guò)90度，導(dǎo)致立式加工中心無(wú)法滿足這種零件的加工；在保持原有裝夾方式的條件下，雖然可以利用臥式加工中心或五軸加工中心來(lái)完成這樣的加工任務(wù)，但是由于需要除去較多的原材料，工作量較大，使得加工時(shí)間延長(zhǎng)，而且也加大了成本投入，綜合考慮，還是依靠三軸立式加工中心來(lái)加工，但是需要進(jìn)行一定的修改，原來(lái)的工件裝夾方式是保證回轉(zhuǎn)中心與刀具平行的，現(xiàn)在修改為與刀具垂直即可。先把工件安裝在分度頭上，利用分度頭來(lái)帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)，從而計(jì)算出合理的角度、刀翼斜率和流道大??；在實(shí)際加工過(guò)程中，由于刀翼的曲面和刀翼間的角度是不同的，所以需要對(duì)刀翼間的角度進(jìn)行重新測(cè)量和記錄。與五軸加工中心加工相比，這種方法雖然操作步驟比較繁瑣，但是可以節(jié)約很多的加工成本，隨著加工數(shù)量和加工人員的增加，工人的操作熟練度會(huì)越來(lái)越高，不僅提升了工作效率，還節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本?？偟膩?lái)說(shuō)，企業(yè)運(yùn)用分度頭與三軸立式加工中心，會(huì)給企業(yè)帶來(lái)很多好處。

2.4 三軸立式加工

等到裝在分度頭上的工件完成加工后，說(shuō)明了PDC鉆頭冠狀部周圍已經(jīng)完成了基本的加工，但是頂部的中心位置還沒(méi)有得到加工。在實(shí)際加工過(guò)程中，工件會(huì)受到自身重量和切削力的影響，被安裝在分度頭上后工件會(huì)產(chǎn)生一個(gè)和進(jìn)刀方向保持一致的力，導(dǎo)致了不能保持較高的加工精度。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，通常會(huì)在加工前現(xiàn)在工件的另一側(cè)加上一個(gè)頂尖；在臥式加工的過(guò)程中，想要對(duì)鉆頭頂部進(jìn)行加工，由于受到大直徑工件的限制，就要避開(kāi)刀柄與刀翼的影響，這對(duì)刀具提出了一定的要求，即刀具的懸伸長(zhǎng)度要大于工件的半徑。但是這種規(guī)定會(huì)加大刀具在切削時(shí)的振動(dòng)頻率，導(dǎo)致了加工出來(lái)的零件質(zhì)量偏低，所以加工工藝還需要有更多的改進(jìn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著人們對(duì)PDC鉆頭數(shù)控加工工藝的持續(xù)性研究，對(duì)其進(jìn)行不斷創(chuàng)新和完善，一方面，提高了PDC鉆頭零件的加工效率，有利于生產(chǎn)出高質(zhì)量、高壽命的鉆頭；另一方面，擴(kuò)大了PDC鉆頭在天然氣油田開(kāi)采中的使用功能，有利于提高油田的開(kāi)發(fā)速度、經(jīng)濟(jì)效益和產(chǎn)能建設(shè)，為企業(yè)和國(guó)家?guī)?lái)了巨大的社會(huì)效益。同時(shí)該工藝在實(shí)踐中的多次創(chuàng)新和完善，可以積累一定的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PDC鉆頭的數(shù)控加工的長(zhǎng)久發(fā)展，提供了寶貴的參考并具有指導(dǎo)意義。

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作者簡(jiǎn)介：岑華（1977，5-），男，廣西壯族自治區(qū)河池市，碩士研究生，研究方向：數(shù)控技術(shù)、模具材料。