钢体钻头冠部参数化设计和数控加工工艺研究

姚长江

（大庆钻探工程公司，黑龙江大庆163461）

1 概述

PDC钻头按冠部材料不同可以划分成胎体式钻头和钢体式钻头，胎体式是通过混合的铸造碳化钨粉、浸渍料、助熔剂、铁粉等经无压浸溃烧结而成；钢体式是采用合金钢圆棒，通过数控加工成型。胎体式的表面质量高、耐冲蚀性强、保径效果好，唯一的难点在于制造工艺异常复杂致使其加工质量难以得到有效保证。钢体式的优势在于可数控加工复杂曲面及多水眼孔，制造成本低、精度高，质量可控，易修复，适合市场化、大批量生产。近几年国际原油价格不断探底，各大油田钻井开发由原来只注重进尺的提升转而注重质量的提升及成本的降低，对于钻井钻头提出了新的要求，迫切需要开发出更快速高效的钻头，以此来提升钻井效率、节约钻井成本。国内外知名的钻头生产厂家已经针对制造成本更低、钻井效率更高的钢体钻头开展了系统的研究与推广应用，形成了自己的钢体钻头生产线和系列产品。

2 钢体PDC钻头冠部设计

PDC钻头的设计主要工作在其冠部形状与布齿的研究上，冠部形状及其布齿的好坏直接影响钻头的钻进的速度和使用寿命。

2.1 钢体PDC钻头冠部剖面形状

冠部的设计要考虑到钻头的破岩效率、寿命和稳定性。冠部形状分为三个部分：内锥、冠顶和外锥。设计人员选择剖面线内锥部分绝大情况下都是直线，冠顶部分为圆弧结构，外锥部分有直线或圆弧。设计冠部轮廓曲线的基本设计模式有“直线—圆弧—直线形”、“直线—圆弧形”和“直线—圆弧—圆弧形”。

2.2 直线—圆弧—圆弧形剖面设计及参数

本文选择直线—圆弧—圆弧形剖面设计结构，图1为直线—圆弧—圆弧形剖面的示意图，该剖面由直线及双圆弧构成，直线与内圆弧相切，两圆弧相切，外圆弧与冠部外径相切。

图1 直线—圆弧—圆弧形剖面设计图

该剖面形状可用如下公式表示：

上式中具体参数计算如下：

其中：

式中：DP——冠部外径，mm；

R0——冠顶半径，mm；

α——内锥半角，（°）；

R1——内圆弧半径，mm；

R2——外圆弧半径，mm；

R02——外圆弧圆也径向坐标，mm；

H1、H2——内、外锥高度，mm。

通过上述DP、R0、α、R1、R2五个参数，钻头的冠部剖面形状可基本确立下来。DP、R0、α、R1、R2为钻头剖面的设计参数。一般钢体钻头冠部外径从110~445mm，内锥半角为57°~78°。

根据选择的钻头的剖面形状，依据计算公式可计算出钻头的剖面形状并对其进行相应的处理。

3 钢体钻头冠部数控加工工艺

目前国内外知名的钻头制造厂家，拥有独立自主产权的钻头设计软件、模拟、加工软件及设备,实现了CAD/CAE/CAM的数字一体化应用[1-2]。研发部进行钻头冠部剖面、布齿、水眼设计，Creo、UG等三维软件进行建模，专业编程软件进行刀路生成、程序仿真加工、生成NC代码，生产车间采用五轴联动数控加工中心进行钻头整体加工制造。目前，五轴联动数控加工中心购买成本比较高而且购买难度大，此外五轴加工中心的加工费用很高。因而，大部分制造厂家为了节省成本一般采用数控车床进行合金坯料的冠部毛坯加工，三轴数控铣床进行钻头排屑槽加工，五轴联动数控加工中心进行钻头齿窝、合金保径孔和水眼的加工，三维扫描设备对加工后的钻头进行扫描并生成模型，最后用三维检测软件将扫描模型与设计模型进行对比分析,验证加工质量，形成钢体钻头数控加工生产流水线，实现批量化生产制造。

3.1 钢体钻头数控加工工艺分析

根据钢体钻头的三维建模模型，结合钻头的高度、直径等特征进行分析。直径215.9mm钻头毛坯加工后的高度为253mm，最大直径225mm。因此采用直径为228mm，高度258mm合金锻造圆棒料。具体的加工工艺方案如下：首先数控车床车削加工毛坯，其次三轴数控铣削排屑槽，最后五轴数控钻铣齿窝和水眼，在保证加工质量的情况下，尽量降低成本和提高效率。

3.2 钢体钻头冠部数控车削加工

钢体钻头冠部车削加工尺寸对后续三轴和五轴数控加工具有重要的影响，为了避免后续数控加工过程出现由于尺寸偏差引起的撞刀、干涉等事件，因此必须严格保证车削加工尺寸和精度。采用数控车床，三爪卡盘装夹，工序为钻孔—车下端回转体—车上端曲面。钻孔工步为外圆车刀平端面中心钻打中心孔—钻头钻孔—镗刀镗孔—测量检验。车下端回转体工步为外圆车刀平端面—外圆车刀粗车轮廓—切槽刀车端面槽—切槽刀倒角—外圆车刀精车轮廓—测量检验。车上端曲面工步为掉头装夹—外圆车刀平端面—粗车外轮廓—精车外轮廓—测量检验。

3.3 钢体钻头数控三轴加工

钢体钻头可直接采用五轴联动数控加工中心进行排屑槽、齿窝、水眼加工，但是由于钻头在加工制造的过程中需要被去除的材料较多，因此钻头加工占机时间长，加工成本过大。通过完善三轴数控加工工艺及参数，可极大地提高钢体钻头的加工效率，有效降低制造成本。钢体钻头三轴数控加工工序普遍选择定位槽铣削—粗铣排屑槽与刀翼—精铣排屑槽与刀翼—冠部中心粗、半精、精铣。粗加工一般采用切深大、进给低、转速小的方式，刀路须保持平缓，不宜使用产生大量的空行程的偏置法，会造成加工效率特别低。为了更好维护机床的使用性能，必须要限制刀具的切深。精加工在高转速、高进给的条件下，一次进刀完成工件的精加工工艺，精加工后的工件表面精度高、效率也较高。依据设备、刀具及设计参数，进给速率可选择600~1200mm/min,转速可选择600~2000r/min。也有学者研究发现一种更为高效的冠部成型方法，无需进行排屑槽及刀翼—冠部中心的三轴粗精铣加工。

3.4 钢体钻头数控五轴加工

数控三轴铣削后，再利用五轴数控加工中心进行水眼、齿窝及保径孔复杂曲面的加工。四刀翼钢体钻头五轴数控加工工序为齿窝铣削—齿窝钻削—球刀钻孔—铣刀铣孔—钻头钻孔—铣刀精铣水眼。常规设计一般钻头刀翼间隔较小，钻头冠部中心位置的齿窝在加工时，可能会使刀具或主轴与其他刀翼发生碰撞，为改进此类设计加工弊端出现，有的学者在设计时将主刀翼连接，还有人提出一种单独加工刀翼的策略。加工钻头水眼在钻铣加工过程中存在偏离预定加工位置，为防止钻头在钻孔时孔打偏，需要提前在加工位置用中心钻加工导引孔，在导引孔的基础上进行直径为8~19mm齿窝孔的加工。

4 结论

(1)钢体PDC钻头采用合金结构钢,无需使用如铸造碳化钨粉、铜镍锰等有色金属原材料，有效降低了钻头制造成本。

(2)钢体PDC钻头冠部主体力学性能好,可以设计更加开放的刀翼空间及流道结构,从而提高机械钻速和钻井效率。

(3)钢体PDC钻头的基体易于修复,在包井市场可以有效节约钻井成本。

(4)钢体PDC钻头采用CAD/CAM数字化设计和加工制造，缩短钻头研发、设计、生产周期，保证钻头产品质量。