CN104353833A - 一种pdc钻头体的3d打印制造方法 - Google Patents

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王明波
孙晓东
李罗鹏
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Abstract

本发明涉及一种PDC钻头体的3D打印制造方法。其技术方案是包括以下步骤：建立PDC钻头体的三维模型；对上述三维模型进行二维化处理；根据上述形成的二维图形生成相应的激光扫描路径；在增材制造设备加工平台上均匀地铺设多层金属材料粉末；按所述激光扫描路径扫描所述加工平台上的金属材料粉末，采用线切割的方式将PDC钻头体从加工平台表面分离；以设计的PDC钻头体的技术要求为准，对钻头体进行喷焊耐磨层各种工艺处理；经探伤、清洗，最终形成制造完成PDC钻头体。有益效果是：克服了采用传统减材制造方法制作的PDC钻头体结构形式单一的问题，同时其极大地弥补了传统机加工和铸造工艺的缺陷，提高了PDC钻头的整体性能、制作效率、降低了制作成本。

Description

一种PDC钻头体的3D打印制造方法
技术领域
本发明涉及一种石油开发钻井装置，特别涉及一种PDC钻头体的3D打印制造方法。
背景技术
    石油钻井过程中，PDC钻头由于具有使用寿命较长、钻进速度较快等特性而被广泛应用，PDC钻头体主要由与钻杆连接的丝扣、钻头体和焊接在钻头体的刀片三个部分组成，钻头体上设置有喷嘴孔，钻头体是金刚石钻头上起关键作用的部件，目前，PDC钻头体的制造主要有两种方法，一是采用粉末冶金与钢体经模具组合烧结而成，另一种是采用圆钢经锻造车铣加工而成，再将切削齿镶嵌在钻头体上，属于“减材制造”的机械生产方法，这两种方法制造周期长、成本高，并且焊接处成为钻头的薄弱环节，难以实现降能环保和降低钻井成本的需求。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种PDC钻头体的3D打印制造方法，克服传统PDC钻头体制作繁琐、成本高、周期长的问题。
其技术方案是包括以下步骤：
(1)建立PDC钻头体的三维模型；
(2)对上述三维模型进行二维化处理，即将所述电脑三维模型沿Z轴方向按相等的层厚分割成一系列二维图形；
(3)根据上述形成的二维图形生成相应的激光扫描路径；
(4)在增材制造设备加工平台上均匀地铺设第一层金属材料粉末，所述金属材料粉末的颗粒直径在30-60μm左右，厚度约为0.01mm-0.05mm；
(5)利用高能激光或电子束按所述激光扫描路径扫描所述加工平台上的金属材料粉末，扫描后的金属材料粉末熔化后固结于所述加工平台表面上；
(6)在已经熔结了一层金属材料粉末的加工平台表面上铺设第二层金属材料粉末，厚度约为0.01mm-0.05mm；
(7)依次重复步骤(5)、(6)，直至PDC钻头体熔结完毕；
(8)再将熔结成型后的PDC钻头体与加工平台一起从增材制造设备中移出，清理PDC钻头体表面与内部浮粉，采用线切割的方式将PDC钻头体从加工平台表面分离；
(9)以设计的PDC钻头体的技术要求为准，对钻头体进行喷焊耐磨层各种工艺处理；
(10)经探伤、清洗，最终形成制造完成PDC钻头体。
上述的金属材料粉末采用碳化钨、合金钢或者是二者的混合物。
本发明的有益效果是：采用增材制造的方法来进行PDC钻头体的制作，通过电脑控制聚焦高能激光束或电子束的扫描路径，在高温下局部熔化粉末金属材料、并逐层堆积，从而根据三维复杂电脑模型直接生成致密的PDC钻头实体，因而能根据客户要求设计制造不同结构的PDC钻头体，克服了采用传统减材制造方法制作的PDC钻头体结构形式单一的问题，同时其极大地弥补了传统机加工和铸造工艺的缺陷，提高了PDC钻头的整体性能、制作效率、降低了制作成本。
附图说明
附图1是本发明的结构示意图；
附图2是本发明的制作流程框图；
上图中：丝扣1、卸扣槽2、喷嘴孔3、刮刀翼4、PDC切削齿5、保径与冠部6、钻头体7。
具体实施方式
    为了进一步了解本发明的发明内容、过程和功效，以下结合技术方案和附图以通过一种PDC钻头体的3D打印制造方法为例来说明本发明的具体实施例：
本实施例中的PDC钻头体结构示意图，如图1所示，其具体操作步骤如图2所示。根据设计具体要求，使用如AutoCAD、Unigraphics NX，Pro-E或者CATIA等三维作图软件设计PDC钻头体的整体三维模型，包括PDC钻头体的丝扣1、卸扣槽2、喷嘴孔3、刮刀翼4、PDC切削齿5、保径与冠部6、钻头体7等，使用软件RP-Tools对PDC钻头体的三维模型进行二维化处理：
即将该结构在Z轴方向切割成层厚均为0.01μm的一系列二维图形层片，再将该系列二维图形导入软件EOS PSW3. 5，该软件根据图像自动计算出每一层二维图形的激光扫描路径及使用参数，再在设备加工平台表面铺展第一层金属材料粉末，然后计算机将根据导入PSW3. 5的首张二维图像控制聚焦激光在粉层的相应位置进行扫描，高能的聚焦激光熔化其扫描路径范围内的金属材料粉末，并将其与加工平台牢牢的固定在一起。第一层烧结完毕后，在加工平台表面铺展第二层金属材料粉末，之后电脑控制激光光源依照第二层数模的图形选择性熔化金属材料粉末，并与第一层结构融合在一起，重复依次上述第二层烧结步骤，直到完成整个PDC钻头体的制造，然后将与熔结于加工平台的PDC钻头体与加工平台一起从增材制造设备中移出，清理PDC钻头体表面与内部浮粉，采用线切割的方式将PDC钻头体从加工平台表面分离，根据设计要求再对成形的PDC钻头体进行各种工艺处理，并进行最后的探伤、清洗等工序，直至最终达到设计要求。
其中，上述提到的增材制造设备采用德国EOS公司生产的EOSINT M280金属粉末激光烧结系统，配套软件为PSW3.5。

Claims (2)

1.一种PDC钻头体的3D打印制造方法，其特征是包括以下步骤：
(1)建立PDC钻头体的三维模型；
(2)对上述三维模型进行二维化处理，即将所述电脑三维模型沿Z轴方向按相等的层厚分割成一系列二维图形；
(3)根据上述形成的二维图形生成相应的激光扫描路径；
(4)在增材制造设备加工平台上均匀地铺设第一层金属材料粉末，所述金属材料粉末的颗粒直径在30-60μm左右，厚度约为0.01mm-0.05mm；
(5)利用高能激光或电子束按所述激光扫描路径扫描所述加工平台上的金属材料粉末，扫描后的金属材料粉末熔化后固结于所述加工平台表面上；
(6)在已经熔结了一层金属材料粉末的加工平台表面上铺设第二层金属材料粉末，厚度约为0.01mm-0.05mm；
(7)依次重复步骤(5)、(6)，直至PDC钻头体熔结完毕；
(8)再将熔结成型后的PDC钻头体与加工平台一起从增材制造设备中移出，清理PDC钻头体表面与内部浮粉，采用线切割的方式将PDC钻头体从加工平台表面分离；
(9)以设计的PDC钻头体的技术要求为准，对钻头体进行喷焊耐磨层各种工艺处理；
(10)经探伤、清洗，最终形成制造完成PDC钻头体。
2.根据权利要求1所述的PDC钻头体的3D打印制造方法，其特征是：所述的金属材料粉末采用碳化钨、合金钢或者是二者的混合物。
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