CN109648720B - 基于保证同一个pdc钻头中所有刀翼加工成型精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于保证同一个PDC钻头中所有刀翼加工成型精度的方法，将需要加工的钻头安装在固定装置中，刀具安装在往复机构中；主动力机构上安装有凸轮，将与凸轮进行接触的滚轮安装在连接臂中，随着凸轮转动始终保持凸轮和滚轮进行接触；固定装置每次转动的工位使得钻头上待加工刀翼位于刀具的工作区域正面，凸轮进行转动使得刀具与钻头进行靠近或者远离，实现对钻头的刀翼加工，凸轮每转一周与固定装置的工位匹配。本发明利用固定装置与凸轮机构形成配合，使得每条刀翼都得到相同精度的加工，从而保证刀翼精度，使得钻头的精确度满足钻孔时要求，相对于现有加工方式，其提高了加工效率，降低了劳动强度。

Description

基于保证同一个PDC钻头中所有刀翼加工成型精度的方法

技术领域

本发明涉及PDC钻头加工技术领域，具体涉及一种基于保证同一个PDC钻头中所有刀翼加工成型精度的方法。

背景技术

PDC钻头是聚晶金刚石复合片钻头的简称。是地质钻探行业常用的一种钻井工具。其实它的演变是从金刚钻演变来的，主要分为以下两类：

1、胎体式PDC钻头：

胎体式金刚石复合片钻头是将金刚石复合片通过钎焊方式焊接在钻头胎体上的一种切削型钻头。胎体钻头用碳化钨粉末烧结而成，用人造聚晶金刚石复合片钎焊在碳化钨胎体上，用天然金刚石保径。

2、钢体式PDC钻头：

钢体PDC钻头，是用镍、铬、钼合金机械加工成形。经过热处理后在钻头体上钻孔，将人造聚晶金刚石复合片压入(紧配合)钻头体内，用柱状碳化钨保径。

按照适用行业分类：

1、地质勘探用复合片钻头：

主要用于地质勘察勘探的复合片钻头，适用于软到中硬岩层，现在有些厂家新研发的新型复合片可以应用到十级硬度的岩层。

2、煤田钻采用复合片钻头：

主要是用于煤矿上煤层钻探采挖。一般来讲煤田的岩层相对较软，复合片钻头被大量应用，如锚杆钻头，三翼钻头等。

3、石油勘探用复合片钻头：

主要是应用在油气田的钻采用钻头。目前来说，油田用复合片钻头是所有复合片钻头里面造价最高，要求最高的。可以说是复合片钻头里面的贵族了。

近年间，PDC切削齿的质量和类型都发生了巨大的变化。如果将20世纪80年代的齿与当今的齿进行比较的话，差异是相当大的。由于混合工艺与制造工艺的变化，当今的切削齿的质量性能要好得多，使钻头的抗冲蚀以及抗冲击能力都大为提高。

工程师们还对碳化钨基片与人造金刚石之间的界面进行了优化，以提高切削齿的韧性。层状金刚石工艺方面的革新也被用于提高产品的抗磨蚀性和热稳定性。

除了材料和制造工艺方面的发展以外，PDC产品在齿的设计技术和布齿方面也实现了重大的突破。现在，PDC产品已可被用于以前所不能应用的地区，如更硬、磨蚀性更强和多变的地层。这种向新领域中的扩展，对金刚石(固定切削齿)钻头和牙轮钻头之间的平衡发生了很大的影响。

最初，PDC钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。PDC钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着PDC齿质量的不断提高，这种情况越发凸显。

由于钻头设计和齿的改进，PDC钻头的可定向性也随之提高，这进一步削弱了过去在马达钻井中牙轮钻头的优势。目前，PDC钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市场。

目前进行PDC钻头进行加工时，都是采用烧结或者浇注成型，而成型后由于钻头本身结构的特殊性，需要对其轮廓进行加工，形成钻头对应面的结构，以保证钻头钻孔时的稳定性，防止出现偏移或者抖动，目前进行加工时都是人工根据经验手动方式来加工，加工时质量不易控制，会影响钻头钻孔的精确度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有钻头上刀翼都是通过人工手动方式进行加工，加工时质量不易控制，最终会影响钻头钻孔的精确度，其目的在于提供一种基于保证同一个PDC钻头中所有刀翼加工成型精度的方法，该方法通过采用机械方式进行加工，利用固定装置与凸轮机构形成配合，使得每条刀翼都得到相同精度的加工，从而保证刀翼精度，使得钻头的精确度满足钻孔时要求。

本发明通过下述技术方案实现：基于保证同一个PDC钻头中所有刀翼加工成型精度的方法，包括以下步骤：

(1)将需要加工的钻头安装在对应的固定装置中，刀具安装在往复机构中；

(2)将连接臂顶端与往复机构连接，连接臂中部连接主动力机构，连接臂底端连接辅助动力机构；

(3)主动力机构上安装有凸轮，将与凸轮进行接触的滚轮安装在连接臂中，随着凸轮转动始终保持凸轮的轮面和滚轮的轮面进行接触；

(4)固定装置每次转动的工位使得钻头上待加工刀翼位于刀具的工作区域正面，随着凸轮进行转动，使得刀具与钻头进行靠近或者远离，实现对钻头的刀翼加工，凸轮每转一周与固定装置的工位匹配。

钻头上刀翼数量一般都是三条及三条以上，每条刀翼都决定了钻头钻孔时的稳定性，但是由于刀翼和钻头都是采用铸造或者烧结形成，这个方式成型的结构精度较差，都需要进行精修才能满足要求，将每条刀翼的厚度以及尺寸等保持一致，传统人工加工对于每条刀翼加工始终会有不一致的地方，影响后续钻井时的精度，本方案则是利用滚轮和凸轮结合的原理，保证每条刀翼加工时连接臂摆动轨迹一致，即主动力机构带动凸轮转动，凸轮带动滚轮转动，使得连接臂每个周期摆动轨迹统一，则往复机构每次往复动作一致，使得刀具对刀翼的切割距离一致，即每条刀翼与工具接触后余留的尺寸一致，刀翼最终成型后的质量统一，加工精度大大提高，在达到每条刀翼沿着钻头体的中心线均匀分布的同时，刀翼厚度一致，在钻井时能够保证钻井的精度。

根据连接臂的动作需求，将连接臂设计为依次连接的上臂、中臂和下臂，上臂与往复机构连接，且上臂能够绕着与中臂的连接处转动，传动机构安装在中臂处，下臂与辅助动力机构连接，且下臂能够绕着与中臂的连接处转动。下臂与辅助动力机构连接，且下臂能够绕着与中臂的连接处转动，滚轮安装在中臂处且能够绕着自身轴线转动，凸轮与主动力机构的转轴连接，在凸轮转动过程中凸轮和滚轮能够保持接触。利用将连接臂根据需要设计为多节结构，使得根据需要进行相应角度的转动，再结合凸轮与滚轮，使得整个设备移动达到工作需要的行程。

而往复机构包括导轨，导轨顶面内凹形成导向槽，导向槽中设置有导向块，且导向块的侧壁与导向槽的侧壁匹配，导向槽顶面凸起形成安装台，安装台靠近中臂，安装台上固定有导向轴，导向轴一端穿过导向块，且导向块能够在导向槽中沿着导向轴的外壁移动，导向轴的外壁上套有弹簧，弹簧的两端分别与安装台和导向块固定，导向块顶部设置有工作板，且工作板设置在导轨上方，工作板顶部与上臂连接，刀具安装在工作板朝向固定装置的端面上。往复机构的作用是形成往复运动，使得每条刀翼加工得到的参数能够保持一致，通过连接臂摆动带动其移动，再配合导向槽和导向块的结构特征，限定其移动轨迹，防止在加工时收到切削力度而产生轨迹偏移，弹簧能够使得回位动作迅速。

为了防止连接臂摆动冲击力度太大，还设置了缓冲机构，将下臂和中臂的连接处位于缓冲机构之间，使得在下臂以及中臂摆动时能够分别与缓冲机构接触，为了保证缓冲时两侧都能够得到缓冲，缓冲机构包括两组，每组缓冲机构均包括挡板、缓冲弹簧、缓冲杆、支撑杆以及安装板，缓冲弹簧、缓冲杆和支撑杆设置在挡板和安装板之间，挡板靠近连接臂，支撑杆均与对应的挡板远离连接臂的端面固定，缓冲弹簧和缓冲杆均设置在支撑杆和安装板之间，且缓冲弹簧同时与支撑杆和安装板固定，缓冲弹簧套在缓冲杆的外壁上，下臂和中臂设置在挡板之间，在下臂以及中臂摆动时能够分别与对应的挡板接触。这样下臂在辅助动力机构带动摆动时，能够对下臂和中臂的结合点进行保护，防止高强度、高硬度的撞击造成连接处结构破坏，或者回位时间太长影响加工质量。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明通过采用机械方式进行加工，利用固定装置与凸轮机构形成配合，使得每条刀翼都得到相同精度的加工，从而保证刀翼精度，使得钻头的精确度满足钻孔时要求，相对于现有加工方式，其提高了加工效率，降低了劳动强度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-工作板，2-销轴一，3-耳板，4-弹簧，5-上臂，6-销轴二，7-中臂，8-主动力机构，9-通槽，10-销轴三，11-滚轮，12-支撑杆，13-安装板，14-下臂，15-辅助动力机构，17-销轴四，18-挡板，19-缓冲弹簧，20-缓冲杆，21-转轴，22-凸轮，23-安装台，24-导向槽，25-导向轴，26-导轨，27-导向块，28-固定装置，29-刀翼，30-钻头，31-刀具。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，基于保证同一个PDC钻头中所有刀翼加工成型精度的方法，其硬件结构包括连接臂，连接臂包括依次连接的上臂5、中臂7和下臂14，设置有销轴二6同时穿过上臂5和中臂7，且上臂5和中臂7能够同时绕着销轴二6的轴线转动，中臂7远离上臂5的一端设置有销轴四17，销轴四17同时穿过中臂7和下臂14，且中臂7和下臂14均能够同时绕着销轴四17的轴线转动，将上臂5与往复机构连接，下臂14与辅助动力机构15连接，往复机构包括导轨26，导轨26顶面内凹形成导向槽24，导向槽24中设置有导向块27，且导向块27的侧壁与导向槽24的侧壁匹配，使得导向块27在导向槽24中移动能够进行限定，每次来回移动的轨迹保持在同一条直线上，而在导向槽24顶面凸起形成安装台23，安装台23设置在导向槽24靠近中臂7的一端，还在安装台23上固定有导向轴25，导向轴25一端穿过导向块27，导向块27在导向槽24中移动时其实也是沿着导向轴25移动，导向轴25作为贯穿导向块27的部件，进一步增加导向功能，在导向槽24和导向轴25的双重导向限位下，使得导向块27移动轨迹保持在一条直线上，那么加工钻头时每条刀翼都在规定的尺寸，还在导向轴25的外壁上套有弹簧4，弹簧4的两端分别与安装台23和导向块27固定，弹簧4作为拉动导向块27，其一端与安装台23固定保持不动，另一端与导向块27连接，根据导向块27的移动需求使得弹簧4进行压缩或者拉伸，实现导向块27快速回位，为了实现上臂5与往复机构的连接，在导向块27顶部设置有工作板1，且工作板1设置在导轨26上方，刀具31安装在工作板1朝向固定装置28的端面上，工作板1顶部固定有两块耳板3，上臂5远离中臂7的一端插入耳板3之间，耳板3之间设置有销轴一2，销轴一2穿过上臂5后两端分别设置在耳板3中，且上臂5能够绕着销轴一2的轴线转动。

为了实现往复运动的传动，通过滚轮11和凸轮22接触的方式来实现周期性转动接触，在中臂7内凹形成通槽9，滚轮11安装在通槽9中，滚轮11中设置有销轴三10，销轴三10穿过滚轮11后两端插入通槽9壁面，且滚轮11能够绕着销轴三10的轴线在通槽9中转动，滚轮11的轮面突出于中臂7，而凸轮22设置在连接臂外部，凸轮22与主动力机构8的转轴21连接，凸轮22在主动力机构8带动下转动过程中凸轮22和滚轮11能够接触，通过凸轮22不同轮面接触实现中臂7的摆动。

而为了实现摆动时的缓冲，还设置有两组缓冲机构，缓冲机构包括两组，每组缓冲机构均包括挡板18、缓冲弹簧19、缓冲杆20、支撑杆12以及安装板13，缓冲弹簧19、缓冲杆20和支撑杆12设置在挡板18和安装板13之间，挡板18靠近连接臂，支撑杆12均与对应的挡板18远离连接臂的端面固定，缓冲弹簧19和缓冲杆20均设置在支撑杆12和安装板13之间，且缓冲弹簧19同时与支撑杆12和安装板13固定，缓冲弹簧19套在缓冲杆20的外壁上，下臂14和中臂7设置在挡板18之间，在下臂14以及中臂7摆动时能够分别与对应的挡板18接触。

在实际进行工作时，将需要加工的钻头30安装在对应的固定装置28中，工作板1上安装有相应的切削刀具31，主动力机构8和辅助动力机构15都优选采用电机，调整好相应的位置，使得切削刀具与钻头的位置和凸轮22与滚轮11位置进行匹配，随着凸轮22转动始终保持凸轮22的轮面和滚轮11的轮面进行接触，然后开启电机，作为主动力机构8的电机通过转轴21带动凸轮22转动，由于凸轮22和滚轮11始终保持接触，根据凸轮22不同的轮面挤压滚轮11，使得与滚轮11固定的中臂7进行摆动，在中臂7摆动过程中，中臂7如果位置不动，其摆动角度较小，对于钻头刀翼底部无法进行加工，因此需要将中臂7底部进行摆动，所以中臂7下方设置有下臂14，利用下臂14在辅助动力机构15的电机带动下进行摆动，使得中臂7能够进行大范围摆动，每次摆动时为了防止中臂7和下臂14连接处出现摆动角度过大而卡死，需要对其进行限位，但是限位时冲击力度较大，所以需要对其进行缓冲，利用两组缓冲机构在中臂7和下臂14连接处两侧进行限位和缓冲，每次摆动到与相应的位置时，即连接处开始与挡板18接触并且逐渐对挡板18进行冲击，这时由于缓冲弹簧19的存在，其会将连接处会推着挡板18向着对应的安装板13移动，此时缓冲弹簧19受到压缩，逐步减小连接处对挡板18的冲击力度，而在缓冲弹簧19中设置有缓冲杆20，其能够使得缓冲弹簧19压缩时保持直线压缩，而不会弯曲，凸轮22通过最大轮面后，此时中臂7和下臂14绕着销轴四17转动到极限位置，凸轮22继续转动，此时缓冲弹簧19推动挡板18反向移动，使得连接处快速回位并向另一面的挡板移动，通过这种一个周期的循环，与一个刀翼的加工对应，即切削刀具的进与退。实际上固定装置都是能够进行转动的，固定装置每次转动的工位使得钻头上待加工刀翼29位于刀具31的工作区域正面，随着凸轮22进行转动，使得刀具31与钻头30进行靠近或者远离，实现对钻头30的刀翼29加工，凸轮22每转一周与固定装置的工位匹配。

而为了实现钻头往复加工过程，在滚轮11受到凸轮22挤压后带动中臂7进行相应摆动，中臂7又与上臂5连接，这样中臂7又会带动上臂5移动，上臂5与工作板1固定，工作板1与导向块27连接为整体结构，使得工作板1的移动轨迹和导向块27移动轨迹相同，即沿着导向槽24移动，因此上臂5的摆动轨迹有要求，所以将上臂5和中臂7通过销轴二6连接，利用绕着销轴二6的轴线转动的特性，使得工作板1受到水平方向的力，然后带动导向块27进行水平方向移动，而导向块27通过导向槽24以及导向轴25限定轨迹，所以每次往复都是固定的轨迹，这样每次加工的刀翼都是同一标准，即导向块27的一个往复动作，就是一条刀翼的加工过程，对应的钻头在转动相同的角度，就能够将工序进行匹配，从而实现钻头加工精度得到保证，同时也大大提高了加工效率，传统人工手动加工，一个钻头的所有刀翼处理，基本都是三天以上，而且还是熟练工人，现在才有这种设备加工，只需十几分钟就可以完成，而且质量大大提高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于保证同一个PDC钻头中所有刀翼加工成型精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将需要加工的钻头（30）安装在对应的固定装置（28）中，刀具（31）安装在往复机构中；

（2）将连接臂顶端与往复机构连接，连接臂包括依次连接的上臂（5）、中臂（7）和下臂（14），上臂（5）与往复机构连接，且上臂（5）能够绕着与中臂（7）的连接处转动，传动机构安装在中臂（7）处，下臂（14）与辅助动力机构（15）连接，且下臂（14）能够绕着与中臂（7）的连接处转动，往复机构包括导轨（26），导轨（26）顶面内凹形成导向槽（24），导向槽（24）中设置有导向块（27），且导向块（27）的侧壁与导向槽（24）的侧壁匹配，导向槽（24）顶面凸起形成安装台（23），安装台（23）靠近中臂（7），安装台（23）上固定有导向轴（25），导向轴（25）一端穿过导向块（27），且导向块（27）能够在导向槽（24）中沿着导向轴（25）的外壁移动，连接臂中部连接主动力机构，连接臂底端连接辅助动力机构；

（3）主动力机构上安装有凸轮（22），将与凸轮（22）进行接触的滚轮（11）安装在连接臂中，随着凸轮（22）转动始终保持凸轮（22）的轮面和滚轮（11）的轮面进行接触；

（4）固定装置每次转动的工位使得钻头上待加工刀翼（29）位于刀具（31）的工作区域正面，随着凸轮（22）进行转动，使得刀具（31）与钻头（30）进行靠近或者远离，实现对钻头（30）的刀翼（29）加工，凸轮（22）每转一周与固定装置的工位匹配；

所述滚轮（11）安装在中臂（7）处且能够绕着自身轴线转动，凸轮（22）与主动力机构（8）的转轴（21）连接，在凸轮（22）转动过程中凸轮（22）和滚轮（11）能够保持接触；

还包括缓冲机构，所述下臂（14）和中臂（7）的连接处位于缓冲机构之间，在下臂（14）以及中臂（7）摆动时能够分别与缓冲机构接触；所述缓冲机构包括两组，每组缓冲机构均包括挡板（18）、缓冲弹簧（19）、缓冲杆（20）、支撑杆（12）以及安装板（13），缓冲弹簧（19）、缓冲杆（20）和支撑杆（12）设置在挡板（18）和安装板（13）之间，挡板（18）靠近连接臂，支撑杆（12）均与对应的挡板（18）远离连接臂的端面固定，缓冲弹簧（19）和缓冲杆（20）均设置在支撑杆（12）和安装板（13）之间，且缓冲弹簧（19）同时与支撑杆（12）和安装板（13）固定，缓冲弹簧（19）套在缓冲杆（20）的外壁上，下臂（14）和中臂（7）设置在挡板（18）之间，在下臂（14）以及中臂（7）摆动时能够分别与对应的挡板（18）接触。

2.根据权利要求1所述的基于保证同一个PDC钻头中所有刀翼加工成型精度的方法，其特征在于，所述导向轴（25）的外壁上套有弹簧（4），弹簧（4）的两端分别与安装台（23）和导向块（27）固定。

3.根据权利要求1所述的基于保证同一个PDC钻头中所有刀翼加工成型精度的方法，其特征在于，所述导向块（27）顶部设置有工作板（1），且工作板（1）设置在导轨（26）上方，工作板（1）顶部与上臂（5）连接，刀具（31）安装在工作板（1）朝向固定装置（28）的端面上。

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