CN109795012B - Pdc胎体钻头制模工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了PDC胎体钻头制模工艺，在底模内放入外凸膜，用陶瓷粉浆浇注成模具分型面以下的陶瓷模；陶瓷粉浆凝固后将外凸模总体向上拔高H，H是待制作的钻头的对应泥浆排屑水道深度；按钻头保径壁直径做一个环形外圈套在拔高的外凸模保径上，让环形外圈下端面与底模上端面紧贴；环形外圈与外凸模的空隙处浇注陶瓷粉浆，浇注后陶瓷粉浆与外凸膜在同一平面中；待新浇注的陶瓷粉浆凝固后形成增高陶瓷块，取下环形外圈，并拔出外凸模。本发明在拔高占位块制作时结合分型面的结构特征，使得拔高的占位块的高度与待制作的钻头的对应泥浆排屑水道深度相互匹配，烧结出来的胎体钻头部分水道不需打磨，缩短胎体生产周期，胎体粉料利用率高，降低生产成本。

Description

PDC胎体钻头制模工艺

技术领域

本发明涉及油气钻头加工技术领域，具体涉及一种PDC胎体钻头制模工艺。

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。分为胎体式PDC钻头和钢体式PDC钻头，胎体式PDC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；钢体PDC钻头，是用镍、铬、钼合金钢机械加工成形。经过热处理后在钻头体上由机床铣钻头冠部形状和PDC片穴孔。将人造聚晶金刚石复合片压入(紧配合)钻头片穴孔内，用柱状碳化钨保径。

而目前使用较多的是PDC聚晶金刚石复合片胎体钻头，金刚石胎体钻头的钻头体，是通过粉末冶金技术，将以碳化钨为主的粉料在模具中靠低熔点铜合金会自上而下浸渍烧结而成的。其制模过程是这样，先在电脑上设计出钻头体的三维教学模型，再由数控五轴铣床加工成铝合金模型，然后用铝合金模型翻制成橡胶内凹模型，再由橡胶内凹模型翻制成橡胶外凸模型，有了橡胶外凸模型后就可以将它放在石墨底模内，浇注陶瓷粉浆，凝固之后，取出橡胶外凸模型，就成了可以进行烧结的陶瓷内凹模型。

目前由于制模工艺的原因，模具的分型面只能设在钻头保径壁与45°锥面的相贯处，这种模具内的陶瓷块必须增高，现有的制模方式都是将这段增高部分单独用石墨或树脂砂做成水道形状的占位块，对应地贴在下分型面上，因各型钻头的水道截面差异很大，占位块很难做得与下部模具已有的水道完全对接。这样的结果是烧出来的胎体钻头这部分水道就会深浅宽窄不一，不能很好吻合，只能再由工人操作打磨砂轮逐渐把多余部分磨掉，这样做必然浪费许多胎体粉料，而且由于钻头胎体很硬，这个打磨工作费时费力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是现有PDC胎体钻头制模时，由于分型面的结构特征使得传统工艺制作出拔高的占位块尺寸不合格，导致烧结出来的胎体钻头部分水道深浅宽窄不一，只能进行重新打磨，打磨工作费时费力，而且这种工艺会浪费许多胎体粉料，其目的在于提供一种PDC胎体钻头制模工艺，该制模工艺在拔高占位块制作时结合分型面的结构特征，使得所有拔高的占位块的高度与待制作的钻头的对应泥浆排屑水道深度相互匹配，烧结出来的胎体钻头部分水道不需打磨而合格，缩短了胎体生产周期和降低了成本。

本发明通过下述技术方案实现：PDC胎体钻头制模工艺，包括以下步骤：

(1)放置好底模，并在底模内放入外凸模 ，并用陶瓷粉浆浇注成模具分型面以下的陶瓷模；

(2)待陶瓷粉浆凝固后，将外凸模总体向上拔高H，且H是待制作的钻头的对应泥浆排屑水道深度；

(3)按钻头保径壁直径做一个环形外圈，套在拔高的外凸模保径上，同时让环形外圈下端面与底模上端面无缝紧贴；

(4)在环形外圈与外凸模的空隙处浇注陶瓷粉浆，浇注后陶瓷粉浆形成的顶面与外凸模 的上端面在同一平面中；

(5)待新浇注的陶瓷粉浆凝固后形成增高陶瓷块，取下环形外圈，并拔出外凸模，完成制模。

PDC聚晶金刚石复合片胎体钻头的钻头体，是通过粉末冶金技术，将以碳化钨为主的粉料在模具中烧结而成的，其制模过程是这样，先在电脑上设计出钻头体的三维教学模型，再由数控五轴铣床加工成铝合金模型，然后用铝合金模型翻制成橡胶内凹模型，再由橡胶内凹模型翻制成橡胶外凸模型(图1就是一只胎体钻头，图2就是外凸模)，外凸模一般都是橡胶制成，有了橡胶外凸模型后就可以将它放在石墨底模内，浇注陶瓷粉浆，凝固之后，取出橡胶外凸模型，就成了可以进行烧结的陶瓷内凹模型。

但是由于制模工艺的原因，模具的分型面只能设在钻头保径壁与45°锥面的相贯处(见图1和图2所示)，用这种外凸橡胶模型浇注出来的陶瓷内凹模型的分型面如图3所示。

由图1可以看到，钻头两刀翼之间的泥浆排屑水道从分型面下一直延伸到分型面以上，要做到这一点，模具内的陶瓷块必须增高(如图3左边三块)，它的形状应与分型面以下部分完全一致，由图5可以看出，钻头四周各个泥浆排屑水道的宽窄形状都不同，要做到每一个增高陶瓷块与下面部分完全一致十分困难，如果做大了，烧出的胎体钻头这个部位水道就会出现内凹，这是不允许的，因此，一般钻头生产，包括美国休斯公司钻头厂都是将这段增高部分单独用石墨或树脂砂做成水道形状的占位块，对应地贴在下分型面上，因各型钻头的水道截面差异很大，这实际上要根据工人操作熟练性来确定占位块的质量，占位块很难做得与下部模具已有的水道完全对接。这样的结果是烧出来的胎体钻头这部分水道就会深浅宽窄不一，不能很好吻合，只能再由工人操作打磨砂轮逐渐把多余部分磨掉，这样做必然浪费许多胎体粉料，而且由于钻头胎体很硬，这个打磨工作费时费力，根据多年制模经验，研究出一套解决这个难题的工艺，在胎体钻头生产过程中发挥了很大作用。

通过放置好底模，并在底模内放入外凸模 ，并用陶瓷粉浆浇注成模具分型面以下的陶瓷模，待陶瓷粉浆凝固后，将外凸模总体向上拔高H，且H是待制作的钻头的对应泥浆排屑水道深度，按钻头保径壁直径做一个环形外圈，套在拔高的外凸模保径上，同时让环形外圈下端面与底模上端面无缝紧贴，防止陶瓷粉浆从结合处漏出，也避免空隙造成后浇注产生的增高陶瓷块高度不达标，在环形外圈与外凸模的空隙处浇注陶瓷粉浆，浇注后陶瓷粉浆形成的顶面与外凸模 的上端面在同一平面中，待新浇注的陶瓷粉浆凝固后形成增高陶瓷块，取下环形外圈，并拔出外凸模，完成制模。此处上拔高度H值，其与水道深度一致，可从图1中得到解释。因钻头胎体冠部倒角处是45°，保径外壁的延长线与冠部倒角末端的水平线拼成一个45°的等边直角三角形，等边直角三角形的直角边相等，因此，说明了我们制模延长水道时，将橡胶外凸模提高值H与水道深度一致是合理的，这样方式拔高占位块制作时结合分型面的结构特征，使得所有拔高的占位块的高度与待制作的钻头的对应泥浆排屑水道深度相互匹配，这样烧结出来的胎体钻头部分水道不需打磨而直接合格，从而缩短了胎体生产周期，由于不需打磨，胎体粉料利用率高，降低了生产成本。

为了使得浇注后陶瓷粉浆形成的顶面与外凸模 的上端面在同一平面中，环形外圈的高度也要设计为H，这样操作人员只需将陶瓷粉浆浇注满环形外圈与外凸模的空隙处即可，浇注的陶瓷粉浆是沿着陶瓷模的顶面向下进行填充浇筑，由于粉浆在重力下能够进行自动下流，所以在二次浇注时，采用相同的陶瓷粉浆浇注与原陶瓷模贴合性高，而且整体结构稳定，满足烧结前的需求。

为了后续装料方便，保证胎体粉料装填模具空隙时流动方便，将增高陶瓷块的内侧面为斜面，增加粉料流道面积。

为了使得二次浇注出的陶瓷块厚度要满足要求，所以对于环形外圈的内径有严格要求，需要将环形外圈的内壁与外凸模保径壁面无缝接触，二次浇注时陶瓷粉浆只在预留的缝隙中，而缝隙的厚度为H，与待制作的钻头的对应泥浆排屑水道深度吻合，这样钻头烧结后就不需再次打磨就可以成型合格，从而缩短了胎体生产周期，由于不需打磨，胎体粉料利用率高，降低了生产成本。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：本发明在拔高占位块制作时结合分型面的结构特征，使得所有拔高的占位块的高度与待制作的钻头的对应泥浆排屑水道深度相互匹配，这样烧结出来的胎体钻头部分水道不需打磨而直接合格，从而缩短了胎体生产周期，由于不需打磨，胎体粉料利用率高，降低了生产成本。

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为胎体钻头的结构示意图；

图2为外凸模 的结构示意图；

图3为陶瓷内凹模的结构示意图；

图4为本发明的半剖视图；

图5为胎体钻头的仰视图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-模具分型面，2-泥浆排屑水道，3-外凸模，4-增高陶瓷块，5-底模，6-陶瓷模。

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

需要成型的胎体钻头如图1所示，橡胶外凸模 3如图2所示，PDC胎体钻头制模工艺，包括以下步骤：

(1)放置好石墨底模5，并在石墨底模5内放入橡胶外凸模 3，并用陶瓷粉浆浇注成模具分型面1以下的陶瓷模6(如图3右边所示)；

(2)待陶瓷粉浆凝固后，将橡胶外凸模3总体向上拔高H，且H是待制作的钻头的对应泥浆排屑水道2深度(如图3中标注的H)，此处上拔高度H值，其与水道深度一致，可从图1中得到解释。因钻头胎体冠部倒角处是45°，保径外壁的延长线与冠部倒角末端的水平线拼成一个45°的等边直角三角形，等边直角三角形的直角边相等，因此，说明了制模延长水道时，将橡胶外凸模 3提高值H与水道深度一致是合理的。

(3)按钻头保径壁直径做一个环形外圈，套在拔高的橡胶外凸模3保径上，环形外圈的高度也为H，同时让环形外圈下端面与石墨底模5上端面无缝紧贴，环形外圈的内壁与外凸模3保径壁面无缝接触；

(4)在环形外圈与橡胶外凸模3的空隙处浇注陶瓷粉浆，浇注的陶瓷粉浆是沿着陶瓷模的顶面向上进行浇筑，浇注后陶瓷粉浆形成的顶面与橡胶外凸模 3的上端面在同一平面中；

(5)待新浇注的陶瓷粉浆凝固后形成增高陶瓷块4，取下环形外圈，并拔出橡胶外凸模 3，完成制模(如图3右边所示)。

从图4中可见，为了后续装料方便，保证胎体粉料装填模具空隙时流动方便，将增高陶瓷块4的内侧面为斜面，增加粉料流道面积，见图5，一般制模人员采用手工方式就可以，用手刮出一个斜面实现流道面积增加即可。

传统工艺来制作胎体钻头模具时，模具内不同形状的增高陶瓷块由手工制作，都是根据工人的经验来确定形状和尺寸，手工制作增高陶瓷块都比较费时，稍有疏忽，增高陶瓷块的形状不能保证，甚至还会造成胎体报废，增大了公司成本，另外，按原工艺烧结出的胎体钻头，每一条泥浆排屑水道都必须由人工操作砂轮机修磨，更费工时，一般至少都是耗费半天左右。

实际在进行胎体钻头模具制作时，为防止烧结出的胎体水道超宽超深，原工艺制作的增高陶瓷块比需要的准确尺寸小，这样装入的胎体粉料要多用3～6公斤，成型后再进行打磨，打磨后的粉料是无法再次使用，只能当作废物处理，按每公斤胎体粉料的成本费率300元计算，要多耗费900元至1800元。

而本发明采用新工艺后，由于所有拔高的占位块的高度与待制作的钻头的对应泥浆排屑水道深度相互匹配，这样烧结出来的胎体钻头部分水道不需打磨而直接合格，每只胎体钻头的生产周期提前1～2天，缩短了胎体生产周期而增大了企业竞争力度，由于不需打磨，胎体粉料利用率高，原材料开支和人工费节约2～3千元，为公司胎体钻头的生产创造更好的效益，同时也能及时为客户提供合格的胎体钻头。

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 (4)

1.PDC胎体钻头制模工艺，其特征在于，包括以下步骤：

（1）放置好底模（5），并在底模（5）内放入外凸模 （3），并用陶瓷粉浆浇注成模具分型面（1）以下的陶瓷模；

（2）待陶瓷粉浆凝固后，将外凸模（3）总体向上拔高H，且H是待制作的钻头的对应泥浆排屑水道（2）深度；

（3）按钻头保径壁直径做一个环形外圈，套在拔高的外凸模（3）保径上，且环形外圈下端面与底模（5）上端面无缝紧贴；

（4）在环形外圈与外凸模（3）的空隙处浇注陶瓷粉浆，浇注的陶瓷粉浆是沿着陶瓷模的顶面向下进行浇筑，浇注后陶瓷粉浆形成的顶面与外凸模 （3）的上端面在同一平面中；

（5）待新浇注的陶瓷粉浆凝固后形成增高陶瓷块（4），取下环形外圈，并拔出外凸模（3），完成制模。

2.根据权利要求1所述的PDC胎体钻头制模工艺，其特征在于，所述环形外圈的高度也为H。

3.根据权利要求1所述的PDC胎体钻头制模工艺，其特征在于，所述增高陶瓷块（4）的内侧面为斜面。

4.根据权利要求1所述的PDC胎体钻头制模工艺，其特征在于，所述环形外圈的内壁与外凸模（3）保径壁面无缝接触。

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