CN115366221A - 一种电致驱动变孔径钻头及其制造方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电致驱动变孔径钻头及其制造方法与应用。钻头包括钻头本体、加热电路和限位机构，钻头本体包括由上自下依次设置的胎体工作层、镍钛合金孔径控制层和钻头刚体，镍钛合金孔径控制层包括多个环形镍钛合金片，均同心圆设置且设有不封闭条缝，所有不封闭条缝呈交错排列；加热电路与环形镍钛合金片形成回路使其加热；限位机构以限位所述镍钛合金孔径控制层的缩径范围，利用镍钛合金形变原理，压电陶瓷限位柱限位，赋予金刚石钻头变孔径功能，避免了钻探过程中起下钻更换不同孔径的钻头，节省了施工成本，同时能够降低因起下钻使井眼内压力急剧变化导致的井壁不稳定、坍塌风险。

Description

一种电致驱动变孔径钻头及其制造方法与应用
技术领域
本发明涉及金刚石工具制造技术领域，具体涉及一种电致驱动变孔径钻头及其制造方法与应用。
背景技术
金刚石钻头是探矿工程的重要工具，在钻探作业时，需根据井身结构的变化选用不同孔径的金刚石钻头，即地质钻探工程钻出的井眼是分段的，为维护井眼稳定，随着钻进进尺的增加，钻头的直径应呈减小的趋势。
然而，目前地质钻探工程施工过程中，每次下钻只能使用恒定孔径的钻头，当与该孔径匹配的地层钻探完毕后，需起钻更换孔径更小的钻头才能继续施工。起下钻时间约占钻探作业总时间的20％左右，尤其是深部能源探索和大陆科学钻探，一般需钻至地下千米甚至数千米，起下钻、更换钻头这些辅助操作将消耗大量的人力、物力资源，延长工期。而且，钻头以及与之相连的钻杆在井眼中起落，也会导致井壁受到的压力发生改变，井壁的稳定性难以得到有效控制。因此，亟须寻求一种能够避免钻探过程中起下钻的技术或工具，缩短起下钻和更换钻头的时间以节约成本，减少起下钻给施工带来的不利影响。
发明内容
本发明的目的在于，针对现有技术的上述不足，提供了一种电致驱动变孔径钻头及其制造方法与应用。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
本发明的第一目的是提供了一种电致驱动变孔径钻头，包括钻头本体、加热电路和至少一个限位机构，所述钻头本体包括由上自下依次设置的胎体工作层、镍钛合金孔径控制层和钻头刚体；
所述胎体工作层包括多个钻齿；
所述镍钛合金孔径控制层包括多个设置在所述钻头刚体上的环形镍钛合金片，所有所述环形镍钛合金片同心圆设置，相邻的两个环形镍钛合金片之间沿其周向间隔设置有扭矩传递柱，每组相邻的两个环形镍钛合金片的扭矩传递柱相对应，沿其径向形成一排；每个所述环形镍钛合金片均设有不封闭条缝，所有所述不封闭条缝呈交错排列；除最外层所述环形镍钛合金片外，其它每个所述环形镍钛合金片的顶部均开设有开口槽构成多个导向槽，多个所述钻齿一一对应的设置在所述导向槽内，每个所述环形镍钛合金片均与所述加热电路电性连接可形成闭合回路，以对每个所述环形镍钛合金片进行加热，使其产生变形从而发生多次缩径；
所述限位机构包括压电陶瓷限位柱和驱动件；
除最外层环形镍钛合金片外，其它每个环形镍钛合金片上均开设有至少一个通孔，沿径向一一对应，相对应的通孔连通构成压电陶瓷限位柱导向孔，所述压电陶瓷限位柱的一端设置在压电陶瓷限位柱导向孔内，所述驱动件位于镍钛合金孔径控制层的内环，驱动件与所述压电陶瓷限位柱的另一端传动连接，以驱动所述压电陶瓷限位柱沿压电陶瓷限位柱导向孔(212)运动，并将所述压电陶瓷限位柱限位至其任一运动轨迹上，缩径时，所述最外层环形镍钛合金片与所述压电陶瓷限位柱相抵，以限位所述镍钛合金孔径控制层的缩径范围。
进一步的，所述每个所述环形镍钛合金片的下端均设置有两个接线柱安装孔，所述接线柱安装孔内设置有接线柱，两个所述接线柱分别与所述加热电路正极和负极电性连接。
进一步的，所述加热电路上包括沿顺时针方向依次串联的电源、计算机控制器、保险丝和第一开关，所述电源电性连接其中一个所述接线柱，所述第一开关电性连接其中另一个所述接线柱，所述加热电路与每个所述环形镍钛合金片电性连接形成闭合回路。
进一步的，所述钻头刚体包括刚体外环、刚体内环、扭矩传递环、刚体环形底衬和环形密封板，所述刚体内环同心套设在所述刚体外环内，所述刚体内环的一端端部与所述刚体外环的一端端部均固定在所述环形密封板上，所述刚体内环的另一端延伸至所述刚体外环外部，所述刚体环形底衬同心设置在所述刚体内环外且设置在所述刚体外环上，所述扭矩传递环同心设置在所述刚体内环外且设置在所述刚体环形底衬上，最小直径的所述环形镍钛合金片固定设置在所述扭矩传递环上，所述扭矩传递环上开设有与所述压电陶瓷限位柱导向孔连通的通孔，所述压电陶瓷限位柱由所述通孔插设在所述压电陶瓷限位柱导向孔内。
进一步的，所述驱动件包括驱动电路和电动推杆，所述电动推杆的伸缩杆与所述压电陶瓷限位柱连接，驱动所述压电陶瓷限位柱沿所述镍钛合金孔径控制层径向方向直线移动，穿过扭矩传递环上的通孔位移至所述刚体内环与所述扭矩传递环之间的空间内。
进一步的，所述驱动电路与所述加热电路并联，所述驱动电路上还包括沿逆时针方向依次串联的所述电源、所述计算机控制器、所述保险丝、第二开关和电流传感器；所述电动推杆串联在所述驱动电路且位于所述电流传感器和所述第二开关之间，所述压电陶瓷限位柱在电路上并联在所述第二开关上，所述电流传感器感应所述压电陶瓷限位柱的压电电流，所述计算机控制器通过接收所述电流传感器的信号进而控制所述第二开关打开或关闭。
本发明的第二目的是提供了上述电致驱动变孔径钻头的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1，制备胎体工作层
构建如权利要求1所述的胎体工作层的3D模型，将胎体工作层的三维模型进行切片分层处理，并将数据导入增材制造设备中，然后将胎体工作层粉末送入增材制造设备中，采用选区激光熔化工艺成形，成形的产品经切割，得到胎体工作层；所述胎体工作层粉末包括金刚石粉末和具有球形结构的合金粉末，所述金刚石粉末占比10％～20％，所述合金粉末占比80％～90％；
步骤S2，制备镍钛合金孔径控制层
构建如权利要求1所述的镍钛合金孔径控制层的3D模型，将镍钛合金孔径控制层的三维模型进行切片分层处理，并将数据导入增材制造设备中，然后将镍钛合金孔径控制层粉末送入增材制造设备中，采用选区激光熔化工艺成形，成形的产品经切割，得到镍钛合金孔径控制层；所述镍钛合金孔径控制层粉末包括近等原子比的镍钛合金粉末；
步骤S3，连接胎体工作层与镍钛合金孔径控制层
使所述胎体工作层沿着所述镍钛合金孔径控制层的导向槽移动，直至抵达所述镍钛合金孔径控制层的最外层环形镍钛合金片，采用电弧焊的方式将胎体工作层外径圆面与最外层环形镍钛合金片焊接起来；
步骤S4，连接镍钛合金孔径控制层与钻头刚体
采用电弧焊的方式将所述镍钛合金孔径控制层的最小直径环形镍钛合金片上的所述扭矩传递柱固定连接在所述扭矩传递环上；
步骤S5，装配加热电路和限位机构
将所述加热电路和所述限位机构装配在所述钻头刚体内。
进一步的，步骤S1中，所述金刚石粉末选用的金刚石晶型为正十二面体，粒径为38～44μm；所述合金粉末的球形度不低于95％，粒径为15～53μm，所述合金粉末包括铜基合金、铁基合金和钴基合金中任一种；所述选区激光熔化成形的工艺包括：工作气氛包括氩气及氮气中的至少一种，粉末床厚度为45～55μm，填充间距为120μm，激光扫描速度为550～850mm/s，激光功率为100～500w，扫描策略为带状X-Y扫描。
进一步的，步骤S2中，所述镍钛合金孔径控制层粉末为球形结构，球形度不低于95％，粒径大小为15～53μm；粒径分布为：d10不大于18.2μm、d50不大于30.5μm和d90不大于49.9μm。
进一步的，步骤S2中，所述镍钛合金中镍含量不小于50.73％，钛含量不小于49.2％，其余杂质原子含量不大于0.07％。
进一步的，步骤S2中，所述选区激光熔化成形的工艺包括：工作气氛包括氩气及氮气中的至少一种，粉末床厚度为45～55μm，填充间距为120μm，激光扫描速度为800～1200mm/s，激光功率为100～300w，扫描策略为带状X-Y扫描。
步骤S2中，将镍钛合金球形粉末装入成形设备粉末缸中，用成形腔刮刀铺设镍钛合金粉末，成形腔体内氧含量降低至200ppm以下，缸体温度升高至180℃～200℃，开启激光器，逐层成形镍钛合金孔径控制层。
本发明的第三目的是提供了上述电致驱动变孔径钻头在地质钻探工程施工过程中的应用，将所述电致驱动变孔径钻头与钻杆连接用于地质钻探工程施工。
本发明相较于现有技术，具有下列有益效果：
(1)本发明设计并制造了具有形状记忆特点的镍钛合金孔径控制层，本发明的电致驱动变孔径钻头包括钻头本体、加热电路和限位机构，钻头本体包括由上自下依次设置的胎体工作层、镍钛合金孔径控制层和钻头刚体，镍钛合金孔径控制层包括多个环形镍钛合金片，均同心圆设置且设有不封闭条缝，所有不封闭条缝呈交错排列；加热电路与环形镍钛合金片形成回路使其加热；限位机构以限位所述镍钛合金孔径控制层的缩径范围，利用镍钛合金形变原理，压电陶瓷限位柱限位，赋予金刚石钻头变孔径功能，避免了钻探过程中起下钻更换不同孔径的钻头，节省了施工成本，同时能够降低因起下钻使井眼内压力急剧变化导致的井壁不稳定、坍塌风险。
(2)采用激光选区熔化技术完成镍钛形状记忆合金孔径控制层的一体化成形，该技术是较为常见的增材制造技术，同时也是一种快速成形技术，在成形过程中，粉末迅速熔化、快速冷却，材料强化机制明显，晶粒细化，使成形的物件性能更为优良。特别是针对所述镍钛合金片这种含薄壁、含微型结构等复杂功能物件的一体化成形。
(3)镍钛形状记忆合金的变形电致驱动的是利用电加热使镍钛合金所处的热环境发生变化，同时配置压电陶瓷限位柱限制其形变量，由于镍钛合金特殊的热力学响应特性，下次温度再次升高时，发生后续变形，这一特性使得电致驱动变孔径钻头可发生多次缩径。
附图说明
图1为本发明的电致驱动变孔径钻头结构拆解示意图；
图2为本发明的电致驱动变孔径钻头装备结构示意图；
图3为本发明的镍钛合金孔径控制层中环形镍钛合金片之间连接局部放大示意图；
图4为本发明的钻头刚体结构示意图；
图5为本发明的镍钛合金孔径控制层结构示意图；
图6为本发明的镍钛合金孔径控制层的俯视图；
图7为具体实施例的加热电路和驱动电路工作电路图；
图8为实施例1制备的电致驱动变孔径钻头的装配驱动件与压电陶瓷限位柱结构示意图；
图9为实施例2制备的电致驱动变孔径钻头的装配驱动件与压电陶瓷限位柱结构示意图。
图中：1、胎体工作层；11、钻齿；2、镍钛合金孔径控制层；21、镍钛合金片；211、不封闭条缝；212、压电陶瓷限位柱导向孔；214、接线柱安装孔；213、压电陶瓷限位柱；215、接线柱；22、扭矩传递柱；23、导向槽；3、钻头刚体；31、刚体外环；32、刚体内环；33、扭矩传递环；34、刚体环形底衬；35、环形密封板；36、刚体外螺纹；4、钻头本体；5、加热电路；51、电源；52、计算机控制器；53、保险丝；54、第一开关；6、限位机构；61、驱动件；611、驱动电路；6111、第二开关；6112、电流传感器；612、电动推杆；6121、伸缩杆。
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，下面结合具体实施例和附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本申请中实施例用到的激光选区熔化设备为武汉华科三维科技有限公司提供的M300型设备，其成形体积为300mm×300mm×450mm，主机外形尺寸为1710mm×1168mm×1938mm。
如图1-4所示，本申请提供了一种电致驱动变孔径钻头，包括钻头本体4、加热电路5和至少一个限位机构6钻头本体4包括由上自下依次设置的胎体工作层1、镍钛合金孔径控制层2和钻头刚体3；胎体工作层1包括多个钻齿11；镍钛合金孔径控制层2包括多个设置在所述钻头刚体3上的环形镍钛合金片21，所有环形镍钛合金片21同心圆设置，相邻的两个环形镍钛合金片之间沿其周向间隔设置有扭矩传递柱22，每组相邻的两个环形镍钛合金片的扭矩传递柱相对应，沿其径向形成一排；每个环形镍钛合金片21均设有不封闭条缝211，所有不封闭条缝211呈交错排列；除最外层环形镍钛合金片21外，其它每个环形镍钛合金片21的顶部均开设有开口槽构成多个导向槽23，多个钻齿11一一对应的设置在导向槽(23)内，每个环形镍钛合金片21均与加热电路5电性连接可形成闭合回路，以对每个环形镍钛合金片21进行加热，使其产生变形从而发生多次缩径；
限位机构6包括驱动件61和压电陶瓷限位柱213；
除最外层环形镍钛合金片21外，其它每个环形镍钛合金片21上均开设有至少一个通孔，沿径向一一对应，相对应的通孔连通构成压电陶瓷限位柱导向孔212，压电陶瓷限位柱213的一端设置在压电陶瓷限位柱导向孔212内，驱动件61位于镍钛合金孔径控制层的内环，驱动件与压电陶瓷限位柱213的另一端传动连接，以驱动压电陶瓷限位柱213沿压电陶瓷限位柱导向孔212运动，并将压电陶瓷限位柱213限位至其任一运动轨迹上，缩径时，最外层环形镍钛合金片21与压电陶瓷限位柱213相抵，以限位镍钛合金孔径控制层2的缩径范围。利用镍钛合金形变原理，赋予金刚石钻头变孔径功能，避免了钻探过程中起下钻更换不同孔径的钻头，节省了施工成本，同时能够降低因起下钻使井眼内压力急剧变化导致的井壁不稳定、坍塌风险。镍钛形状记忆合金的变形电致驱动的是利用电加热使镍钛合金所处的热环境发生变化，同时配置压电陶瓷限位柱限制其形变量，由于镍钛合金特殊的热力学响应特性，下次温度再次升高时，发生后续变形，这一特性使得电致驱动变孔径钻头可发生多次缩径。
为了更好控制电致驱动变孔径大小和使用方便，如图5所示，每个环形镍钛合金片21的下端均设置有两个接线柱安装孔214，接线柱安装孔214内设置有接线柱215，两个接线柱215分别与加热电路5正极和负极电性连接，加热电路5上包括沿顺时针方向依次串联的电源51、计算机控制器52、保险丝53和第一开关54，所述电源51电性连接其中一个接线柱215，第一开关54电性连接其中另一个接线柱215，加热电路5与每个环形镍钛合金片21电性连接形成闭合回路。
为了保证镍钛合金孔径控制层2能够有效地工作，方便作业中产生的液体流出，如图6所示，钻头刚体3可以包括刚体外环31、刚体内环32、扭矩传递环33、刚体环形底衬34和环形密封板35，刚体内环32同心套设在刚体外环31内，刚体内环32的一端端部与刚体外环31的一端端部均固定在所述环形密封板35上，刚体内环32的另一端延伸至刚体外环31外部，刚体环形底衬34同心设置在刚体内环32外且设置在刚体外环31上，扭矩传递环33同心设置在刚体内环32外且设置在刚体环形底衬34上，最小直径的环形镍钛合金片21固定设置在扭矩传递环33上，扭矩传递环33上开设有与压电陶瓷限位柱导向孔212连通的通孔，压电陶瓷限位柱213由通孔插设在压电陶瓷限位柱导向孔212内。
为了方便装备在钻杆上，刚体外环31的一端外壁上还可以设置有刚体外螺纹36。
为了保证电致驱动性能，驱动件61包括驱动电路611和电动推杆612，电动推杆612的伸缩杆6121与压电陶瓷限位柱213连接，驱动压电陶瓷限位柱213沿镍钛合金孔径控制层2径向方向直线移动，穿过扭矩传递环33上的通孔位移至刚体内环32与扭矩传递环33之间的空间内。
为了方便工作人员控制和使用钻头，驱动电路611与加热电路5并联，驱动电路611上还包括沿逆时针方向依次串联的电源51、计算机控制器52、保险丝53、第二开关6111和电流传感器6112；电动推杆612串联在驱动电路611且位于电流传感器6112和第二开关6111之间，压电陶瓷限位柱213在电路上并联在第二开关6111上，电流传感器6112感应压电陶瓷限位柱213的压电电流，计算机控制器52通过接收电流传感器6112的信号进而控制第二开关6111打开或关闭。
本申请提供的上述电致驱动变孔径钻头的制造方法，包括以下步骤：
步骤S1，制备胎体工作层
构建上述胎体工作层的3D模型，将胎体工作层的三维模型进行切片分层处理，并将数据导入增材制造设备中，然后将胎体工作层粉末送入增材制造设备中，采用选区激光熔化工艺成形，成形的产品经切割，得到胎体工作层；所述胎体工作层粉末包括金刚石粉末和具有球形结构的合金粉末，所述金刚石粉末占比10％～20％，所述合金粉末占比80％～90％；
步骤S2，制备镍钛合金孔径控制层
构建上述镍钛合金孔径控制层的3D模型，将镍钛合金孔径控制层的三维模型进行切片分层处理，并将数据导入增材制造设备中，然后将镍钛合金孔径控制层粉末送入增材制造设备中，采用选区激光熔化工艺成形，成形的产品经切割，得到镍钛合金孔径控制层；所述镍钛合金孔径控制层粉末包括近等原子比的镍钛合金粉末；
步骤S3，连接胎体工作层与镍钛合金孔径控制层
使所述胎体工作层1沿着镍钛合金孔径控制层的导向槽23移动，直至抵达镍钛合金孔径控制层2的最外层镍钛合金片，采用电弧焊的方式将胎体工作层外径圆面与最外层镍钛合金片焊接起来；
步骤S4，连接镍钛合金孔径控制层与钻头刚体
采用电弧焊的方式将所述镍钛合金孔径控制层的最小直径环形镍钛合金片上的扭矩传递柱22固定连接在扭矩传递环33上；
步骤S5，装配加热电路5、压电陶瓷限位柱213和驱动件61
将加热电路5、压电陶瓷限位柱213和驱动件61装配在钻头刚体3内。
在可选的实施方案中，步骤S1中，胎体工作层中金刚石晶型为正十二面体，粒径为38～44μm，占胎体工作层体积10％～20％；胎体工作层中金属基体根据地层实际情况选用，常见的，一般有铜基合金，铁基合金以及钴基合金，合金均采用气雾化法造粒得到球形粉末，球形度≥95％，粒径为15～53μm，占胎体工作层体积80％～90％，制备胎体工作层所用的胎体工作层粉末是将金刚石与金属粉末合金按照一定配比，放入三维混料机中混合20～30小时，得到的。将胎体工作层粉末装入激光选区熔化成形设备粉末缸中，利用成形腔刮刀均匀地在基板上铺一层粉末，向成形设备中通入保护气体(一般为氩气)，成形工作缸缸体加热至180℃～200℃，待氧浓度降至200ppm以下，开启激光器，开始逐层扫描熔化成形金属基金刚石复合材料，直至胎体工作层加工完成。待胎体工作层加工完成后，使用线切割机将胎体工作层切下。
在可选的实施方案中，步骤S1中，针对不同的金属基体，可选择合适的激光成形参数：优选的，成形铜基金属胎体应选用200～280w的激光功率，300～500mm/s的扫描速度；成形铁基胎体应选用280～320w的激光功率，550～650mm/s的扫描速度；成形钴基胎体应选用220～320w的激光功率，650～750mm/s的扫描速度。
在可选的实施方案中，步骤S1中，胎体工作层上钻齿为4～6个，钻齿为圆弧形，其内径与外径与工程实际设计的井身结构有关，工作层高度为10～30mm。
在可选的实施方案中，步骤S2中，镍钛合金孔径控制层粉末为球形结构，球形度不低于95％，粒径大小为15～53μm；粒径分布为：d10不大于18.2μm、d50不大于30.5μm和d90不大于49.9μm。
在可选的实施方案中，步骤S2中，镍钛合金孔径控制层2可以由10～15片环形镍钛合金片21构成，各环形镍钛合金,21的圆心均为钻头本体4的轴心，为同心圆结构。
在可选的实施方案中，步骤S2中，除最外层外，其余的环形镍钛合金片21均开有开口槽构成多个导向槽23，导向槽23深度为5mm；环形镍钛合金片最大直径为工程设计的井身结构最大直径，宽度约4～6mm，厚度为0.3～0.8mm。每个镍钛合金片下端各留有两个接线柱安装孔，为保证孔径控制层变形的顺利进行，镍钛合金片均不封闭，开有0.1～0.2mm的不封闭条缝211，各片不封闭条缝211呈交错排列。
在可选的实施方案中，每个环形镍钛合金片通过扭矩传递柱22相互连接。每个环形镍钛合金片之间通过一排镍钛合金扭矩传递柱22(处在环形镍钛合金片中间，径向排布连接。
在可选的实施方案中，除最外层外，每个环形镍钛合金片径向中间段均开有压电陶瓷限位柱导向孔212，导向孔口径为3mm。
在可选的实施方案中，步骤S2中，近等原子比镍钛合金球形粉末的成形是通过激光选区熔化技术完成的，应选用100～300w的激光功率，800～1200mm/s的扫描速度，粉末床厚度为45～55μm，填充间距为120μm，扫描策略为带状X-Y扫描。将镍钛合金球形粉末装入成形设备粉末缸中，用成形腔刮刀铺设镍钛合金粉末，成形腔体内氧含量降低至200ppm以下，缸体温度升高至180℃～200℃，开启激光器，逐层成形镍钛合金孔径控制层。
待镍钛合金孔径控制层加工完成后，使用线切割机将其切下。
在可选的实施方案中，步骤S3中，使胎体工作层沿着镍钛合金同心圆片的钻齿导向槽23移动，直至抵达最外层环形镍钛合金片，此时钻齿外径圆面与最大直径环形镍钛合金片相贴合，钻齿内径圆面与初始最小直径镍钛合金片相贴合，结合公差≤0.2mm。为保证钻齿不在运输、装卸等过程中发生移动，采用电弧焊的方式将胎体工作层外径圆面与最大直径镍钛合金片焊接起来。
在可选的实施方案中，为减少施工过程中灵敏元件受外界环境的干扰，限位机构6中所有元器件均装配在钻头刚体3中。
在可选的实施方案中，钻头刚体3可以呈圆柱形，其直径为设计井身结构的最小直径，中间开有水口以方便钻井液流通，刚体外环31上端设置有刚体外螺纹36，可与钻杆柱母螺纹相连接。钻头刚体3下端为刚体环形底衬34，延伸出扭矩传递环33，与镍钛合金孔径控制层2最小直径的环形镍钛合金通过电弧焊相连接，并将钻杆柱传递下来的力继续传递至镍钛合金孔径控制层2。
在可选的实施方案中，压电陶瓷限位柱213从扭矩传递环33上的通孔引出，其直径为3mm，其数量以及伸出长度根据井身结构设计来确定，可以理解，若钻头孔径需变化n次，则安装n个压电陶瓷限位柱。
在可选的实施方案中，如图7所示，加热电路5上可以包括本领域技术人员常用的连接电路组件和控制电路组件，更具体的为：可以包括沿顺时针方向依次串联的电源51、计算机控制器52、保险丝53和第一开关54，电源51电性连接其中一个接线柱215，第一开关54电性连接其中另一个所述接线柱215，加热电路5与每个环形镍钛合金片21电性连接形成闭合回路。第一开关54闭合，加热电路5闭合对每个环形镍钛合金片21加热，环形镍钛合金片21发热产生收缩变形，计算机控制器52可接收信号控制第一开关54开或关。
在可选的实施方案中，计算机控制器52还可以控制驱动电路611。
在可选的实施方案中，如图7所示，驱动电路611并联在加热电路5上，驱动电路611上可以包括本领域技术人员常用的连接电路组件和控制电路组件，更具体的为：可以包括沿逆时针方向依次串联的电源51、计算机控制器52、保险丝53、第二开关6111和电流传感器6112；电动推杆612串联在驱动电路611位于电流传感器6112和第二开关6111之间，压电陶瓷限位柱213在电路上并联在第二开关6111上，电流传感器6112感应压电陶瓷限位柱213的压电电流，计算机控制器52通过接收电流传感器6112的信号进而控制第二开关6111打开或关闭。变孔径钻头与钻杆连接用于地质钻探工程施工，电动推杆612驱动压电陶瓷限位柱213插设在压电陶瓷限位柱导向孔212内，当压电陶瓷限位柱213受到最外层的环形镍钛合金片21的挤压而产生压电电流，电流传感器6112感应到压电电流信号，并将信号发送至计算机控制器52，计算机控制器52接收信号后同时控制第二开关6111打开和第一开关54关闭：驱动电路611接通，电动推杆612工作，驱动伸缩杆6121直线运动，进而传动压电陶瓷限位柱213移动，沿镍钛合金孔径控制层2径向向其中心方向移动，位移至刚体内环32与扭矩传递环33之间的空间内；加热电路5断开，停止对环形镍钛合金片21加热。
在可选的实施方案中，电流传感器6112可以与压电陶瓷限位柱213通过导线相连接，压电陶瓷限位柱213的压电陶瓷受外力作用后变形感应出一定的电流，电流传感器6112接收并传递电流信号至计算机控制器52。
在可选的实施方案中，电动推杆612控制压电陶瓷限位柱213收缩。并与计算机控制器52、充电式电源51相连接。
在可选的实施方案中，加热电路5和驱动电路611，均可安装于钻头刚体3内；钻头刚体3下端引出的扭矩传递环33通过电弧焊的方式与镍钛合金孔径控制层2相连接；从刚体环形底衬34中引出若干条导线，与环形镍钛合金片上的接线柱215相连；从钻头刚体3圆柱面上引出若干根压电陶瓷限位柱213，从环形镍钛合金片上预留的导孔中穿过，伸出的长度根据井身结构设计来决定。
起初钻头正常回转，胎体工作层正常工作破碎井底岩石，与当前钻头直径匹配的地层施工完毕后，需要缩小钻头直径，启动电动推杆612驱动压电陶瓷限位柱213插设在压电陶瓷限位柱导向孔212内，此时向计算机控制器52发出指令，控制加热电路5闭合，向镍钛合金孔径控制层2的环形镍钛合金片21通电，产生一定的欧姆热，到达一定温度后，环形镍钛合金片21开始收缩，直至最外层镍钛合金片内壁接触到第一个压电陶瓷限位柱213，压电陶瓷受外力作用发生一定的变形，内部应力重新分布，压电现象产生的电流被电流传感器6112接收反馈到计算机控制器52中，电流达到设定值后，计算机控制器52断开第一开关54，加热电路5断开，停止加热。与此同时，计算机控制器52打开第二开关6111，驱动电路611闭合，电动推杆612驱动伸缩杆6121直线运动，压电陶瓷限位柱213位移至刚体内环32与扭矩传递环33之间的空间内，随后开钻，继续施工，直至下一次需要更换钻头直径时，重复以上过程。
在可选的实施方案中，本申请提供的电致驱动变孔径钻头完整的装配过程可以如下分为四个部分：
第一部分为胎体工作层，其形状为常规钻齿的圆弧形；
第二部分为镍钛合金孔径控制层，由10～15片环形镍钛合金片组成，除最外侧环形镍钛合金片外，其他环形镍钛合金片上均开有钻齿导向槽23和压电陶瓷限位柱导向孔212。钻头胎体工作层1底部通过导向槽23与镍钛合金孔径控制层2连接，每个钻齿外表面与最外层环形镍钛合金片内表面通过焊接方式连接；
第三部分为钻头刚体3，钻头刚体3下端引出的扭矩传递环33与镍钛合金孔径控制层2的最内层环形镍钛合金片21通过电弧焊的方式直接相连；
第四部分为加热电路5和驱动件61，装在钻头刚体3内部，第四部分中的压电陶瓷限位柱213从扭矩传递环33上的通孔引出，并穿过第二部分镍钛合金片上开出的部分压电陶瓷限位柱导向孔212，部分导线从钻头刚体3的刚体环形底衬34面引出与第二部分镍钛合金片上的接线柱215连接。
本发明的电致驱动变孔径钻头工作原理为：电致驱动变孔径钻头与钻杆连接用于地质钻探工程施工，电动推杆612驱动压电陶瓷限位柱213插设在压电陶瓷限位柱导向孔212内，在作业温度发生变化时，镍钛合金具有丰富的相变行为，有良好的形状记忆效应。当加热电路5闭合，对镍钛合金孔径控制层2的环形镍钛合金片21持续供电，环形镍钛合金片发热，由于不同尺寸大小的环形镍钛合金片21变形温度有一定差异，可以以压电陶瓷限位柱213控制环形镍钛合金片21的收缩。即环形镍钛合金片21达到其形变温度时持续收缩，当最外层的环形镍钛合金片21接触压电陶瓷限位柱213时，使得压电陶瓷限位柱213受挤压变形，产生压电电流，电流传感器6112电流，发送信号给计算机控制器52，当其变形量足够，感应电流达到计算机控制器52可接受的值时，控制第一开关54关闭，加热电路5断开；控制第二开关6111打开，驱动电路611闭合。电动推杆612的转子上连接有伸缩杆6121，压电陶瓷限位柱213连接在伸缩杆6121上。电动推杆612驱动伸缩杆6121直线运动，带动压电陶瓷限位柱213向扭矩传递环33内位移，压电陶瓷限位柱213复位至扭矩传递环33与刚体内环32形成的环状空间内，驱动电路611断开，孔径变化作业结束。
实施例1
拟施工的项目井身结构呈上宽下窄形状，井眼孔径最大处为113mm，井眼孔径最小处为91mm，井眼最深处距离地面仅200m，井地层岩石大部属于有风化的沉积岩，地层浅表有部分填埋土。
电致驱动变孔径钻头的制造：
步骤S1：制备胎体工作层
基体材料选用牌号为FOLLOW100的铁基合金球形粉末，粒度为15～53μm，球形度≥95％，基体合金占胎体总体积的90％。
胎体工作层金刚石选用机械破碎的无规则JR1型人造金刚石，粒度为44～74μm，金刚石占胎体总体积的10％。
将FOLLOW100铁基合金粉末与金刚石粉末按9：1的体积比配置，装入三维混料机中混合30小时后取出，装入激光选区熔化设备粉末腔。
成型腔预热至180℃，通保护气使成型腔内氧含量降低至200ppm以下。
设置激光器扫描功率为320w，扫描速度为650mm/s，扫描间距为0.12mm，激光光斑直径为50μm，铺粉层厚为50μm，开启激光器，开始逐层扫描成形胎体工作层。
钻头胎体工作层的结构及尺寸具备以下特点：呈圆弧形，内圆半径为45.5mm，外圆半径为56.5mm，圆心角开口为45°，厚度为15mm，钻齿共4个。
加工完毕后，使用线切割机将钻头胎体工作层从基板上切割下来。
步骤S2，制备镍钛合金孔径控制层
镍钛合金孔径控制层原材料使用近等原子比镍钛合金近球形粉末，粒度为15～53μm，粒径分布为：d10约为18.2μm、d50约为30.5μm和d90约为49.9μm，球形度≥95％。
进一步的，成型腔预热至200℃，通保护气使成型腔内氧含量降低至200ppm以下。
设置激光器扫描功率为200w，扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.12mm，激光光斑直径为40μm，铺粉层厚为50μm，开启激光器，逐层扫描成形孔径控制层。
进一步的，镍钛合金孔径控制层的结构及尺寸具备以下特点：由10片镍钛合金片构成，镍钛合金片尺寸逐渐减小，将10个合金片直径由小到大依次编号为1～10号，半径从小到大分别为：42.5mm、48.5mm、49.5mm、50.5mm、51.5mm、52.5mm、53.5mm、54.5mm、55.5mm、56.5mm，镍钛合金片厚度均为0.5mm，轴向尺寸为30mm。
每个镍钛合金片之间通过一排扭矩传递柱(圆片中间，径向排布)连接，镍钛合金片均不闭合，中间开有0.1mm的条缝，各片条缝呈交错排列，2～10号镍钛合金片下端(且在条缝两边)各留有一个接线柱安装孔。
除10号镍钛合金片外，其余9个合金片上均开有四个钻齿导向槽，其大小与钻齿大小相匹配，深度为5mm，恰好使钻齿卡固在导向槽中，在钻头回转过程中，钻齿受扭发生转动而不发生径向滑动。
除10号镍钛合金片外，其余9个合金片中部同一径向线上均开有压电陶瓷限位柱导孔，导孔口径为3mm。
步骤S3：连接胎体工作层及镍钛合金孔径控制层
将所述钻头胎体工作层的四个钻齿沿着1～9号镍钛合金片上的导向槽滑动至贴紧10号合金片，用电弧焊接的方式将钻齿与10号合金片焊紧。
步骤S4：连接镍钛合金孔径控制层与钻头刚体
钻头刚体呈内外环形结构，外环上端外表面攻有公螺纹，外环半径为45.5mm，内环半径为32mm，刚体下部为底衬，内环从上至下贯穿整个刚体以保证钻井液顺利流过而不干扰内外环之间的孔径控制系统和其他传感器元件，底衬下焊接有半径为42.5mm的扭矩传递环。
扭矩传递环通过电弧焊的方式与1号镍钛合金片焊接在一起，在钻头刚体回转时带动镍钛合金孔径控制层及胎体工作层转动。
步骤S5：装配加热电路和限位机构
将加热电路5、限位机构6装配在钻头刚体3内。
将加热电路5和限位机构6的所有元器件固定安装在扭矩传递环33和刚体内环32之间的空间内。
如图8所示，安装1个限位机构，1根压电陶瓷限位柱，从扭矩传递环33上的通孔引出，延伸方向为压电陶瓷限位柱导向孔212，压电陶瓷限位柱长度为7.5mm，穿过1～3号圆片。
从钻头的刚体环形底衬34下接出的18根导线外部做好绝缘处理，分别与2～10号镍钛合金片上的接线柱相连接。
本实施例制造出的电致驱动变孔径钻头的胎体工作层是选用FOLLOW100铁金属基金刚石原料，使用寿命为磨损1mm钻齿可破碎30m风化岩层。
本实施例制造出的电致驱动变孔径钻头的镍钛合金孔径控制层的缩径率为19.5％，可服役1000次以上收缩变形，可至少承受钻杆转速为500r/min传递下来的扭矩。
将实施例1制造且组装完毕的电致驱动变孔径钻头与钻杆连接用于地质钻探工程施工。开始施工时，钻机的主动钻杆带动钻杆旋转，钻杆将力传递给钻头，变孔径钻头开始工作。
钻头开始工作前，在地面上即向计算机控制器52发出指令，电动推杆612驱动压电陶瓷限位柱213插设在压电陶瓷限位柱导向孔212内，加热电路5闭合，此时通电电流为10A，预热至临近镍钛合金同心圆片开始发生形变的温度，主动钻杆转动，钻头开始工作，此时将通电电路的滑动变阻器电阻值调大，使通电电流至2A以下，持续为镍钛合金同心圆片供电。镍钛合金同心圆片达到形变温度后，开始发生变形，由于加热持续，变形持续进行，但由于温度改变较慢，形变过程也较为缓慢，直至钻头直径缩短至45.5mm。此时10号环形镍钛合金片接触压电陶瓷限位柱213，压电陶瓷受力发生微小形变，在内部感应出电流，当形变量达到一定量时，电流信号被电流传感器6112捕捉，并将向计算机控制器52发送信号，计算机控制器52控制打开第二开关6111进而控制驱动电路611闭合，电动推杆612开始驱动伸缩杆6121直线运动，带动压电陶瓷限位柱213沿镍钛合金孔径控制层2径向方向直线移动，待1号压电陶瓷限位柱位移至刚体内环32与扭矩传递环33之间的空间内，电动推杆612停止转动。此时计算机控制器52控制加热电路5断开，环形镍钛合金同心圆片上无电流，温度开始下降，由于镍钛合金的超弹性，在下一次加热前，虽有温度的下降，但镍钛合金同心圆片不会再扩大。
钻头继续工作，直到钻至距地面200m目标地层处。
实施例2
拟施工的项目井身结构有3段，井眼孔径分别为91mm、75mm、59mm，91mm井眼段长100m，75mm井眼段长200m，59mm井眼段长400m，地层岩石致密、完整程度高。
电致驱动变孔径钻头的制造：
步骤S1：制备胎体工作层
基体材料选用铜锡钛合金球形粉末，粒度为15～53μm，球形度≥95％，基体合金占胎体总体积的80％。
胎体工作层金刚石选用正十二面体JR1型人造金刚石，粒度为38～44μm，金刚石占胎体总体积的20％。
将铜锡钛合金粉末与金刚石粉末按8：2的体积比配置，装入三维混料机中混合20小时后取出，将混料得到的金属基金刚石复合材料装入激光选区熔化设备粉末腔。
激光选区熔化设备成型腔预热至180℃，通保护气使成型腔内氧含量降低至200ppm以下。
设置激光器扫描功率为420w，扫描速度为500mm/s，扫描间距为0.12mm，激光光斑直径为50μm，铺粉层厚为50μm，开启激光器，开始逐层扫描成形胎体工作层。
钻头胎体工作层的结构及尺寸具备以下特点：呈圆弧形，内圆半径为29.5mm，外圆半径为45.5mm，圆心角开口为45°，厚度为20mm，钻齿共4个。
加工完毕后，使用线切割机将钻头胎体工作层从基板上切割下来。
步骤S2，制备镍钛合金孔径控制层
镍钛合金孔径控制层原材料使用近等原子比镍钛和近球形粉末，粒度为15～53μm，粒径分布为：d10约为18.2μm、d50约为30.5μm和d90约为49.9μm，球形度≥95％。
成型腔预热至200℃，通保护气使成型腔内氧含量降低至200ppm以下。
设置激光器扫描功率为200w，扫描速度为1000mm/s，扫描间距为0.12mm，激光光斑直径为40μm，铺粉层厚为50μm，开启激光器，逐层扫描成形孔径控制层。
镍钛合金孔径控制层的结构及尺寸具备以下特点：由12片环形不闭合镍钛合金片构成，环形镍钛合金片尺寸逐渐减小，将12个环形镍钛合金片直径由小到大依次编号为1～12号，半径从小到大分别为：26.1mm、27.8mm、29.5mm、31.2mm、32.9mm、34.6mm、36.3mm、38mm、39.7mm、41.4mm、43.1mm、45.5mm。环形镍钛合金片厚度均为0.5mm，轴向尺寸为30mm。
每个环形镍钛合金片21之间通过一排扭矩传递柱22(径向排布)连接，所有环形镍钛合金片21均不闭合，中间开有0.1mm的条缝，各片条缝呈交错排列。2～12号环形镍钛合金片下端(且在条缝两边)各留有一个接线柱安装孔214。
除12环形镍钛合金片21外，其余11个环形镍钛合金片21上均开有四个钻齿导向槽23，其大小与钻齿大小相匹配，深度为5mm，恰好使钻齿卡固在导向槽23中，在钻头回转过程中，钻齿受扭发生转动而不发生径向滑动。
除12号环形镍钛合金片21外，其余11个环形镍钛合金片21中部同一径向线上均开有2个压电陶瓷限位柱导向孔212，导孔口径为3mm。
步骤S3：连接胎体工作层及镍钛合金孔径控制层
将胎体工作层的四个钻齿沿着1～11号环形镍钛合金片上的导向槽23滑动至贴紧12号环形镍钛合金片，用电弧焊接的方式将钻齿与12号环形镍钛合金片焊紧，
步骤S4：连接镍钛合金孔径控制层与钻头刚体
钻头刚体3呈内外环形结构，刚体外环31上端外表面刻有刚体外螺纹36，刚体外环31的半径为29.5mm，刚体内环32的半径为14mm，刚体下部为刚体环形底衬34，刚体内环32从上至下贯穿整个钻头刚体3以保证钻井液顺利流过而不干扰内外环之间的孔径控制电路7和其他传感器元件，刚体环形底衬34上焊接有半径为26.1mm的扭矩传递环33(轴向尺寸为30mm)。
扭矩传递环33通过电弧焊的方式与1号镍钛合金片焊接在一起，在钻头刚体回转时带动镍钛合金孔径控制层及胎体工作层转动。
步骤S5：装配加热电路和限位机构
将加热电路和限位机构与镍钛合金孔径控制层实现电性连接。
将加热电路5和限位机构6的所有元器件固定安装在扭矩传递环33和刚体内环32之间的空间内。
如图9所示，共安装2个限位机构，2根压电陶瓷限位柱，从扭矩传递环33上的通孔伸出，延伸方向为压电陶瓷限位柱导向孔212，分别编号为1、2号，1号压电陶瓷限位柱长度为11.4mm，穿过1～7号圆片；2号压电陶瓷限位柱长度为3.4mm，穿过1～2号圆片。1、2号压电陶瓷限位柱直径均为3mm。
从钻头的刚体环形底衬34下接出的22根导线外部做好绝缘处理，分别与2～12号镍钛合金片上的接线柱相连接。
本实施例制造出的电致驱动变孔径钻头的胎体工作层是选用铜锡钛合金金属基金刚石原料，使用寿命为磨损1mm钻齿可破碎50m致密岩层。
本实施例制造出的电致驱动变孔径钻头的镍钛合金孔径控制层缩径率为35.2％，可服役1000次以上收缩变形，可至少承受钻杆转速为500r/min传递下来的扭矩。
将实施例2制造且组装完毕的电致驱动变孔径钻头与钻杆连接用于地质钻探工程施工。开始施工时，钻机的主动钻杆带动钻杆旋转，钻杆将力传递给钻头，变孔径钻头开始工作。
胎体工作层不断磨损地层，第一阶段的井眼直径为91mm，当钻头钻至距地面100米处，井上工作人员向井下钻头驱动电路611上的计算机控制器52发出指令，电动推杆612驱动压电陶瓷限位柱213插设在压电陶瓷限位柱导向孔212内，加热电路5闭合。通过导线向2～12号镍钛合金片供电，额定电流为10A，镍钛合金片产生欧姆热，温度升高，当达到形变温度时，镍钛合金片开始回复收缩，直到12号镍钛合金片接触到1号压电陶瓷限位柱。此时1号压电陶瓷受力发生微小形变，在内部感应出电流，当形变量达到一定量时，电流信号被电流传感器6112捕捉，并将向计算机控制器52发送信号，计算机控制器52控制打开第二开关6111进而控制驱动电路611闭合，电动推杆612开始驱动伸缩杆6121直线运动，带动压电陶瓷限位柱213沿镍钛合金孔径控制层2径向方向直线移动，待1号压电陶瓷限位柱位移至刚体内环32与扭矩传递环33之间的空间内，电动推杆612停止转动，此时计算机控制器52控制加热电路5断开，环形镍钛合金片上无电流，温度开始下降，由于镍钛合金的超弹性以及扭矩传递环和钻齿的限制，在下一次加热前，虽有温度的下降，但镍钛合金片不会扩大。
井上工作人员开钻，钻杆带动钻头重新回转，向下以75mm的孔径继续钻进至距离地面300m处，重复以上孔径变化过程，不同的是，此次12号镍钛合金片与2号压电陶瓷限位柱相接触。
随后主动钻杆重新回转，向下以59mm的孔径继续钻至距离地面700m处，钻探碎岩过程完毕。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电致驱动变孔径钻头，其特征在于，包括钻头本体(4)、加热电路(5)和至少一个限位机构(6)，所述钻头本体(4)包括由上自下依次设置的胎体工作层(1)、镍钛合金孔径控制层(2)和钻头刚体(3)；
所述胎体工作层(1)包括多个钻齿(11)；
所述镍钛合金孔径控制层(2)包括多个设置在所述钻头刚体(3)上的环形镍钛合金片(21)，所有所述环形镍钛合金片(21)同心圆设置，相邻的两个环形镍钛合金片之间沿其周向间隔设置有扭矩传递柱(22)，每组相邻的两个环形镍钛合金片的扭矩传递柱相对应，沿其径向形成一排；每个所述环形镍钛合金片(21)均设有不封闭条缝(211)，所有所述不封闭条缝(211)呈交错排列；除最外层所述环形镍钛合金片(21)外，其它每个所述环形镍钛合金片(21)的顶部均开设有开口槽构成多个导向槽(23)，多个所述钻齿(11)一一对应的设置在所述导向槽(23)内，每个所述环形镍钛合金片(21)均与所述加热电路(5)电性连接，可形成闭合回路，以对每个所述环形镍钛合金片(21)进行加热，使其产生变形从而发生多次缩径；
所述限位机构(6)包括驱动件(61)和压电陶瓷限位柱(213)；
除最外层环形镍钛合金片(21)外，其它每个环形镍钛合金片(21)上均开设有至少一个通孔，沿径向一一对应，相对应的通孔连通构成压电陶瓷限位柱导向孔(212)，所述压电陶瓷限位柱(213)的一端设置在压电陶瓷限位柱导向孔(212)内，所述驱动件(61)位于镍钛合金孔径控制层的内环，驱动件与所述压电陶瓷限位柱(213)的另一端传动连接，以驱动所述压电陶瓷限位柱(213)沿压电陶瓷限位柱导向孔(212)运动，并将所述压电陶瓷限位柱(213)限位至其任一运动轨迹上，缩径时，所述最外层环形镍钛合金片(21)与所述压电陶瓷限位柱(213)相抵，以限位所述镍钛合金孔径控制层(2)的缩径范围。
2.如权利要求1所述的电致驱动变孔径钻头，其特征在于，所述每个所述环形镍钛合金片(21)的下端均设置有两个接线柱安装孔(214)，所述接线柱安装孔(214)内设置有接线柱(215)，两个所述接线柱(215)分别与所述加热电路(5)正极和负极电性连接，所述加热电路(5)上包括沿顺时针方向依次串联的电源(51)、计算机控制器(52)、保险丝(53)和第一开关(54)，所述电源(51)电性连接其中一个所述接线柱(215)，所述第一开关(54)电性连接其中另一个所述接线柱(215)，所述加热电路(5)与每个所述环形镍钛合金片(21)电性连接形成闭合回路。
3.如权利要求2所述的电致驱动变孔径钻头，其特征在于，所述钻头刚体(3)包括刚体外环(31)、刚体内环(32)、扭矩传递环(33)、刚体环形底衬(34)和环形密封板(35)，所述刚体内环(32)同心套设在所述刚体外环(31)内，所述刚体内环(32)的一端端部与所述刚体外环(31)的一端端部均固定在所述环形密封板(35)上，所述刚体内环(32)的另一端延伸至所述刚体外环(31)外部，所述刚体环形底衬(34)同心设置在所述刚体内环(32)外且设置在所述刚体外环(31)上，所述扭矩传递环(33)同心设置在所述刚体内环(32)外且设置在所述刚体环形底衬(34)上，最小直径的所述环形镍钛合金片(21)固定设置在所述扭矩传递环(33)上，所述扭矩传递环(33)上开设有与所述压电陶瓷限位柱导向孔(212)连通的通孔，所述压电陶瓷限位柱(213)由所述通孔插设在所述压电陶瓷限位柱导向孔(212)内。
4.如权利要求3所述的电致驱动变孔径钻头，其特征在于，所述驱动件(61)包括驱动电路(611)和电动推杆(612)，所述电动推杆(612)的伸缩杆(6121)与所述压电陶瓷限位柱(213)连接，驱动所述压电陶瓷限位柱(213)沿所述镍钛合金孔径控制层(2)径向方向直线移动，穿过所述扭矩传递环(33)上的通孔位移至所述刚体内环(32)与所述扭矩传递环(33)之间的空间内。
5.如权利要求4所述的电致驱动变孔径钻头，其特征在于，所述驱动电路(611)与所述加热电路(5)并联，所述驱动电路(611)上还包括沿逆时针方向依次串联的所述电源(51)、所述计算机控制器(52)、所述保险丝(53)、第二开关(6111)和电流传感器(6112)；所述电动推杆(612)串联在所述驱动电路(611)且位于所述电流传感器(6112)和所述第二开关(6111)之间，所述压电陶瓷限位柱(213)在电路上并联在所述第二开关(6111)上，所述电流传感器(6112)感应所述压电陶瓷限位柱(213)的压电电流，所述计算机控制器(52)通过接收所述电流传感器(6112)的信号进而控制所述第二开关(6111)打开或关闭。
6.一种如权利要求5任一项所述的电致驱动变孔径钻头的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、制备胎体工作层
构建如权利要求1所述的胎体工作层的3D模型，将胎体工作层的三维模型进行切片分层处理，并将数据导入增材制造设备中，然后将胎体工作层粉末送入增材制造设备中，采用选区激光熔化工艺成形，成形的产品经切割，得到胎体工作层；所述胎体工作层粉末包括金刚石粉末和具有球形结构的合金粉末，所述金刚石粉末占比10％～20％，所述合金粉末占比80％～90％；
S2、制备镍钛合金孔径控制层
构建如权利要求1所述的镍钛合金孔径控制层的3D模型，将镍钛合金孔径控制层的三维模型进行切片分层处理，并将数据导入增材制造设备中，然后将镍钛合金孔径控制层粉末送入增材制造设备中，采用选区激光熔化工艺成形，成形的产品经切割，得到镍钛合金孔径控制层；所述镍钛合金孔径控制层粉末包括近等原子比的镍钛合金粉末；
S3、连接胎体工作层与镍钛合金孔径控制层
使所述胎体工作层(1)沿着所述镍钛合金孔径控制层的导向槽(23)移动，直至抵达所述镍钛合金孔径控制层的最外层环形镍钛合金片(21)，采用电弧焊的方式将胎体工作层外径圆面与最外层镍钛合金片焊接起来；
S4、连接镍钛合金孔径控制层与钻头刚体
采用电弧焊的方式将所述镍钛合金孔径控制层的最小直径环形镍钛合金片上的所述扭矩传递柱(22)固定连接在所述扭矩传递环(33)上；
S5、装配加热电路(5)和限位机构(6)
将所述加热电路(5)和所述限位机构(6)装配在所述钻头刚体(3)内。
7.如权利要求6所述的一种电致驱动变孔径钻头的制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述金刚石粉末选用的金刚石晶型为正十二面体，粒径为38～44μm；所述合金粉末的球形度不低于95％，粒径为15～53μm，所述合金粉末包括铜基合金、铁基合金和钴基合金中任意一种；所述选区激光熔化成形的工艺包括：工作气氛包括氩气及氮气中的至少一种，粉末床厚度为45～55μm，填充间距为120μm，激光扫描速度为550～850mm/s，激光功率为100～500w，扫描策略为带状X-Y扫描。
8.如权利要求6所述的一种电致驱动变孔径钻头的制造方法，其特征在于，步骤S2中，所述镍钛合金孔径控制层粉末为球形结构，球形度不低于95％，粒径大小为15～53μm；粒径分布为：d10不大于18.2μm、d50不大于30.5μm和d90不大于49.9μm；所述镍钛合金中镍含量不小于50.73％，钛含量不小于49.2％，其余杂质原子含量不大于0.07％。
9.如权利要求8所述的一种电致驱动变孔径钻头的制造方法，其特征在于，步骤S2中，所述选区激光熔化成形的工艺包括：工作气氛包括氩气及氮气中的至少一种，粉末床厚度为45～55μm，填充间距为120μm，激光扫描速度为800～1200mm/s，激光功率为100～300w，扫描策略为带状X-Y扫描。
10.如权利要求1-5任一项所述的电致驱动变孔径钻头在地质钻探工程施工过程中的应用，其特征在于，将所述电致驱动变孔径钻头与钻杆连接用于地质钻探工程施工。
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