胎體式PDC鉆頭基礎(chǔ)模具設(shè)計(jì)與成型工藝的研究-

1、胎體式PDC鉆頭基礎(chǔ)模具設(shè)計(jì)與成型工藝的研究2010-09-17 15:40:59 來源:點(diǎn)擊:0對PDC鉆頭模具三維設(shè)計(jì)和數(shù)控加工一體化技術(shù)的方法、步驟和相關(guān)工藝技術(shù)進(jìn)行了研究。解決了PDC鉆頭模具輔助設(shè)計(jì)二維數(shù)據(jù)的三維轉(zhuǎn)化問題,提出了模具三維造型和參數(shù)化開發(fā)的方法,并應(yīng)用CAD /CAM系統(tǒng)軟件PRO/E建立了PDC鉆頭模具三維模型,應(yīng)用PRO/PROGRAM(程序開發(fā)模塊進(jìn)行PDC鉆頭模具造型的參數(shù)化開發(fā),并編制了相應(yīng)的參數(shù)化開發(fā)軟件,提高了PDC鉆頭模具造型速度和準(zhǔn)確性。在建立PDC鉆頭模具三維造型的基礎(chǔ)上,確定了模具數(shù)控加工工藝,摸索出一套利用PRO/E軟件進(jìn)行PDC鉆頭模具計(jì)算機(jī)輔

2、助制造的方法和步驟,實(shí)現(xiàn)了PDC鉆頭模具一次裝卡、一次成形的高精度自動(dòng)化數(shù)控加工技術(shù)。關(guān)鍵詞PDC鉆頭模具三維設(shè)計(jì)數(shù)控加工技術(shù)CAD/CAM聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭(簡稱PDC鉆頭由鉆頭體、接頭組成,根據(jù)鉆頭體按材料的不同分為胎體PDC鉆頭和鋼體PDC鉆頭。胎體PDC鉆頭的鉆頭體是采用鑄造碳化鎢粉和浸漬料經(jīng)無壓浸漬燒結(jié)而成的。鉆頭體形狀是通過模具的形狀而間接實(shí)現(xiàn)的。模具由底模、中模和上模三部分組成。模具的中模和上模的設(shè)計(jì)與加工都很容易實(shí)現(xiàn)。但底模是具有復(fù)雜曲面特征的實(shí)體,PDC鉆頭的冠部形狀參數(shù)、切削齒位置和方向參數(shù)、水力結(jié)構(gòu)參數(shù)等都是通過底模的形狀來實(shí)現(xiàn)的。因此底模的設(shè)計(jì)和加工是模具設(shè)計(jì)和加工中

3、最重要的一部分,其設(shè)計(jì)的好壞和加工的精度都直接關(guān)系到鉆頭的最終使用效果。高質(zhì)量的模具是保證PDC鉆頭質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。目前國內(nèi)PDC鉆頭模具的形成主要有三種方法。第一種(應(yīng)用最多的,如圖1所示是利用普通車床車削形成鉆頭冠部形狀,依靠分度頭手工劃線定位、普通萬能銑床銑削完成切削齒和水眼的加工,再通過手工修模完成水力結(jié)構(gòu)的造型等多道工序完成的。這種加工方法的缺點(diǎn)是工人勞動(dòng)強(qiáng)度大、加工精度低、人為誤差大,難以控制和保證質(zhì)量,很難達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。第二種是數(shù)控加工,利用數(shù)控機(jī)床加工形成鉆頭的冠部形狀和切削齒的定位,然后再通過手工修?；蛘哒成舷鄳?yīng)形狀成形的水力結(jié)構(gòu)(粘上以后也要進(jìn)行一定的手工修理而最后形

4、成模具的。這種加工方法的缺點(diǎn)是并未實(shí)現(xiàn)完全意義上的數(shù)控加工,切削平面確立和過度還需手工進(jìn)行完善,存在一定的誤差。第三種是利用橡膠模進(jìn)行成形,首先將加工好的模具先形成橡膠模,再利用此橡膠模通過澆鑄形成模具。這種加工方法的缺點(diǎn)是產(chǎn)品的改形困難,橡膠模的質(zhì)量要好,相應(yīng)的加工工藝要完善,尤其是獲得橡膠模的原始模具必須保證質(zhì)量,而實(shí)現(xiàn)模具的形狀必然要通過上述兩種方法,這兩種方法的缺點(diǎn)也必然體現(xiàn)在它的上面。國外PDC鉆頭CAD/CAM一體化高度集成,設(shè)計(jì)和制造有機(jī)結(jié)合起來。首先進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),由二維數(shù)據(jù)形成三維模型,利用此三維模型生成數(shù)控加工程序,利用數(shù)控加工機(jī)床實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工。目前國內(nèi)進(jìn)行PDC鉆頭模具三維

5、設(shè)計(jì)和完全意義上實(shí)現(xiàn)模具數(shù)控加工,把模具的設(shè)計(jì)和制造有機(jī)的結(jié)合起來還處于探索階段。石油大學(xué)(北京方面開展了PDC鉆頭三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)的初步研究。它可將PDC鉆頭二維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的輸出結(jié)果三維化,并可輸出圖紙和圖形數(shù)據(jù)文件,具備了一定的三維設(shè)計(jì)功能,但是與計(jì)算機(jī)輔助制造并沒有結(jié)合前來,而且建立的三維模型也是經(jīng)過簡化的,準(zhǔn)確性不夠。在牙輪鉆頭方面國內(nèi)也進(jìn)行了CAD/CAM相結(jié)合的研究,已經(jīng)取得了成功?？梢娒鎸γ娴娜藱C(jī)交互式的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(三維設(shè)計(jì)和高精度自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)控加工技術(shù)兩者的有機(jī)結(jié)合是未來PDC鉆頭模具設(shè)計(jì)和加工的發(fā)展方向。針對這一問題進(jìn)行了PDC鉆頭模具三維設(shè)計(jì)和數(shù)控加工一體化技

6、術(shù)研究,實(shí)現(xiàn)PDC鉆頭模具的三維設(shè)計(jì)和數(shù)控加工,集車模、劃線、銑模、修模四道工序與一體,模具一次裝卡、模具一次成形。大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度,提高模具加工精度和質(zhì)量,對鉆頭性能指標(biāo)起到極大的促進(jìn)作用,進(jìn)一步縮短了鉆頭改型和制造周期,更好地適應(yīng)市場需求。1 PDC鉆頭模具三維設(shè)計(jì)與參數(shù)化造型研究1.1 PDC鉆頭模具輔助設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)三維轉(zhuǎn)化原理研究形成鉆頭PDC鉆頭底模的數(shù)據(jù)是通過以下三個(gè)圖反映的。底模剖面圖反映了PDC鉆頭冠部形狀尺寸;底模排屑?jí)K圖反映了水力結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù);PDC鉆頭的布齒圖反映各個(gè)切削齒和水眼的空間位置參數(shù)和空間方向參數(shù)。在加工時(shí)先按照圖2底模剖面圖上冠部形狀尺寸用普通車床車削形成鉆頭冠部

7、形狀,再依靠分度頭按照圖3鉆PDC鉆頭的布齒圖上數(shù)據(jù)手工劃線定位,用普通萬能銑床銑削完成切削齒和水眼的加工,最后按照圖4底模排屑?jí)K圖上的數(shù)據(jù)通過手工修模完成水力結(jié)構(gòu)造型。從圖5至圖7我們看到PDC鉆頭底模是一個(gè)曲面特征復(fù)雜的實(shí)體,最關(guān)鍵的就是切削齒位置如何準(zhǔn)確定位,圖中粘貼的石墨片位置就是最后切削齒的位置,石墨片與排屑槽相粘貼的表面就是切削平面。像上述工藝就很難保證切削齒的位置,其準(zhǔn)確程度主要依賴于修模人的水平。難以保證實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。要對這樣一個(gè)復(fù)雜的曲面的特征實(shí)體利用數(shù)控機(jī)床加工,就必須要進(jìn)行數(shù)控編程,而對這樣復(fù)雜形狀的實(shí)體用手工進(jìn)行編程在短時(shí)間是難以實(shí)現(xiàn)的,而且準(zhǔn)確程度難以保證。因此必須

8、利用計(jì)算機(jī)輔助編程。而要利用計(jì)算機(jī)輔助編程必須先建立模具三維模型,然后調(diào)用此模型,利用CAD/CAM系統(tǒng)軟件的CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造模塊功能實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控。切削齒位置和方向的準(zhǔn)確定位是保證模具三維模型準(zhǔn)確建立的前提。因此,必須實(shí)現(xiàn)切削齒二維數(shù)據(jù)向三維的轉(zhuǎn)化。確定切削齒的位置要素有兩個(gè),即切削平面中心的空間位置和切削平面方向?？臻g位置參數(shù)包括切削齒中心在鉆頭上的半徑R,軸向高度H和周向位置角。切削平面的空間方向參數(shù)包括切削齒的仰角(有的稱齒前角、側(cè)向角(有的稱側(cè)轉(zhuǎn)角和法向角(有的稱裝配角(圖8。切削齒角度采用以下定義:仰角定義為切削齒工作面和齒柱軸線(對于鋼體式PDC鉆頭,下同或齒中心處的鉆

9、頭表面外法線(對于胎體式PDC 鉆頭,下同所成的夾角;側(cè)向角口定義為鉆頭在垂直于齒柱軸線或齒中心處的鉆頭表面外法線的平面上,切削齒工作面與鉆頭半徑平面的夾角;法向角定義為齒柱軸線或齒中心處的鉆頭表面外法線與鉆頭軸線的夾角。將PDC鉆頭布齒圖上反映的二維數(shù)據(jù)三維化,從而進(jìn)行切削齒的定位,切削平面的確立,這是保證PDC鉆頭模具三維造型的關(guān)鍵。根據(jù)PDC鉆頭結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),建立如圖8所示的復(fù)合坐標(biāo)系統(tǒng)。(1鉆頭圓柱坐標(biāo)系:以鉆頭軸線為豎軸O1H1,建立一個(gè)固定于鉆頭上的右手系圓柱坐標(biāo)系O1R11H1,切削齒中心02在該坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為02(R、H,當(dāng)鉆頭運(yùn)動(dòng)時(shí)R、H為常量。(2切削齒直角坐標(biāo)系:為

10、了表示切削齒上的幾個(gè)空間方位角度之間的關(guān)系,在切削齒工作面中心O2處建立切削齒的復(fù)合直角坐標(biāo)系統(tǒng),它由四個(gè)空間直角坐標(biāo)系組成,下面分別加以說明(圖8。切削齒位置坐標(biāo)系:以過02點(diǎn)的鉆頭半徑平面作為02 X1Z1平面,O2Y1垂直于該面,02Z1平行于O1H1,建立一個(gè)右手系的直角坐標(biāo)系02X1Y1Z1。切削齒裝配坐標(biāo)系:將02X1Y1Z1坐標(biāo)系中的O2X1軸和O2Z1軸按裝配角的方向繞O2Y1,軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,即為切削齒裝配坐標(biāo)系02X2Y2Z2,坐標(biāo)系的02Z2軸平行于齒柱軸線或過02點(diǎn)處的鉆頭表面外法線,02X2Z2仍在鉆頭半徑平面內(nèi)。切削齒側(cè)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系:再將02X2Y2Z2坐標(biāo)系中的02X2;軸和02Y2軸按側(cè)轉(zhuǎn)角方向繞02Z2軸旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,即成切削齒側(cè)轉(zhuǎn)坐標(biāo)系02X3Y3Z3,該坐標(biāo)系的02X3軸在切削齒工作面內(nèi)。切削齒基本坐標(biāo)系:再將02X3Y3Z3坐標(biāo)系