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熔模铸造弧角型PDC钻头的研究与应用

田宏杰

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西省西安市，710077)

摘 要 针对在加工弧角型PDC钻头过程中存在的效率低、成本高、衔接工序多等问题，对采用熔模铸造工艺制造弧角型PDC钻头进行了相关研究。研究发现，将熔模铸造技术应用在弧角型PDC钻头的制造上，不但可以使钻头上复杂曲面一次性铸造成型，而且可以大大提升钻头的生产效率，降低钻头制造成本；同时，熔模铸造弧角型PDC钻头还具有良好的力学性能，钻速和钻头寿命均与普通机械加工弧角型PDC钻头相当，能够满足现场应用要求。

关键词 熔模铸造 弧角型PDC钻头 铸造材料 钻孔施工

中图分类号 TD4.25

文献标识码 A

基金项目：陕西省自然科学基础研究计划青年项目 (2017JQ5070)

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引用格式：田宏杰.熔模铸造弧角型PDC钻头的研究与应用[J].中国煤炭，2020，46(5):109-112.

Tian Hongjie. Research and application of investment casting arc angle PDC bit [J].China Coal， 2020，46(5):109-112.

Research and application of investment casting arc angle PDC bit

Tian Hongjie

(Xi'an Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group， Xi'an， Shaanxi 710077， China)

Abstract In order to solve low efficiency， high cost and many connecting processes in the process of manufacturing arc angle PDC bits， the correlational research on investment casting technology used to manufacture arc angle PDC bits was carried out. It was found that the application of investment casting technology used in the manufacture of arc angle PDC bit could not only make the complex curved surface of the bit cast in one time， but also greatly improve the production efficiency of the bit and reduce the bit manufacturing cost. At the same time， the arc angle PDC bit of investment casting had good mechanical properties， and its drilling speed and bit life were the same as that of the ordinary machining arc angle PDC bit， and could meet the requirements of field application.

Key words investment casting， arc angle PDC bit， casting materials， drilling construction

弧角型PDC钻头是一种特殊结构的金刚石复合片钻头，由于具有流线型的冠部曲线、齿窝包镶性好和分层错峰布齿等结构特点，在煤矿井下钻孔施工中具有较高的钻速和较长的寿命，得到了市场越来越多的关注和应用。然而，由于弧角型PDC钻头曲面结构复杂，刀翼上每个切削齿具有不同空间角度，必须借助于五轴加工中心才能完成整个钻头体的加工，导致加工成本高、效率低。因此，为了适应市场需求急需寻求一种既可靠又高效的弧角型PDC钻头制造方法[1-3]。

熔模铸造是一种少切削或无切削的精密铸造工艺，具有精度高、表面质量好、可实现复杂铸件成型等特点，在汽车、机械制造、仪器等行业得到广泛应用。采用熔模铸造工艺生产的零件不仅可以大幅度节约金属原料，还可节省大量机床设备和加工工时。基于以上优点，笔者针对熔模铸造工艺在弧角型PDC钻头制造中的应用进行了技术研究，研究发现采用熔模铸造工艺制造弧角型PDC钻头不但可以使钻头中的复杂曲面一次铸造成型，提高钻头体的一致性、较好地控制钻头质量，而且可以大大提高生产效率，降低制造成本[4-7]。

1 弧角型PDC钻头及铸造模型的结构设计

1.1 弧角型PDC钻头结构设计

弧角型PDC钻头是一种刮刀式PDC钻头[7]，结构设计采用刀翼式结构。钻头冠部曲线设计为短抛物线结构，并根据钻进地层情况设计合理的内锥角，切削齿按照错缝布齿原则分布在冠部抛物线上。刀翼及水口采用流道结构设计，为了适当降低制造难度并增强钻头的排屑能力，刀翼结构选用三翼直刀翼结构，水口顶端设计为圆弧结构，减小排屑阻力，在保证钻头强度的情况下尽可能缩小水口直径，保证较大的排屑空间。采用这种方法设计的弧角型PDC钻头，不但切削齿自由面多、单齿切削量小、有利于快速切削岩石，而且刀翼式的钻头结构使得钻头排屑能力强，钻头不容易磨损。弧角型PDC钻头结构如图1所示。

图1 弧角型PDC钻头结构

1.2 弧角型PDC钻头铸造毛坯结构设计

弧角型PDC钻头铸造毛坯结构设计主要包含两个部分：一是按照铸造工艺要求和结构工艺性，设计合理的铸造余量、拔模斜度等；铸造余量设计是针对关键尺寸添加1～2 mm的精加工余量，拔模斜度是为方便钻头出模，沿开模方向设计的斜度，弧角型PDC钻头铸造毛坯拔模斜度一般设计角度为0.5°～3°；二是铸造毛坯的结构优化，由于熔模铸造相对于普通机械加工而言不受零件结构、曲面形状等的限制，弧角型PDC钻头铸造毛坯结构设计时，可将刀翼上每2个复合片之间需要后续人工打磨的余量直接铸造成型，不仅可以大大减少后续人工修磨量，同时可以增加钻头的美观性；水眼设计方面，由于弧角钻头水眼与轴线间有一定的夹角，为了减小铸造成本，本次铸造仅在水眼位置做出标记，铸造完成后通过机加工完成。按照以上设计方法设计的弧角型PDC钻头铸造毛坯如图2所示[8]。

图2 弧 角 型PDC钻头铸造毛坯

2 试铸及力学性能测试

采用熔模铸造工艺对弧角型PDC钻头进行试铸，材料选用35CrMo，蜡模采用3D打印成形。试验发现，相比机械加工，采用熔模铸造工艺制造的弧角型PDC钻头，大大提高了生产效率，降低了设备利用率，缩短了生产工艺链条。试铸完成后随机抽取若干只钻头，分别沿不同截面切开，对其内部进行宏观缺陷检测。检测发现，钻头成型较好，外表面和内部没有明显肉眼可见的夹砂、气孔、缩松等缺陷。熔模铸造弧角型PDC钻头及内部剖面如图3所示。

图3 熔模铸造弧角型PDC钻头及内部剖面

铸造后退火热处理采用850℃/5h+炉冷的工艺，退火后进行室温拉伸、剪切强度和硬度等力学性能试验。试验时各测3个试样取平均值，力学性能数据对比见表1。

表1 力学性能对比

加工工艺抗拉强度/MPa剪切强度/MPa硬度/HRA熔模铸造弧角型PDC钻头88226958.3普通机械加工弧角型PDC钻头68228052.2

由表1可以看出，与普通机械加工弧角型PDC钻头相比，熔模铸造弧角型PDC钻头的抗拉强度更高、硬度更大，两者的剪切强度相差不大，均大于行业标准要求的160 MPa。因此，可以说明熔模铸造弧角型PDC钻头具有更好的综合力学性能。

3 现场试验

将本次试制的熔模铸造弧角型PDC钻头在淮北矿业集团杨柳矿北轨道钻场进行试验，试验钻机为中煤科工集团西安研究院有限公司研制的ZDY3200S型分体式钻机，配套钻杆为ø73 mm普通外平钻杆。试验矿区地层以灰岩、砂岩以及煤层为主，试验所有钻孔均为瓦斯抽放孔，孔深设计在30～50 m不等，其中岩石段约占整个钻孔的一半，所有钻孔均为上扬孔，角度在10°～70°之间。本次共试验熔模铸造弧角型PDC钻头和普通机械加工弧角型PDC钻头各2只，试验结果对比见表2。

表2 熔模铸造与普通机械加工弧角型PDC钻头试验结果对比

加工工艺钻头编号钻速/(m·h-1)总进尺/m平均进尺/m备注熔模铸造弧角型PDC钻头LK05Z8.5460LK07Z10598529岩石段423 m岩石段498 m普通机械加工弧角型PDC钻头LK05G10571LK07G8461516岩石段479 m岩石段420 m

由表2可以看出，两种类型钻头的平均钻速和平均进尺没有明显差别。熔模铸造弧角型PDC钻头平均进尺达到529 m，平均钻速为9.25 m/h，2只钻头共计施工钻孔23个，其中每个钻头的前1～6个孔，平均钻速可达16.5 m/h，后段随着钻头的磨损钻速逐渐降低。普通机械加工弧角型PDC钻头平均进尺为516 m，平均钻速为9 m/h，2只钻头共计施工钻孔24个。熔模铸造与普通机械加工弧角型PDC钻头试验后的损坏情况如图4所示。

图4 熔模铸造与普通机械加工弧角型PDC钻头试验后的损坏情况

从钻头的损坏情况来看，试验的4只弧角型PDC钻头钻头体均为正常磨损，个别钻头复合片损坏严重。LK05G钻头有1个复合片磨损严重，LK07G和LK05Z钻头有3个复合片发生明显磨损，LK07Z钻头施工至最后一个孔时，有一个复合片脱落，导致钻头体相应部位磨损严重。

4 结语

与现有的普通机械加工弧角型PDC钻头相比，采用熔模铸造工艺制造的弧角型PDC钻头不仅可以大大提高钻头的生产效率、降低生产成本、缩短生产工艺链条，而且具有良好的综合力学性能，钻速和寿命均略高于普通机械加工弧角型PDC钻头，钻头强度能够满足煤矿井下钻孔施工需求。

参考文献:

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[4] 侯超，孙荣军.铸造插接式复合片锚杆钻头的研制与应用[J].煤矿机械，2014，35(11):72-75.

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[7] 刘刚.煤矿井下定向钻进用刮刀型PDC钻头的研制及应用[J].煤炭工程，2015，47(9):135-136.

[8] 田宏杰，刘刚，戴永波等.UG-CAM在钢体式煤层气钻头制造中的应用[J].煤矿机械，2015，36(8):272-274.

作者简介：田宏杰(1987-)，男，甘肃庆阳人，硕士研究生，中煤科工集团西安研究院有限公司助理研究员，主要从事钻探机具设计研发。E-mail：tianhongjie@cctegxian.com。

(责任编辑 路 强)