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摘 要 针对胎体PDC钻头模具加工自动化程度不高，手工成型困难，加工精度、生产效率低的问题，探讨了一项制造PDC钻头烧结模具的新工艺。该工艺用Pro/E软件建立钻头底模的三维造型，利用选择性激光烧结技术（SLS）完成钻头底模的加工。利用该工艺比传统工艺大大缩短PDC钻头的生产周期，可以实现复杂结构PDC钻头的制造，使得钻头外表更加美观，制造精度更高，一致性好。
关键词 胎体PDC钻头；三维造型；选择性激光烧结（SLS）；模具
中图分类号：TE921.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0073-01
模具成型精度问题严重制约了胎体PDC钻头的生产和发展。传统生产PDC钻头模具制作主要分为两种方式，一种为软模成型[1]、一种为铣模成型。
本文探讨的是我们成功的研制的一套利用选择性激光烧结成型、基于Pro/E三维设计等技术实现胎体PDC钻头底模快速制造的新工艺，结果表明，该工艺提高了模具成型精度，缩短了生产周期，取得了良好效果。
1 基于Pro/E的PDC钻头模具三维造型设计
PDC钻头模具三维实体设计是制造模具的第一步。现在供选择的三维设计软件非常多，诸如CATIA、UG、Solidworks等。我们主要用Pro/E进行设计，基于Pro/e的PDC钻头模具三维实体设计主要包括：冠部剖面设计，排屑槽及刀翼形状设计、切削齿布齿设计及干涉分析、喷嘴设计及干涉分析、装配成PDC钻头、翻模形成模具。
1）冠部剖面设计。
首先，依据钻井环境等设计出冠部，PDC钻头冠部设计关键包括顶点、锥形面、鼻部、肩部、外径弧面等，PDC钻头的冠部设计直接影响钻头稳定性、钻头导向性、布齿密度、破岩石效率、钻头寿命等。
2）切削齿布齿设计及干涉分析。
切削齿布齿设计主要包括：切削齿工作平面基准面的建立、PDC齿实体模型的建立、PDC齿系列参数自定义。
3）喷嘴设计及干涉分析。
PDC钻头喷嘴主要用途是防止井底岩屑的重复切削和减少钻头泥包，冷却PDC齿，加强钻头破岩能力。优化喷嘴设计是整个PDC钻头设计的重点之一，我们在PDC钻头水力学分析基础上建立喷嘴实体模型，比起平面设计，能更加直观反映喷嘴的空间位置，同时作为PDC钻头流场分析软件基础模型。
4）形成三维模具图。
首先，建立装配文件，将设计好的胎体PDC钻头切削齿、喷嘴、流道依次装配，调整，即形成胎体PDC钻头三维图。采用Pro/E的编辑-元件操作-合并/切除命令等，即可翻模出模具的三维图，形成无替代块模具图。同时，还可以设计出替代块模型，装配上替代块，即可形成有替代块模具三维图。
2 选择性激光烧结技术底模成型
1）快速成型技术应用于底模制造。
快速成型技术利用了CAD技术、数控技术、材料技术、激光技术等，主要包括SLM、SLA、SLS等，过去快速成型技术应用于利用PDC钻头底模制造的主要是SLA技术，即俗称的软模制造，该工艺成模采用树脂作为原料，制作精度高但是工艺稍复杂。
2）选择性激光烧结（SLS）技术制作底模。
选择性激光烧结是快速成型技术的一种，该工艺主要是运用粉末材料作为原料，我们利用树脂砂烧结成形。
该工艺过程是：首先调制配比树脂砂，将用Pro/E设计出的STP格式三维模具图进行转换，转换成一系列参数点等，在电脑的控制下用激光束有选择地进行烧结，零件的空心部分不烧结，仍为树脂砂，被烧结部分便固化在一起构成底模的实体部分。当上一层完成后继续进行下一层，在合适的温度下，新一层与上一层牢牢的烧结在一起[2]。最后，去除多余的树脂砂，便得到烧结成的底模。
该成型方法有着柔性度高，制造工艺简单、材料选择范围广、材料利用率高，成型速度快等特点，针对以上特点，我们利用基于Pro/e的PDC钻头模具三维图，通过SLS法快速直接制作出了模具。
3）烧结模具的形成。
烧结模具的形成包括喷嘴替代块安装及石墨壳体制备，石墨壳体包括外模，导流环，上模及下模。设计出与底模配合的外模，按照传统的制造方法用石墨制造出壳体导流环，上模具和下模具，下模具的内径与SLS技术制造的底模相配合，形成组合模具。
3 效果分析
传统工艺钻头底模的铣模成型是指利用石墨为原材料，先设计二维CAD模具图，然后按照二维CAD图在车床上加工出底模外形轮廓，进而在数控铣床上铣出齿穴，并经过烧结型砂、手工修模、手工造型等一系列步骤制出模具。
本文介绍的工艺是利用SLS技术，简化了钻头制造工序，取消了胎体PDC钻头批量生产时复杂的模具划线、铣齿、型砂手工成型等大量手工操作，解决了底模成型存在的一系列问题，快速加工出底模，且精度大大提高，取得了较好的效果。新工艺与旧工艺对比见表1。
4 结论
利用SLS技术制造胎体PDC钻头模具具有无可比拟的优势，主要包括以下几个方面。
1）取代了大量手工操作，减轻工人的劳动强度，缩短了工时，提高了劳动效率。
2）简化了模具制造工序，缩短了产品开发周期、产品制造时间，更加有利于对市场需求做出快速反应。
3）可完成特殊结构PDC钻头的生产制造。
4）不需要反复翻模，一次性形成胎体PDC钻头底模。
5）保证了钻头切削齿的齿角精度和齿高精度，流道精度，消除了底模制造時的人工误差。
6）提高了模具批量加工一致性，具有很好的市场推广前景。
参考文献
[1]周龙昌.胎体PDC钻头烧结模具快速成型新工艺[J].石油机械2005，33（2）：28.
[2]朱正才.快速成形技术的应用与发展[J].机械研究与应用2009（2）：100.
关键词 胎体PDC钻头；三维造型；选择性激光烧结（SLS）；模具
中图分类号：TE921.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）20-0073-01
模具成型精度问题严重制约了胎体PDC钻头的生产和发展。传统生产PDC钻头模具制作主要分为两种方式，一种为软模成型[1]、一种为铣模成型。
本文探讨的是我们成功的研制的一套利用选择性激光烧结成型、基于Pro/E三维设计等技术实现胎体PDC钻头底模快速制造的新工艺，结果表明，该工艺提高了模具成型精度，缩短了生产周期，取得了良好效果。
1 基于Pro/E的PDC钻头模具三维造型设计
PDC钻头模具三维实体设计是制造模具的第一步。现在供选择的三维设计软件非常多，诸如CATIA、UG、Solidworks等。我们主要用Pro/E进行设计，基于Pro/e的PDC钻头模具三维实体设计主要包括：冠部剖面设计，排屑槽及刀翼形状设计、切削齿布齿设计及干涉分析、喷嘴设计及干涉分析、装配成PDC钻头、翻模形成模具。
1）冠部剖面设计。
首先，依据钻井环境等设计出冠部，PDC钻头冠部设计关键包括顶点、锥形面、鼻部、肩部、外径弧面等，PDC钻头的冠部设计直接影响钻头稳定性、钻头导向性、布齿密度、破岩石效率、钻头寿命等。
2）切削齿布齿设计及干涉分析。
切削齿布齿设计主要包括：切削齿工作平面基准面的建立、PDC齿实体模型的建立、PDC齿系列参数自定义。
3）喷嘴设计及干涉分析。
PDC钻头喷嘴主要用途是防止井底岩屑的重复切削和减少钻头泥包，冷却PDC齿，加强钻头破岩能力。优化喷嘴设计是整个PDC钻头设计的重点之一，我们在PDC钻头水力学分析基础上建立喷嘴实体模型，比起平面设计，能更加直观反映喷嘴的空间位置，同时作为PDC钻头流场分析软件基础模型。
4）形成三维模具图。
首先，建立装配文件，将设计好的胎体PDC钻头切削齿、喷嘴、流道依次装配，调整，即形成胎体PDC钻头三维图。采用Pro/E的编辑-元件操作-合并/切除命令等，即可翻模出模具的三维图，形成无替代块模具图。同时，还可以设计出替代块模型，装配上替代块，即可形成有替代块模具三维图。
2 选择性激光烧结技术底模成型
1）快速成型技术应用于底模制造。
快速成型技术利用了CAD技术、数控技术、材料技术、激光技术等，主要包括SLM、SLA、SLS等，过去快速成型技术应用于利用PDC钻头底模制造的主要是SLA技术，即俗称的软模制造，该工艺成模采用树脂作为原料，制作精度高但是工艺稍复杂。
2）选择性激光烧结（SLS）技术制作底模。
选择性激光烧结是快速成型技术的一种，该工艺主要是运用粉末材料作为原料，我们利用树脂砂烧结成形。
该工艺过程是：首先调制配比树脂砂，将用Pro/E设计出的STP格式三维模具图进行转换，转换成一系列参数点等，在电脑的控制下用激光束有选择地进行烧结，零件的空心部分不烧结，仍为树脂砂，被烧结部分便固化在一起构成底模的实体部分。当上一层完成后继续进行下一层，在合适的温度下，新一层与上一层牢牢的烧结在一起[2]。最后，去除多余的树脂砂，便得到烧结成的底模。
该成型方法有着柔性度高，制造工艺简单、材料选择范围广、材料利用率高，成型速度快等特点，针对以上特点，我们利用基于Pro/e的PDC钻头模具三维图，通过SLS法快速直接制作出了模具。
3）烧结模具的形成。
烧结模具的形成包括喷嘴替代块安装及石墨壳体制备，石墨壳体包括外模，导流环，上模及下模。设计出与底模配合的外模，按照传统的制造方法用石墨制造出壳体导流环，上模具和下模具，下模具的内径与SLS技术制造的底模相配合，形成组合模具。
3 效果分析
传统工艺钻头底模的铣模成型是指利用石墨为原材料，先设计二维CAD模具图，然后按照二维CAD图在车床上加工出底模外形轮廓，进而在数控铣床上铣出齿穴，并经过烧结型砂、手工修模、手工造型等一系列步骤制出模具。
本文介绍的工艺是利用SLS技术，简化了钻头制造工序，取消了胎体PDC钻头批量生产时复杂的模具划线、铣齿、型砂手工成型等大量手工操作，解决了底模成型存在的一系列问题，快速加工出底模，且精度大大提高，取得了较好的效果。新工艺与旧工艺对比见表1。
4 结论
利用SLS技术制造胎体PDC钻头模具具有无可比拟的优势，主要包括以下几个方面。
1）取代了大量手工操作，减轻工人的劳动强度，缩短了工时，提高了劳动效率。
2）简化了模具制造工序，缩短了产品开发周期、产品制造时间，更加有利于对市场需求做出快速反应。
3）可完成特殊结构PDC钻头的生产制造。
4）不需要反复翻模，一次性形成胎体PDC钻头底模。
5）保证了钻头切削齿的齿角精度和齿高精度，流道精度，消除了底模制造時的人工误差。
6）提高了模具批量加工一致性，具有很好的市场推广前景。
参考文献
[1]周龙昌.胎体PDC钻头烧结模具快速成型新工艺[J].石油机械2005，33（2）：28.
[2]朱正才.快速成形技术的应用与发展[J].机械研究与应用2009（2）：100.