柵格狀工作層金剛石鉆頭及其3d打印制作工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機械加工和鉆探工程領(lǐng)域，尤其涉及鉆進過程中使用的柵格狀工作層金剛石鉆頭及采用3D打印的加工制作工藝。
【背景技術(shù)】
[0002]智能3D打印技術(shù)，無需制作模具，不僅可得到復(fù)雜的異形結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，且生產(chǎn)速度快、精度高。傳統(tǒng)制造鉆頭是依靠粉末冶金法或電鍍法等來完成的，工作層唇面結(jié)構(gòu)難以制造為各種利于破碎巖石的復(fù)雜形狀，鉆進中如果遇到極端地層巖石或復(fù)雜情況，導(dǎo)致鉆頭鉆進效率低下或鉆頭壽命較短，大幅度增加施工成本，影響了鉆探技術(shù)水平的提高和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種柵格狀工作層金剛石鉆頭及其3D打印制作工藝。
[0004]本發(fā)明柵格狀工作層金剛石鉆頭包括柵格狀工作層、非工作層和鉆頭鋼體三部分，柵格狀工作層是由實體與空隙沿徑向與周向分布構(gòu)成，柵格狀工作層中，沿徑向的實體厚度為0.05?1.0mm，空隙體厚度0.05?0.30mm;柵格狀工作層中，沿周向的實體厚度為0.05?1.0mm，空隙體厚度0.05?0.30mm;柵格狀工作層內(nèi)徑外側(cè)、外徑內(nèi)側(cè)的實體厚度比中間柵格部位的實體厚度寬0.05?0.5mm;柵格狀工作層孕鑲塊靠近水口方向兩端，實體厚度比中間柵格的實體厚度寬0.05?0.5_;柵格狀工作層與非工作層、鉆頭鋼體共同構(gòu)成鉆頭整體。
[0005]所述的柵格狀工作層金剛石鉆頭，其非工作層的材料含單晶金剛石、聚晶金剛石或硬質(zhì)合金保徑材料。
[0006]柵格狀工作層金剛石鉆頭的制作工藝流程為:第一步:鋼體和模具機械加工;第二步:非工作層胎體粉末混合;第三步:粉末冶金熱壓法制造含單晶金剛石或聚晶金剛石或硬質(zhì)合金保徑材料的非工作層;第四步:冷卻脫模;第五步:絲扣機械加工;第六步:修整拋磨非工作層唇面;第七步:工作層胎體粉末和金剛石混合;第八步:在非工作層胎體唇面利用激光燒結(jié)工藝3D打印柵格狀工作層;具體過程為:
[0007]先將激光燒結(jié)過程中的相關(guān)參數(shù)輸入到計算機控制系統(tǒng)中，其中，激光功率為200?500W，掃描速率0.0I?0.06m/s，粉層厚度0.02?0.50mm;再鋪粉滾筒將供粉缸中的工作層胎體粉末均勻地鋪放于成形缸中的基板上，將胎體粉末鋪設(shè)成厚度為0.02?0.50mm的粉層，激光束根據(jù)計算機中的數(shù)據(jù)信息燒結(jié)粉層，完成第一個層面的燒結(jié);然后成形缸活塞下降0.02?0.50mm，供粉缸活塞上升0.02?0.50mm，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平，激光束依照計算機中的數(shù)據(jù)信息燒結(jié)第二層;重復(fù)上述工藝步驟，直至柵格狀工作層完成，金剛石鉆頭制
ο
[0008]所述的步驟二中非工作層胎體粉末的配方是:非工作層中胎體含鈷粉、鎳粉、鐵粉、鈦粉、鉻粉、銅粉、錫粉、碳化鎢和碳化二鎢，其中:鈷粉、鎳粉、鐵粉、鈦粉和鉻粉粉末質(zhì)量各占總質(zhì)量的4 %?70 % ;銅粉和錫粉粉末質(zhì)量各占總質(zhì)量的8 %?50 % ;碳化媽和碳化二鎢粉末質(zhì)量占總質(zhì)量的30%?60%;所用非工作層中胎體粉末顆粒直徑為0.05?
0.25mm0
[0009]所述的步驟八中工作層胎體粉末配方為:含鈷粉、鎳粉、鐵粉、鈦粉、鉻粉、鉬粉、銅粉、鎢粉、碳化鎢和金剛石粉末，其中:鈷粉、鎳粉、鐵粉、鈦粉、鉻粉和鉬粉粉末質(zhì)量占總質(zhì)量的3%?70% ;銅粉粉末質(zhì)量占2%?50% ;鎢粉和碳化鎢粉末質(zhì)量占20%?80% ;工作層胎體粉末顆粒直徑為0.05?0.25mm，金剛石粉末的體積濃度在5 %?60%之間，顆粒度為0.05?0.25mm0
[0010]本發(fā)明柵格狀工作層金剛石鉆頭，與傳統(tǒng)鉆頭相比，減小了工作層與巖體的接觸面積，增大鉆壓，增加磨粒的出刃進而提高磨削效率，優(yōu)化堅硬、極硬地層巖石的金剛石鉆頭破碎方法和機理，與巖石接觸面上除存在彈性接觸、塑性接觸外，還存在著強切削機械作用，大大地提高了鉆進效率;可以增大沖洗液與工作層胎體的接觸面積，使得工作層胎體冷卻充分，大大延長了鉆頭使用壽命。本發(fā)明采用智能化的3D打印制作技術(shù)，利于改進、彌補傳統(tǒng)鉆頭制造中的不足，方便實現(xiàn)復(fù)雜異形工作面鉆頭的制造，提高生產(chǎn)效率。
【附圖說明】
:
[0011]圖1是本發(fā)明立體示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明孕鑲塊的示意圖；
[0013]圖3是本發(fā)明唇面示意圖。
【具體實施方式】
:
[0014]實施例1
[0015]如圖1、2、3所示，柵格狀工作層1、非工作層2和鉆頭鋼體3三部分，柵格狀工作層I是由工作層實體4與工作層空隙體5沿徑向與周向分布構(gòu)成，柵格狀工作層中，沿徑向的實體厚度為0.08mm，空隙體厚度0.1mm;柵格狀工作層中，沿周向的實體厚度為0.08_，空隙體厚度0.1mm;柵格狀工作層內(nèi)徑外側(cè)、外徑內(nèi)側(cè)的實體厚度比中間柵格部位的實體厚度寬
0.3mm;柵格狀工作層孕鑲塊7靠近水口 6方向兩端，實體厚度比中間柵格部位的實體厚度寬
0.3mm;柵格狀工作層與非工作層、鉆頭鋼體共同構(gòu)成鉆頭整體。
[0016]其制作工藝流程為:
[0017]①鋼體和模具機械加工。
[0018]②非工作層胎體粉末混料。
[0019]③粉末冶金熱壓法制造含單晶金剛石或聚晶金剛石或硬質(zhì)合金等保徑材料的非工作層，鉆頭鋼體通過本工藝方法牢固地?zé)Y(jié)壓制在非工作層端部。
[0020]④冷卻脫模。
[0021]⑤利用機加工技術(shù)，加工好鉆頭鋼體部分的絲扣等。
[0022]⑥修整拋磨非工作層唇面。
[0023]⑦工作層胎體粉末和金剛石混合。
[0024]⑧在潔凈的非工作層唇面利用激光燒結(jié)等工藝3D打印柵格狀工作層。
[0025]首先，3D打印設(shè)備的電腦數(shù)控系統(tǒng)中設(shè)計的柵格狀工作層金剛石鉆頭形狀和尺寸如下:
[0026]柵格狀工作層中，沿徑向的實體厚度為0.08mm，空隙體厚度0.1mm;柵格狀工作層中，沿周向的實體厚度為0.08mm，空隙體厚度0.1mm；柵格狀工作層內(nèi)徑外側(cè)、外徑內(nèi)側(cè)的實體厚度比中間柵格部位的實體厚度寬0.3_;柵格狀工作層孕鑲塊靠近水口方向兩端，實體厚度比中間柵格部位的實體厚度寬0.3mm。
[0027]然后，將激光燒結(jié)過程中的相關(guān)參數(shù)輸入到計算機控制系統(tǒng)中，其中，激光功率為200W，掃描速率為0.02m/s，粉層厚度為0.05mm。接著，鋪粉滾筒將供粉缸中的工作層胎體粉末(含金剛石)均勻地鋪放于成形缸中的基板上，將其鋪設(shè)成0.05mm的粉層，激光束根據(jù)計算機中的數(shù)據(jù)信息燒結(jié)粉層，完成第一個層面的燒結(jié);然后成形缸活塞下降0.05_，供粉缸活塞上升0.05mm，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平，激光束依照計算機中的數(shù)據(jù)信息燒結(jié)第二層；重復(fù)上述工藝步驟，直至柵格狀工作層完成，金剛石鉆頭制造完畢。
【主權(quán)項】
1.一種柵格狀工作層金剛石鉆頭，其特征在于:包括柵格狀工作層、非工作層和鉆頭鋼體三部分，柵格狀工作層是由實體與空隙沿徑向與周向分布構(gòu)成，柵格狀工作層中，沿徑向的實體厚度為0.05?I.0mm，空隙體厚度0.05?0.30mm;沿周向的實體厚度為0.05?I.0mm,空隙體厚度0.05?0.30mm;柵格狀工作層內(nèi)徑外側(cè)、外徑內(nèi)側(cè)的實體厚度比中間柵格的實體厚度寬0.05?0.50mm;柵格狀工作層孕鑲塊靠近水口方向兩端，實體厚度比中間柵格的實體厚度寬0.05?0.50mm;柵格狀工作層與非工作層、鉆頭鋼體共同構(gòu)成鉆頭整體。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵格狀工作層金剛石鉆頭，其特征在于:所述的非工作層的材料含單晶金剛石、聚晶金剛石或硬質(zhì)合金保徑材料。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柵格狀工作層金剛石鉆頭的3D打印制作工藝，其特征在于: 第一步:鋼體和模具機械加工;第二步:非工作層胎體粉末混合;第三步:粉末冶金熱壓法制造含單晶金剛石或聚晶金剛石或硬質(zhì)合金保徑材料的非工作層;第四步:冷卻脫模;第五步:絲扣機械加工;第六步:修整拋磨非工作層唇面;第七步:工作層胎體粉末和金剛石混合;第八步:在非工作層胎體唇面利用激光燒結(jié)工藝3D打印柵格狀工作層，具體過程為: 先將激光燒結(jié)過程中的相關(guān)參數(shù)輸入到計算機控制系統(tǒng)中，其中，激光功率為200?.500W，掃描速率0.01?0.06m/s，粉層厚度0.02?0.50mm;再鋪粉滾筒將供粉缸中的工作層胎體粉末均勻地鋪放于成形缸中的基板上，將胎體粉末鋪設(shè)成厚度為0.02?0.50mm的粉層，激光束根據(jù)計算機中的數(shù)據(jù)信息燒結(jié)粉層，完成第一個層面的燒結(jié);然后成形缸活塞下降0.02?0.50mm，供粉缸活塞上升0.02?0.50mm，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平，激光束依照計算機中的數(shù)據(jù)信息燒結(jié)第二層;重復(fù)上述工藝步驟，直至柵格狀工作層完成，金剛石鉆頭制4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的柵格狀工作層金剛石鉆頭3D打印制作工藝，其特征在于: 步驟二中非工作層胎體粉末的配方是:非工作層中胎體含鈷粉、鎳粉、鐵粉、鈦粉、鉻粉、銅粉、錫粉、碳化鎢和碳化二鎢，其中:鈷粉、鎳粉、鐵粉、鈦粉和鉻粉粉末質(zhì)量各占總質(zhì)量的4%?70% ;銅粉和錫粉粉末質(zhì)量各占總質(zhì)量的8%?50% ;碳化媽和碳化二媽粉末質(zhì)量占總質(zhì)量的30%?60% ;所用非工作層中胎體粉末顆粒直徑為0.05?0.25_。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的柵格狀工作層金剛石鉆頭3D打印制作工藝，其特征在于:步驟八中工作層胎體粉末配方為:含鈷粉、鎳粉、鐵粉、鈦粉、鉻粉、鉬粉、銅粉、鎢粉、碳化鎢和金剛石粉末，其中:鈷粉、鎳粉、鐵粉、鈦粉、鉻粉和鉬粉粉末質(zhì)量占總質(zhì)量的3%?70%;銅粉粉末質(zhì)量占2%?50% ;鎢粉和碳化鎢粉末質(zhì)量占20%?80% ;工作層胎體粉末顆粒直徑為.0.05?0.25mm，金剛石粉末的體積濃度在5 %?60 %之間，顆粒度為0.05?0.25mm。
【專利摘要】一種柵格狀工作層金剛石鉆頭及其3D打印制作工藝，本發(fā)明柵格狀工作層是由實體與空隙體沿徑向與周向分布構(gòu)成，柵格狀工作層與非工作層、鉆頭鋼體共同構(gòu)成鉆頭整體。在非工作層胎體唇面利用激光燒結(jié)工藝3D打印柵格狀工作層。本發(fā)明減小了工作層與巖體的接觸面積，增大鉆壓，增加磨粒的出刃進而提高磨削效率，優(yōu)化堅硬、極硬地層巖石的金剛石鉆頭破碎方法，與巖石接觸面上除存在彈性接觸、塑性接觸外，還存在著強切削機械作用,大大地提高了鉆進效率。本發(fā)明采用智能化的3D打印制作技術(shù)，利于改進、彌補傳統(tǒng)鉆頭制造中的不足，方便實現(xiàn)復(fù)雜異形工作面鉆頭的制造，提高生產(chǎn)效率。
【IPC分類】E21B10/46, B22F7/06, B22F3/105, C22C32/00, C22C26/00, C22C29/08, B33Y10/00
【公開號】CN105649538
【申請?zhí)枴?br>【發(fā)明人】張紹和, 張昊旸, 曲飛龍, 曹函, 孫平賀, 舒彪, 謝煜, 吳晶晶, 曾月松
【申請人】中南大學(xué)
【公開日】2016年6月8日
【申請日】2015年12月24日