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模具制成的工艺研究与使用

目前,国内PDC钻头生产普遍采用粉末冶金制作钻头体,再将PDC切削齿镶焊在钻头体上。用这种方法制作的钻头体,冠部是由预先制作好的组合模具来成型的。因此,钻头体的冠部形状和尺寸完全取决于组合模具。而传统的组合模具的底模是采用石墨棒料经机械加工、划线,再经手工雕刻修磨PDC支撑体凹坑和水口塞等复杂部位等工序来完成的。这种方法虽然能加工各种形状、规格及大小的底模,但工人劳动强度大,生产效率低,精度难以满足设计要求,且一致性差,严重制约了烧结式PDC钻头的生产和发展。

煤炭科学研究总院西安分院经过近1a的努力,成功地研究了一套冷压成型工艺,解决了烧结式PDC钻头批量生产时底模成型存在的问题,取得了较好的效果。

成型工艺这种新成型工艺是将选定的材料,用钢模压制成与PDC钻头唇面完全相同的阴模作为烧结钻头体用的底模。其特点是:工艺过程简单,易于操作;对设备没有特殊要求,无需加热设备;钢模不需耐热,可以反复使用;压制的废品能及时回收。该工艺的关键是底模材料的选择,配比的确定以及压制工艺流程。

材料的选择

PDC钻头底模材料要求在高温下对钻头胎体性能不产生任何影响;具有一定的强度,在承受一定的压力时不产生变形或破坏;易于退模、清理。

石墨作为一种中间物,在高温下具有优良的综合性能:与大部分熔融金属不反应;在高温状态下不变形,且随本身温度的升高其导热、强度还有明显提高;耐热冲击性好,模具的几何尺寸稳定,易获得较高精度形面制品;在烧结过程中产生CO气体能形成保护氛围,使得钻头胎体在高温下处于还原环境中。鉴于石墨的这些优良性能,选择石墨粉作为制作底模的主要原材料,在此基础上再增加一些辅助材料和粘结剂。

材料选方成型

底模必须在常温和高温(1200)下都具有一定的强度,以保证钻头体的精度;其次是具有足够的表面光洁度,没有裂纹,掉边角等缺陷。根据这些要求,设计了7种底模成型配方,经12MPa的压力压制、500550烘干、筛选试验,最终确定了底模材料配方。

1号和2号配方作为基础配方,以确定石墨粉的粒度对底模强度的影响。试验结果表明,2号配方压坯成形较好,棱角分明,具有一定的强度,可以进行机械加工;1号配方压坯疏松,不易成型,几乎没有强度。因此,选用2号配方作进一步对比筛选试验的基础配方。

为了配料方便,用固体粘结剂设计了3号和4号配方。试验结果表明,这两种配方压坯效果都不理想,坯体表面粗糙,边角缺损现象严重,且强度不够,机械加工性能差。

在上述试验的基础上,为了进一步优选粘结剂的最佳配比,设计了5号、6号、7号3种配方。试验结果显示,5号配方压制的坯体表面粗糙,有肉眼可见的空洞,棱角处有缺陷,感官疏松,强度稍低;6号配方,表面光滑、致密,棱角分明,无分层裂纹等缺陷,强度高,机械加工性能好;7号配方因粘模而导致退模困难,表面不平整,侧面有裂纹甚至分层,因而未做进一步烘干试验。

从上述试验可以看出,随粘结剂所占比例的增大,成型模具表面光洁度提高,但过多的粘结剂易发生粘模,反而增加了废品率。最终选定压制底模的材料配方为6号配方。

成型压力

在压制过程中,为避免弹性后效应适当的保压;为使压坯密度均匀,性能稳定,停压后将模具转动180,再重复压制。过高的压制压力,往往使压坯发生分层和裂纹等现象。反之,过小的压力使得压制材料只发生弹性形变,各组分之间的粘结力低,压坯反弹膨胀量大,影响压坯的强度。为确定理想的压制压力,在其他工艺不变的条件下,采用6号配方,设计3个压力范围,分别压制了3组压坯,试验情况。

可知,压力在912MPa范围内压制出的压坯能够满足要求。

结论

选用6号材料配方,成型压力为912MPa的压制工艺制作底模,保证了底模尺寸相同的每一个复合片支撑体的几何形状完全相同,一致性好,表面平整光滑,外观整齐,精度完全能够满足设计要求,工效可提高5倍以上,大大降低了工人劳动强度,为复合片钻头的生产研制了一种可行的新工艺。


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