基于pro-e的pdc钻头模具加工cad-cam技术

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维普资讯http://www.cqvip.com2005年第34卷石油矿场机械第5期第23页OILFIELDEQUIPMENT2005，34(5)：23～27文章编号：1001-3482(2005)05—0023—05基于Pro／E的PDC钻头模具加工CAD／CAM技术张永星，张治邦，国学臣(大庆石油管理局钻技公司钻头制造厂，黑龙江大庆163461)摘要：PDC钻头石墨模具加工是钻头制造工艺中的一个重要组成部分，传统的加工工艺存在自动化程度不高、加工精度低等缺点。而实现PDC钻头模具的CAD／CAM技术则是解决上述问题的途径之一。针对现有工艺技术，提出应用Pro／E软件建立钻头阴模的三维造形，应用Pro／NC技术完成了钻头模具的数控加工，从而整体实现了PDC钻头模具加工的CAD／CAM技术。关键词：钻头；三维模型；数控技术；程序设计；应用中图分类号：TE922．01文献标识码：ACAD／CAMtechniqueinPDCdrillingbitsfemalemouldprocessingbaseonPro／EZHANGYong—xing，ZHANGZhi～bang，GUOXu~chen(DrilligBitMan“factoryofDrillingTechniqueCompany，DaqingPetrleumAdministration，Daqing163461，China)Abstract：PDCdrillingbitsfemalemouldprocessingisanimportantpartinmakingPDCdrillingbits．Can—ventionalprocessinghasmanydeficiency．Forinstance，automationlevelislow，precisionaccuracyisnothigh．AndthatrealizingmouldCAD／CAMtechniqueisoneofthewaytosolvethesequestions．Aimingattechniqueonhand。usingPro／EsoftwaretosetupPDCdrillingbitsmould，usingPro／NCtorealizemouldprocessingaieputforward．ItcompletesCAD／CAMtechniqueinPDCdrillingbitsfemalemouldprocess—ing．Keywords：drillingbit；3Dmodel；digitalcontroltechnique；programing；application用表明，每年可以节约维修费用20％～25。[73庆有．V型9O无基础空压机振动测试分析[J3．压缩机技术，1992，(2)：16-20．参考文献：[83袁汝康，杨忠．空压机高压缸出口端轴承振动分析[-13张来斌，王朝晖，张喜廷，等．机械设备故障诊断技术及[J]．流体机械，1996，24(1)：28-31．[9]汪家铭．空压机增速箱的振动故障诊断[J]．化工机方法[M]．北京：石油工业出版社，2000．械，1991，18(5)：298—299．[-23王朝晖，张来斌．柴油机磨损状态的共同频率识别法[J]．冶金设备，2000，(6)：45—47．[-10~周城光，王朝晖．柱塞泵阀故障诊断[A]．第十一届全[-33易良续．往复式空压机故障诊断[J]．压缩机技术，国设备监测与诊断学术会议论文集[c]．2002．102—104．1994，126(4)：43—46．[-43邢万坤．活塞式压缩机指示图的录取与分析[J]．流体[11]王朝晖，张来斌，刘玉辉．柴油机滑动轴承磨损状况的轴心轨迹诊断法[J]．石油矿场机械，2002，31(3)：6-8．机械，1994，22(1)：21—25．[-53汪家铭．机器设备状态监测与故障诊断网络系统及应[12]刘红星，林京，沈玉娣．往复式压缩机气阀故障的振用[M]．北京：机械工业出版社，1994．动诊断方法[J]．压缩机技术，1996，135(1)：32—34．[6]何新峰．空气压缩机振动的测试分析[J]．压缩机技术，[13]王朝晖，刘绍东．小波分形技术在注水泵故障诊断中1996，(1)：24—27．的应用[J]．石油机械．2003，31(特刊)：76—78．收稿日期：2005—03—11作者简介：张永星(1972一)，男，四川大竹人，工程师，1995年毕业于西南石油学院钻井工程专业，现从事钻头设计工作。 维普资讯http://www.cqvip.comOILFIELDEQUIPMENT2005Vo1．34№5目前，PDC钻头在石油钻探中得到了广泛的应头底模布齿曲线轮廓。可依据等磨损、等切削或用。PDC钻头的生产制造工序较多，其中关键环节功率设计原则，设计钻头冠部布齿轮廓曲线。随J是PDC钻头模具的加工技术，模具加工精确与否关在Pro／E中利用特征一创建一实体一加材料一{系到设计参数能否得以实现。石油钻井用PDC钻伸命令创建底模毛坯，再利用特征一创建一实体一头具有复杂的空间曲面造形，其模具加工主要包括切减材料一旋转切除命令，草绘出已设计完成的j底模、中模及喷嘴装配3大部分。尤其是底模冠部部形状，建立一个实体特征，标记为DM．PRT：形状及布齿、排屑槽及刀翼形状复杂，设计参数较件。图2是一个外径为215．9mm(8英寸)钻多。常规PDC钻头模具的加工制造是在石墨毛坯的底模冠部形状效果图。上用普通机床和手工修模操作，往往在加工过程中1．2·1·2切削齿窝定位造型．存在着大量的人为误差，各项设计参数精确度难以PDC钻头切削齿空间定保证，并且模具加工劳动强度大，同型号的钻头产品位包含了6个参数，即齿中批量加工存在一致性差等缺点。因而设计人员有必心半径、齿周向定位角、齿前要摆脱传统设计及制造工艺的束缚，寻求一种更为角、齿侧转角、齿法向角、齿有效和直观的设计制造工艺方法。中心高度。各齿间的参数各针对现场实际应用，总结出了一种基于Pro／E不相同。例如，一个布有22的PDC钻头模具CAD／CAM技术。该技术的应用个2种规格切削齿的钻头，图2底模效果图保证了PDC钻头模具的加工质量、提高了生产加工其布齿参数就有264个数效率、适应当今模具加工制造业CAD／CAM一体化据。如此多的数据如果一个齿一个齿的去输人工f设计发展的趋势。量很大。考虑到一个切削齿共有上述若干参数即i定位，因此可以应用Pro／E族表功能去完成切削l基于Pro／E的PDC钻头模具三维实体造的空间定位[1]。由于是加工阴模，设计如图3，钻型切削齿窝的通用模型。齿窝的通用模型建立在分老1．1模具实体造型思路了切削齿空间参数关系后利用空间坐标系的“偏移PDC钻头模具加工主要包括模具底模、中模、与“旋转”功能实现。用类似方法建立切削齿面及模具喷嘴3部分造形，具体造形思路及步骤如图1。片的通用模型如图4。1．2．1．3切削齿窝在底模中的实现1．2模具在Pro／E中的建模步骤底模切削齿窝的实现就是切削齿窝、切削齿1．2．1钻头底模造型在底模钻头冠部轮廓上的装配操作，建立装配文底模造型是PDC钻头整体造型中最主要也是DM．ASM，将切削齿窝从底模轮廓特征中切除，最复杂的部分之一，底模造型初步分为PDC钻头冠切削齿面合并到底模轮廓特征上[2]，此时零件DM部形状、切削齿窝定位、钻头冠部水道及翼片的造型PRT文件实现了切削齿在底模中的造型，图5为等。翼式215．9mm(8英寸)PDC钻头模具造型图至此，PDC钻头底模布齿定位模型已基本确定。“～图3切削齿窝模型图4切削齿面及替片的通用模垂1．2．1．4钻头冠部水道及翼片的造型图1模具实体造型思路翼片式PDC钻头水道较深，相对刀翼较长。1．2．1．1冠部曲线形状造型翼可以应用Pro／E中特征一创建一实体一添加根据地层与钻井参数的要求，设计相适应的钻料一拉伸一混合命令进行造型；水道利用特征一仓 维普资讯http://www.cqvip.com张永星，等：基于Pro／E的PDC钻头模具加工CAD／CAM技术建一实体一切减材料一旋转剪切命令完成；一个刀1．3．2喷嘴棒与底模的装配翼一个刀翼分别完成。图6为一个完整的PDC钻喷嘴棒的装配可以直观地显示喷嘴棒安装位置头底模造型图。是否发生干涉，同时也可显示出喷嘴棒与刀翼及切／’—一～～削齿之间的位置关系，以此可以判断喷嘴布置是否合理，如不合理可以随时调整，如图1O。1．4阴模翻模仿真钻头整体模具建模完成之后，为了更直观地反映真实PDC钻头实体形状，为设计人员有效地设计和调整钻头造型，可以在Pro／E中把阴模“翻模”，虚拟一个仿真实体(如图11)。模具的仿真可以让图5底模切削齿窝造型图6钻头底模造型设计者一目了然地预见钻头实体造型，帮助设计者1．2．2钻头中模造型更改和调整不合理的设计参数，也可帮助设计者进钻头中模是钻头保径部分的模型，包含排槽及行多方案的设计，从中选出最佳方案。一旦更改了保径块造型。该部分应用Pro／E中“添加材料”及设计参数，Pro／E各零件之间的参数关联会自动传“切减材料”功能完成造型，操作简单。创建完后确递修改信息，快速而准确地完成零部件的自动更新和定好各特征之间的关系，进行通用零件设计，建立虚拟装配。因此，Pro／E为设计人员在PDC钻头造文件ZM．PRT。效果如图7。型设计中提供了一个简洁、方便、有效的设计途径。图11PDC钻头模具翻模1．2．3喷嘴孔棒定位及造型钻头的喷嘴定位包括喷嘴中心半径、周向角、喷2基于Pro／NC技术的PDC钻头模具数控射角、侧倾角、轴向高度5个主要参数，同切削齿空加工间造型方法一样，可创建通用喷嘴棒的定位模型(如Pro／NC自动编程加工技术完全可以胜任外形图8)。建立文件NOZZLE．PRT。尺寸复杂的PDC钻头模具加工，从而解决传统单一1．3模具各部件的虚拟装配]性能加工机床及人工操作制造流程所造成的过多投建立装配文件ZT．ASM，完成下述各部分之间入。首先，它将改变现有的PDC模具加工工艺，提的装配。高模具加工效率，减轻工人劳动强度；其次，高精度1．3．1底模与中模的装配的车铣加工有助于实现设计思路及设计意图；第三，底模与中模之间按照中模排屑槽与底模水道相提高模具加工质量，保证PDC钻头加工参数，从而对应原则装配，应用Pro／E装配中的“对齐”和“匹避免手工作业带来的人为误差，从根本上提高钻头配”命令实现，如图9。制造工艺水平，保证和促进PDC钻头性能指标的提高。2．1计算机数控加工设置流程思路[3(如图12)2．2模具数控加工工艺确定2．2．1加工工序设定a)底模加工底模水道车削加工；刀翼形状图9底模与中模之间的装配图1O喷嘴孔棒的装配铣削粗加工；水道铣削精加工；齿穴铣削精加工；喷 维普资讯http://www.cqvip.comOILFIELDigQUIPNIENT2005Vo1．34No5嘴钻削加工。NC加工序列文件的生成是机床工作指令程序b)中模加工中模车削加工；中模水道铣削的主要构成部分。基于Pro／E中已建立好的三维加工。模型，利用Pro／NC模块自动编程技术可以快速完成模具各部分的NC加工序列文件。底模和中模的车削加工由于程序简单，此部分内容由手工编程处理完成。底模喷嘴孔加工依据图纸数据，手工编程水眼NC序列。底模刀翼粗加工在Pro／E软件中，使用“制造”模块，调用“腔槽加工”命令完成该部分加工。底模水道铣削精加工、底模齿穴的铣削利用模型加工中“曲面铣削”功能完成，以生成序列代码文件。2．4NC序列设置与轨迹仿真演示每一部分NC序列代码生成之前，Pro／E软件都提供了一个模拟仿真演示过程。该过程有助于设图12数控加工设置流程计者直观地感受到实际加工过程，从而准确判断加2．2．2刀具设计工过程中的干涉及不合理的地方(如图13)，将有助针对不同的加工过程及加工形状，设计选用不于设计者更有效地更改加工参数，达到最佳的加工同的专用刀具，满足复杂工序的加工需要。同时编设计效果。每一部分的NC序列代码生成文件之排出刀具的自动换刀程序，实现自动换刀功能，提高后，还需要进行程序代码的更改及编排。加工效率。设计选用T1～T6共计6把刀具(如表1)，刀具的编排使用顺序是T1、T2、T3、T4、T5、T6。2．2．3机床参数设置机床参数的设置主要是按铣床实际加工参数设计填入，主要分为粗铣、精铣2种参数(如表2)，它包括主轴转速、刀具进给等。衰1刀具设计图13模拟仿真演不2．5模具NC序列程序编制[4各部分的程序在Pro／E软件中生成之后，并不能立即用于实际加工，单独在Pro／E中自动生成的各部分程序只有按照一定的顺序和预设的加工参数编排，方可最终在加工中心应用。为了提高编程效率，保证编程的可操作性，依据现场应用，利用VB语言自行编制了《PDC钻头模具数铣加工程序自动化编排软件》。应用该软件实现了快速、准确、简洁表2机床参数设置的模具程序的最终编排。2．6模具的现场数控加工2．6．1加工中心简介加工PDC钻头模具采用SSCKZ63-5五轴车铣中心。该中心是引进德国MAXMULLER公司研制的产品，操作系统为sIEMENs84OD。该车铣中2．3NC加工序列文件在Pro／NC中的自动生成啪心在普通二坐标数控车床的基础上配加Y、B轴动 维普资讯http://www.cqvip.com张永星，等：基于Pro／E的PDC钻头模具加工CAD／CAM技术力单元，l6工位刀库及机械手装置和CS轴(分度序，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率。轴)，在一次装夹中可完成复杂零件的全部或大部分5)数控加工工艺极其严格地保证了钻头切削加工工序。齿的分布位置及钻头切削齿各项角度参数，降低了2．6．2加工程序传输人为误差，模具批量加工一致性好，大大提高模具加NC序列文件生成之后，经过手工编排最终生工精度。成连续的可应用机床加工程序，为后续加工奠定良6)基于PDC钻头模具CAD／CAM技术的应好的基础。文件生成之后通过软驱或计算机Corn用，为设计人员提供了一个简洁、方便、有效的多方串口传递给SIEMENS840D操作计算机，由其进行案优化设计途径，使新产品开发制造速度大大提高。控制完成。2．6．3刀具的补偿{-|考文献：刀具补偿的目的是使工件坐标与机械坐标系在[13徐国斌．Pm／ENGlNEERWILDFIRE在企业中的实实际工作中吻合，这样加工出来的轨迹才是Pro／E施与应用I-M]．北京：机械工业出版社，2003．设计出来的形状。在实际加工中，针对一个PDC毛E23孙江宏．Pro／ENGINEER2001虚拟设计与装配I-M]．北京：中国铁道出版社，2003．坯模具，对T1～T6刀具进行刀具长度的补偿，每一[3]黄圣杰，王俊祥．实战NC入门宝典I-M]．北京：中国铁把刀具都设置好补偿数值，并存人机器操作系统。道出版社，2002．2．6．4加工过程a)底模数控加工开启加工中心、装夹石墨模具毛坯；调入加工程序；车削加工，加工钻头冠部实体，使用Tl成形刀具；钻喷嘴孔，使用T6刀；铣请订阅《流体传动与控制》削加工，加工钻头冠部刀翼、钻头水道，使用T2、邮发代号：4-744T3、T4、T5刀具；程序结束，完成加工，卸下模具。b)中模数控加工开启加工中心，装夹石墨全面报导国内外液压、液力、气动、密封与控制中模毛坯；调入加工程序；车削加工，使用Tl成形技术的专业性应用刊物。由上海市机械工程学会、刀具；铣削加工，加工保径部位钻头水道，使用T2、上海液压气动总公司、上海交通大学、同济大学等联T3刀具；程序结束，完成加工，卸下模具。合创办。主要栏目：专家论坛、计算机应用、连载讲3结论座、行业动态、供销(产品)信息等。读者对象：从事和使用液压、液力、气动、密封和控制技术的工程技1)Pro／E中的参数化设计模块实现了PDC术人员、企业管理人员、采购人员、大中专院校师生钻头模具快速造型。及技术工人等。双月刊(单月)大l6K，每期5元，全2)虚拟化PDC钻头各部件的装配为确定设年3O元。国内统一刊号：CN31-1921／TH计参数提供了一个良好的技术支持，设计人员可以主编：范崇匏准确预见各零部件尺寸以及可装配性，及时做出修名誉编委：史维祥改。地址：上海市定西路400号3)PDC钻头阴模翻模仿真造型为钻头设计邮编：200052人员展示了一个更为直观的实物造型，同时也给设电话：(021)62802803计者提供了一个设计优化的虚拟模型，使钻头设计传真：(021)62824284预见性好，为设计节省了时间，节约了费用。联系人：张士才陈华奋4)Pro／NC自动编程技术实现了PDC钻头电子邮件：fptc@sehp．cn模具数控加工制造工艺，减少了模具后续加工工