铸造钢体钻头的制造方法技术

钢质钻头体是在熔泡塑模铸造法中用聚苯乙烯模样制造出来的。模样被机加工，因此能生成复杂的形状，这种复杂形状是能从可重复使用的、两瓣模样模型中脱出的简单模样所不能复制的。模样是由坯料按照一个基本的、编好程序的五轴机加工过程制造出来的，可形成可复制的复杂模样体的多个复制品。该机加工过程可以修改，从而可形成修改设计的多个复制品。机加工复杂模样由程序控制，修改设计只须修改程序，因此可制出具有各种形状的钻头模样，而可不需制造中间的、可重复使用的、可能需用多瓣构成的模样模型，这样在为每一个变型制造新的模样模型所需的有关时间和费用便都可省去。模样是在一次装夹的条件下、在一台适宜用三维球面运动加工塑料的机床上加工的。塑料的成分和密度使它能被机加工成为一个具有较小悬空突出和光滑表面细节的模样。形成的钻头模样具有向前偏斜的刀片，刀片的曲面由多个相连的平表面组成借以简化机加工。刀片的边缘形成一个螺旋面用来安装切割元件。向前偏斜使刀片更为坚强，因此可以较薄，从而可增大刀片之间的间隙，改善经过钻头的切屑的流动。在模样的基准面上机加工出凹槽，从而在铸件上亦可产生凹槽供接纳表面硬化层之用。当钻头在使用中逐渐磨耗时，该表面硬化层与周围的刀片材料配合，形成一个光滑的过渡区。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的背景本专利技术的领域本专利技术一般地涉及油井和气井钻孔用的钢体钻头的制造。更具体点说，本专利技术涉及钻头的设计和铸造钻头的生产过程，这些钻头具有复杂的形状、不同的尺寸和形状改动，而不需使用复杂的、可重复使用的模样模具。现有技术的说明制造钢钻头的基本过程是从固态钢坯出发，将它加工成所需的最终钻头形状。这个基本过程可加改进，即采用钢铸件，将它铸造成接近最终钻头形状，这样便可大大减少机加工量。虽然由于增加金属铸造工步使程序较为复杂，但在时间和费用上的总的节省大可抵销采用铸件的化费。通常用较多的材料铸造钻头体，以便在一特定的钻头中能用机械加工制出另一种设计细节。在该情况下留在铸件上的多余材料就可使人们多一个可供选择的机会，如果该钻头在制造时不需要添加另外的细节，那么就可用机械加工去掉多余部分，要添加的细节也就不存在了。这种在内部采用的折衷办法带来的问题是，当要制造不需添加另外细节的钻头时，本来可以采用比较通用的铸件，现在却要添加较大的机械加工量来去除铸件上的多余材料。采用只是与一种特定型式钻头的最终形状接近相似的特定铸件虽然可在一定程度上解决这个问题，但接下来又需权衡该怎么办，因为这个特定铸件由于没有包括产生另外细节所需的材料，也就不能通过机械加工来具有另外的细节。在正常生产中，在将一种铸件机加工成为数种不同的终极形状而得到的灵活性及为每一种不同的设计形状准备一种特定铸件所需费用之间必需作出权衡。在钻头制造的领域内，通常需要比较专用的钻头大小、形状和形状来满足具体的用途。钻头常按用户的规格要求来制造。具体钻头的设计和大小要求的样式越多，通用铸件的形状就越接近基本钢坯。在过去，经常需要在一种特定钻头设计的生产运行的提高效率和减少费用及为较小的生产批量甚至单一定制的钻头设计保持在钻头大小或钻头设计上提供变化的能力两者之间作出权衡。在金属铸造领域内人们知道有一种方法可以用来铸造实体上较复杂的形状，在该方法中，每做一个铸件便要消耗一套模具。一种这样的方法一般被称为熔模铸造，它是在一个可消耗的、一次使用的模具内采用一个可消耗的、一次使用的塑料模样。这种方法的一种变化是采用泡沫塑料作为模样，这时这种方法可称为“熔泡塑模铸造”。当有大量相同的物件要用熔泡塑模法(lost foam)铸造时，可用一个可重复使用的金属模型制造出许多泡沫塑料模样。在模型中制出的每一个模样接下来在另一个工步内被可硬化的流态材料覆盖以致形成一个壳模。这种特殊方法所使用的材料和工步在美国专利4,660,623号中有较完整的说明。一旦壳模被硬化，便可用化学方法或加热方法将泡沫塑料模样消除。然后可用熔化的钢水注入到硬化的壳模内制出铸件。每做一个铸件，牺牲一个塑料模样和一个可消耗壳模的工步都要重复一次。上述熔泡塑模铸造法典型地包括一个多工步的过程，首先是将要铸造的物件制出一个正的模样。然后用这个模样制出一个可重复使用的、金属的、具有负的模样的模型。按照要被模样模型所要制出的模样的复杂程度，模样模型可能需要由多个可分离的部分组成，以便使模型能够从模样上脱出。模样模型一旦完成，便可用这模型制出大量模样。要铸造的物件的设计如有改变，模样模型也要随之而变。对于复杂的形状，如同钻井钻头所具有的那种使模样不能从两瓣的模型中拿掉的复杂形状，制作一个金属的模样模型是很费时费钱的。在需要为一个钢体钻头设计制造一个泡沫塑料模样用的模型的典型情况下，制造一个合适的金属模型可能需要数个星期并可耗费多达50,000美元或更多。而任何一点钻头设计的变动需要修改旧模型或制造新的模样模型，这样便要支付相关的时间损失和费用。因此，按常规采用这种中间的金属模样模型来提供熔泡塑模铸造方法中使用的泡沫塑料模样对制造复杂的钢体钻头来说是不合适的。美国专利5,197,527号曾说明过一种方法，其中泡沫塑料的块状工件被机加工成为可消除的泡沫塑料模样以便用在整体模型内进行铸造。在该系统所制定的方法中采用多个机械加工站，使当有大量相同的模样需要制造时可在一个过程中实现最佳的效率。拥有专利的程序曾说明有一直线的三轴机床位在工件之下，该机床在沿着三个标准的、互相垂直的轴线移动时便可加工使工件的表面成形。这些工件虽然也要经过机械加工，但这样制出的模样也可适宜作为中间模样而被用来制作壳型，比起上面所说先制作一个金属模型而后采用由此模型铸出的模样，对系统来说，毋宁是一个改进。所以说它适宜用作中间模样，是因为只用三轴运动制出的模样具有并不复杂的形状，因此能从比较简单的两瓣模型中脱出。在现有技术的方法中所示出的一些简单而并不复杂的设计如有改动也可容易地用本法来完成，只须对模样略加修改即可。本法还适用于需要铸造大量相同零件的情况。美国专利4,423,646号曾说明一种制造牙轮钻头的方法，其中使用泡沫塑料的铸造技术被用来制出钢质钻头体。泡沫塑料被模制成一个基本上与钻井钻头体相同的形状，切割件则被安装在泡沫塑料成形体(模样)上。泡沫塑料成形体可被机加工以便产生添加的钻头细节。这个组合件(钻头体加切割件)然后被可硬化的模型材料覆盖以便形成模型体。接着将泡沫塑料从硬化的模型中烧掉，以资在模型中留出空腔，熔化的钢水就可浇注到这模型空腔内。待钢水冷凝后，模型可用化学处理法从完成的钻头上除去。这样看来生产所需的泡沫塑料模样需要有一个包括在模型内浇铸和用机械加工的两个工步的过程。虽然人们认识到那些不容易在模型内铸出的复杂模样可以从一块模样材料上用机械加工制出，但要看到，机械加工对用此法制造的每一个模样也有其局限性。用机械加工制造一个模样而不是在一个复杂的模型内把它浇铸出来，并没有消除消耗费用和时间的问题。虽然采用合适编程的数控机床来机加工模样可以制造出任何所需数目的相同的模样，但如同任何一种机加工程序那样，被机加工零件越是复杂，制造该零件所需的时间和费用也就越多。弯曲的零件特别能消耗时间，因为它们通常需要加工好多次才能制出光滑的曲面。传统的螺旋形刀片钻井钻头具有一个连续弯曲的刀片端以便用来将切割元件安装成螺旋形。在钢铸件上机加工弯曲而盘旋的刀片十分困难并且费时。将塑料机加工成弯曲的形状也要消耗时间，并且由于每一个模样必须分开来制造，在一个生产流程内的时间损失还应乘上该时间内所能机加工模样的数目。因此，任何一种设计的改变只要能减少机加工的复杂性，就能显著地节省时间和费用，不管该设计是用于钢料还是塑料。塑料模样的机加工还使我们有可能创造出如果在钢铸件上进行机加工则并不切合实际的那种钻头设计。这样在钢钻头体上也许需要一个小时才能形成的表面，在塑料模样上可能只需要几分钟便可机加工出来。这个能力使我们能够切合实际地创造出如果直接在钢钻头上机加工则是不切合实际的那种铸造钻头的细节。在钢体钻头的典型制造方法中迂到的一个问题来自将表面硬化材料焊接在钻头的基准面上。如果材料不是适当地焊敷，会造成钻头的尺寸过大或过小，或者会造成能钩抓井孔表面的粗糙的边。在任何一种情况下，该钻头都必须重新加工来改正缺点。传统的钢钻头还采用从刀片边延伸到另一刀片边而横越刀片表面的表面硬化材料。如果该表面硬化材料没有适当地施加好，那么当钻头体由于其与较硬的表面硬化材料接触而被磨耗时，该表面硬化材料可能形成一条尖锐的边，该边能卡在井孔壁上，并造成钻头振动和其他不本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来制造复杂金属体的多个复制品的生产方法，包括：（ａ）按照预编程序的机加工过程机加工模样制造材料的坯料以形成一个第一、可复制的、复杂的模样体；（ｂ）在熔模铸造中采用所说第一复杂模样体作为熔化材料以便制出所说第一复杂模样体的金属复 制品；及（ｃ）重复步骤（ａ）和（ｂ）以制出所说第一复杂模样体的多个金属复制品。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：DH西蒙德，RW阿费勒，GA埃斯皮里图，小ER马丁，
申请(专利权)人：德雷塞工业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]