2 钻头模具制造

    (1)模具加工

    采用3D打印技术制造钻头基础模具，模具的打印工艺流程如图2所示。

图2 模具的打印工艺流程

    ①模型设计  首先利用NX软件设计模具三维模型；

    ②数据转化  设计的三维模型须利用NX软件进行格式转换，将其转换为快速成型设备能识别的STL数据格式；

    ③模型诊断  为确保三维模型成功打印，输入3D打印机之前，须采用专用软件进行模型诊断，确保无误后，方可输入打印机；

    ④分层处理  打印设备对模型数据进行分层处理，层厚与精度密切相关，层厚越小，精度越高，效率越低。为兼顾精度和效率，本文φ113胎体式弧角钻头模具的层厚设计为0.1mm；

    ⑤设置打印工艺参数  打印工艺参数与设备性能，材料类型，模具精度要求等密切相关。是通过实验研究总结出来的一组经验值；

    ⑥模具打印  打印参数设置好后就可以进行打印，无人值守，该模具6h内完成打印作业。打印好的模具还需要进行后期处理和检验；

    ⑦后期处理  后处理工序主要是提高模具本质强度、美化外观、对原型件缺失进行修补和修复，提高表面质量。

    本文以φ113烧结式PDC弧角钻头为例，3D技术打印的钻头模具如图3所示。

图3 3D打印钻头基础模具

    (2)模具检测

    由于弧角钻头各切削齿空间位置由中心距、切削角、侧转角以及周向角等参数组成。且钻头冠部形状不规则，曲面形状复杂，采用常规方法难以进行检测，本文使用了HandyScan手持式激光三维扫描仪对3D打印模具（见图3）进行了扫描，生成的三维图像如图4所示，通过与三维模型对比，3D打印的模具与设计模型基本吻合。本次打印的φ113烧结式PDC弧角钻头模具具有较高的尺寸精度，打印模型与设计模型尺寸误差≤0.1mm。

图4 三维扫描生成模型

3 钻头试制与野外实验

    采用3D打印技术制造了φ113烧结式PDC弧角钻头基础模具，按照软模成型工艺试制了2只钻头，并在淮南顾桥煤矿进行钻进试验。

    (1)钻场与设备情况

    试验地点为顾桥矿钻机工区1125 (1)运顺底抽巷，钻孔为穿层孔，穿层过程中有两段硬质粉砂岩。现场采用钻机为ZDY3200S分体式液压钻机，使用钻杆为φ73/63.5高抗扭试验钻杆。

    (2)钻头使用情况

    试验钻头的进尺情况如表1所示。

表1 试验钻头使用统计

    工区现用普通三翼内凹钻头单只平均寿命约为150m左右，进尺效率18～20m/h；试验用新产品钻头使用2只，总进尺分别为607.2m和832.2m，平均效率为24m/h。现场试验数据表明试验钻头的使用寿命与现有三翼内凹钻头相比有了大幅度的提高。图5、图6为2只试验钻头使用前使用后的对比图。

图5 1*钻头使用前后照片

图6 2*钻头使用前后照片

4 结语

    利用3D打印技术可以制作任意复杂曲面形状的模具，将该技术引入钻头模具制造，配合现有软模成型工艺，加工钻头基础模具用于钻头制造，改进了传统模具加工工艺，实现了复杂结构及唇面形状的PDC钻头高效研发。与目前常用的基础模成型技术相比，可得出如下结论：

    (1)简化加工工序，可直接由CAD模型驱动设备打印，无需铣削操作，可降低工时，提高效率；能够应用于结构复杂的钻头，且无需分模编程，对技术人员无特殊技能要求，缩短新产品开发周期，提高工作效率；

    (2)试验证明，3D打印技术制作的基础模具能够在精度、强度以及表面光洁度等方面满足钻头设计要求，且精度高于普通工艺加工的模具；

    (3)基于3D打印技术制作的PDC钻头在现场野外试验中，取得了较长的使用寿命与较高的钻进效率。