石油钻头的实体建模及有限元分析.pdf

机械制造 与研 究 张双侠 ， 等 石 油钻头的 实体 建模及 有限元分析 石 油钻 头的实体建 模及有 限元分 析 张双侠 ， 卢华 ， 纳斯哈提 新疆 昌吉职业技术 学院 机械工程 系 ， 新疆 昌吉 8 3 1 1 0 0 摘要 石油钻头是一种形状较复杂的孔加工工具 ， 其参数不易获取 ， 通过光学测量技术对钻 头扫描， 逆向工程软件对钻头的点云数据进行处理， 再利用三维软件实现三维建模 ； 应用有限 元分析软件对钻头进行有限元的数值模拟分析， 可较精确地掌握钻头在工作过程中各点的受 力情况， 了解钻头内部应力应变的分布规律， 获得应力分布图并方便地找出钻头上的危险点 ， 为今后改进钻头的受力情况、 合理设计钻头结构以及对钻头进行失效分析提供理论依据。 关键词 石油钻头； 逆向工程； 三维建模 ； 有限元分析 中图分类号 T H I 2 T B 1 1 5 文献标志码 B 文章 编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 0 0 6 - 0 0 5 5 - 0 6 Pe t r o l e um Aug e r S o l i d M o l d i ng a nd Fi ni t e El e me nt An a l y s i s ZHANG Sh ua n g x i a， LU Hu a， Na s i ha t i C h a n g j i O c c u p a t io n T e c h n o l o g y C o l l e g e ，D e p a r t me n t o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， C h a n g j i 8 3 1 1 0 0， Ch in a Abs t r ac t Th e p e t r o l e um a u ge r is a mor e c ompli c a t e d d r il l ing t o o1 ．Th i s p a p er u s e s ATOS op t i c diag r ap h t ec h n i q u e t o s c an t h e aM - g er ， an d u s e s c o n t r ary en g i n ee r i n g s o f twar e t o pr o c e s s t h e po i n t clou d d a t a o f t he au g er ， an d t h en ma k e s u s e o f 3D s o f t wa r e UG NX r ea l iz e 3 D molding ．I f t h e f init e elemen t a n aly t i c a l s o f twar e ANSYS i s ap pli e d t o t h e au g er f init e ele me n t s i mula t ion an a l y s is，we c a n k n o w t h e au g er f or c e c o n dit ion s a t a l l po i n t s i n t h e wor k a n d it s i n n er a n d o u t er s t r e s s d i s t r i b u t ion t o i mpr o v e t h e a u ge r f or c e c o nd i t ion s，p erf e c t ly d e sign it s s t r u c t ur e a nd p r o v i d e t he t h e or e t ic al b as is f or t he a u g er an a l y s is． Ke y wo r d s p e t r o le u m a u g e r ；c o n t r a r y e n g i n e e r in g； 3 D mo ld in g ；f i n it e e le me n t a n a l y s is 0 引言 P D C是石油钻井 中开发 的新 型钻 头。自 2 o世纪 7 0年 代 P D C钻头面世以来， 以其能显著提高钻井速度、 降低成本 和经济效益好等特点而被广泛应用推广， 钻头属于结构形状 比较复杂的孔加工工具 ， 同时钻头又是石油钻探过程的关键 部件。提高钻头设计的关键是在设计的过程中能较准确预 测钻头的受力、 钻削状况和由此导致钻头的应力应变情况， 为钻头的设计以及结构的优化提供可靠的理论参考数据。 1 石油钻 头的三维 重构及 实体建模 目前成熟 的三维建 模软 件很 多 ， 可 以 满足 P D C钻 头 这样复杂形体的建模， 对塔里木油田使用的美国休斯 克 里斯坦森公 司生产 的一 种称为 G e n e s i s X T的新 型 P D C钻 头进行三维重构。首先利用 A T O S光学扫描仪对钻头扫 描及逆向工程软件 I m a g e w a r e点云数据进行处理， 之后利 用三维软件 U G N X进 行石 油钻 头 的三维 造型 的重 构 ， 以 I m a g e w a r e ， U G为平 台， 建立石 油钻 头 的三维参 数化模 型 。 图 1 是 钻头逆 向工程实施 的途径 图。 由于钻头的形状比较复杂， 无法一次完成整个钻头表 面的扫描工作。因此把钻头分成上下两部分扫描， 分别得 到两个点云文件， 然后在扫描仪软件中通过两个点云数据 的公共参考点把两个点云文件拼合为一个文件。对钻头 图 1 钻头逆 向工程 实施的途径图 上下两部分 的各个 方 位进 行扫 描 ， 扫 描软 件会 根 据参 考 点 ， 要求每幅照片至少有 3个以上的参考点， 否则无法拼 合 ， 通过公共场所参考点自动把扫描得到的每幅照片进行 拼合 ， 最终完成整个钻头外形的扫描。扫描完成后 ， 通过 A T O S扫描软件对点云进行对齐、 三角化 、 光顺和稀化等 后得 到钻头 的 点 云文 件 ， 这 时 可 以输 出 S T L文件 ， 以便 I m a g e w a r e软件对 点 云 进 行后 序 处 理 。对 点 云进 行 处 理 时 ， 齿孔 中心线 的位 置对 于整个钻 头 的结构是 最重 要 的， 因为钻头在工作时就是依靠各个不同齿位的金刚石齿去 工作 ， 如果严格按照钻头的齿位进行拟合， 即严格按照原 设计进行拟合 ， 则这些齿位就可以保证金刚石齿的磨损量 最小、 工作寿命最长 ， 因而齿孔中心线的提取是整个逆向 过程最为重要的环节， 直接决定了钻头的使用寿命。图 2 ， 图 3 ， 图4分别是钻头实物原始点云图、 钻头精简后的 点云 图、 在 U G软件 中完成 的三维钻头模型 。 2 石油钻头的有限元分析及结构优化 有限元模型是进行有限元分析的数学模型， 它为计算分 作者简 介 张双侠 1 9 6 7 一 ， 男 ， 河南太康人 ， 硕士 ， 副教授 、 工程师 ， 主要研究方向为机械设计与制造 。 Ma c h i n e B u i l d i n g Au ma t i o n ，De c 2 0 1 0 ， 3 9 6 5 5～ 6 O 5 5- 机械制造与研 究 张双侠 ， 等 石油钻 头的 实俸建模及 有限元分析 图 2 钻头实物原 始点 云图 图3 钻头精简后的点云图 ～E Y‘ ⋯‘ ’r ⋯⋯ 一 矾 t x n ． 鼍 f i F， { 露 纛黧 能 - ⋯ ⋯ ； 师 蝻鞘 ￡ 巍， 自 { 珊 锯 ’ 霭 ⋯一 图 4 在 U G 软件 中完成的三维钻头模型 析提供所有原始数据。有限元模型的建方形式直接影响有 限元分析精度。因此 ， 建立模型是进行有限元 分析 的关键。 在钻头力学的研究 中， 可以把钻头分成有 限个离散的单元 ， 采用有限元方法将各个单元按一定规律组合在一起 ， 得到一 组以位移为未知量的代数方程组。要研究钻头系统的动力 学特性， 首先必须建立相应的力学模型。根据该模型的特点， 选用有限元法来建立和求解钻头系统动力学模型。 2 ． 1 P D C钻 头受力及扭 矩分析 ．3 j P D C钻头是 由若 干个切 削 齿构 成 的整体 型钻 头 ， 钻 头的受 力取决 于各个 切削齿 的受力 以及各切 削齿在钻头 上 的位 置和钻头剖面形状 。通过单齿切削试验 ， 研究切削 参数 包括切 削面积 A 和接触弧 长 S 后倾角 及岩石 可钻性 等主要因素对 P D C钻头切削齿受力的影响规 律 ， 建立 P D C钻头切削齿受力模型 。 1 单齿切削力模型 F a l A S b I 1 a l 0 ． O 0 1 a 一 0 ． 0 1 2 a 0 ． 4 8 3 2 b l 0 ． 0 2 5 a ‘ 一 0 ． 3 6 a 2 2 ． 9 8 5 3 2 单齿正压力模型 F a 2 A S b 2 4 a 2 0 ． 0 0 1 5 a 一 0 ． 0 2 3 5 a 0 ． 5 7 1 蟛 5 b 2 0 ． 0 1 0 5 a 一 0 ． 1 5 8 5 a 3 5 ． 7 3 6 6 式 中 F 切削齿 的切削 力， 单位 k N； 4 切 削面积 ， 单 位 m m ； 5 接触弧长 ， 单位 r a d ； 后倾角 ， 单位 。 ； b 齿 中心到钻头轴线的压力 ， 单位 k N； K d 岩石可 钻性 ； 单齿正压力， 单位 k N 。 钻头 的总齿数 为 N e 3 7个 ， 剖面形 状如 图 5所示 。 设任 意一个切削 齿 中心在钻 头 上的坐 标为 R ， ， 0 ， 法向角为 r 。 ， 后倾角为 d ， 侧转角为 将各切削齿的受力 向钻头的轴向、 切向和径向上分解， 就可以得到各切削齿 的轴 向分力 F ， 切 向分力 和径 向分 力 及 ， 。切 向 分力即切削齿的切削力， 轴向分力和径向分力的计算公 式为 F c o s T 7 F F s i n T 8 F F t a 9 式 中 切 削齿 的轴 向分力 ， 单位 k N； ， 切 削齿 的径 向分力 ， 单位 k N； F 切削齿 的径 向分力 ， 单位 k N； F 切削齿 的切削力 ， 单位 k N； F 单齿正压力 ， 单位 k N； r ， 法 向角 ， 单位 。 ； 侧转角， 单位。 。 图 5 P DC钻头受力分析图 根据力的平衡原理， 对各切削齿的轴向分力 ， 求 和 ， 可得到钻头破碎井底岩石所需要的钻压 。各切 削齿 的切削力 与切 削半径 的乘积之和 即为旋转钻头所需要 的扭矩 。将各切 削齿的切 削力 和径向分力 ， 向 5 6h t t p ， ， Z Z H D． c h i n a j o u rna 1 ． n e t ． c n E - m a i l Z Z H D c h a i n a j o u r n a 1 ． n e t ． e n 机械制造与 自动化 机械制造与研究 张双侠 ， 等 石 油钻 头的 实体建模及有 限元 分析 ，Y两个坐标轴分解并求和， 可求得两个坐标方向的分力 和 F ， 这样就可以计算出钻头的总侧向力 及作用方 向角 0 ， 得 到 P D C钻 头受 力计算模型 。 N 钻压为 W∑ 1 0 E N 扭矩为 ∑ 。 1 1 总侧向力为 ； ／ 2 1 2 其中 F x ∑[ F c s in 0 一 F F c o s 0 ] 1 l Nc ∑[ F c o s 0 F ， F s in 0 ] 1 3 式中 F f， 切削齿的轴向分力 ， 单位 k N； 钻头破碎井底岩石所需要的钻压， 单位 k N； 旋转钻头所需要的扭矩， 单位 k N ／ m； R 切削半径 ， 单 位 m m； F 切削齿的切削力 ， 单位 k N； 钻头总侧向力 ， 单位 k N； F 切削齿沿 轴分力之和， 单位 k N； F 切削齿沿 Y轴 分力之和 ， 单位 k N； F ， 切削齿的径向分力， 单位 k N； ， 切 削齿 的径向分力 ， 单位 k N； 0 钻头侧 向力方向角 ， 单位。 。 侧 向力方 向角 以钻头基准线为始边 ， 逆时针为正 为 0 2 a r c t a n F J ， F x t0 ； 0 s 1 8 0 。 一a r c t a n F y ／ F x ， F x 0 ； 1 4 式 中 切削齿沿 轴 分力之和 ， 单 位 k N； F 切削齿沿 Y 轴 分力之和 ， 单 位 k N； 0 钻 头作用力方 向角 ， 单位 。 。 2 ． 2 基 于 A N S YS的钻 头静 态结构分析 2 ． 2 ． 1 U G 与 A NS Y S建立无缝连接 A N S Y S软件由于采用了基于 P a r a s o l i d内核的实体建 模 技术 ， 能和以 P a r a s o l i d为 核心 的 C A D软 件实 现真 正无 缝的双向数据交换 ， 从而使 A N S Y S能够得到准确有效的 模 型数据 。将专业 三维 设计 软件 U G与有 限元分 析 软件 A N S Y S结合使用 ， 利用 U G建模软件快速准确建模的特 长 ， 很好 的解 决了 A N S Y S建模能力 的不足 。 2 ． 2 ． 2 钻头材料参数 设定以及 网格划分 1 单元 类型 选取有限元分析 的单元 类型为 1 0节点 的四面体 单元 s o l i d 9 2 ， 它更适合于建 立精 度要 求较 高 ， 边界 为 曲线 的复 杂模型， 采用三维四面体单元， 每个节点只有 3个平移 自 由度 ， 3个旋转自由度被约束。 2 材料属性 选 择分析的 P D C钻 头 的钻头 体上 部为 钢体 ， 下部 为 碳化钨耐磨合 金， 其质 量百分率为 碳化钨粉 8 7 ％， 钴 1 1 ． 7 ％ ， 镍 1 ． 3 ％ 。P D C钻头的切 削元件 是 由人造 聚 晶金 刚石薄层 约 0 ． 6 mm 及碳 化钨底层在高温高压条件下烧 结而成的整体。由于在钻头三维实体造型的过程中是以 m m为计量单位 的 ， 因此 为 了保 持单 位 的一 致性 ， 材 料参 数特性如下所示 其中镍铬钢 、 合金钢， 弹性模量 2 ． 0 6 1 0 M P a ， 切变模量 7 ． 9 3 81 0 MP a ， 泊松 比 0 ． 2 5～ 0 ． 5 ， 均 为各 向同性 材 料。碳 化 钨 密 度 ， P 7 ． 8 51 0 一N s 2 ／ m m ， 1 ． 1 91 0～N S 2 ／ m m ； 切削速 度是 1 0 0 m ／ mi n弹性 模量 E 2 ． 0 51 0 M P a ， 5 ． 3 41 0 MP a ； 泊 松 比， 1 , 0 ． 3 ， 0 ． 2 2； 比热 ， 4 7 5 C p J k g一1。 C一1 ， 4 0 0 C p J k g一1。 C一 1 ； 热传导率 ， A 4 4 ． 5 Wm一1 C一1 ， 5 0 Wm一1 c一1 ； 导 温系数 1 1 ． 9 3 1 0 6 m ／ s ， 1 1 1 0 6 m ／ s ； 热膨胀系数 1 3 ． 7 Ix mm一1。 C一1 ， 人造金 刚石一 般要求强度达 2 5 0 0 M P a以上 。弹性模量 为 8 8 0 0 MP a 。塔河油 田井段 采用 的 钻头技术参数见表 1 。 表 1 休斯公 司 P DC钻头具体技术参数 3 网格划分 在 A N S Y S中对刀具的模型进行网格划分， 为了提高 计算的准确度 ， 节约计算时 间。对钻 头的 网格划分 的时候 将钻头 的整体 网格单元 长度设定为 1 4 m m， 因为钻头 切 削部为主要受力体 ， 载荷主要作用在 主切削刃上 ， 因此 ， 划 分 单元时可将切 削部划分 得细一些 ， 而导 向部分可划分 得 粗 一些 ， 因而在其 切 削部 分对 其进 行 网格 划 分 的局 部 设 定 ， 在 主切 削刃以及横刃上设定 网格 单元 的长度 为 1 mm， 而主后刀面上设定网格单元的长度也为 1 m m， 通过网格 划分的设定减少了网格划分的数 目， 同时又提高对零件的 主要切 削部分 的分 析精度 ， I G E S是一 种被普 遍接 受 的中 间标 准格式 ， 用 来在不同的 C A D和 C A E系统之 间交换 几 何 模 型 ， A N S Y S的 I G E S的 输入 功 能 是 最 强 的。在 此 用 F A C E T E D选项 ， 该选项调用增强的几何数据库， 可以在用 户不必干预的情况下进行 I G E S文件的转换 ， 可以自动合 并 和生成体 ， 为模 型划分网格做准备 。 根 据 以上处 理方 案 ， 采 用智 能控制 的 自由网格划 分 ， Ma c h i n e B u i l d i n g Au to m a t i o n ，De c 2 0 1 0 ， 3 9 6 5 5～6 0 用四面体实体单元对钻头进行有限元网格的 自动划分， 并对钻头部分进行细化处理。共生成单元数 9 4 7 2 0个， 节 点数 5 7 4 2 2个节点 。其钻头 网格细化 后 的结 果如 图 6 所 示 。 f { 謦 z 一⋯ 勰鞭 粼耱糖 麟掰黼 辩躺糯 鼎糍勰 鞣黼嬲 躐 鞘黼黜 瓣辅 鞣硝麟 鞠耀瓣黼黼 麟稀 糕 № ～’ 性 _ 般 。蛳、 蚀 ≈ 嚣 营嚣 封 -s壁 女 四 {a 书目～ 图 6 钻 头网格细化后 的有 限元模型 5 7 机械制造与研究 张双侠， 等 石油钻头的实体建模及有限元分析 2 ． 2 ． 3 钻头静 态结构分析的加载 以及求解 1 对钻头施加约束条件 有 限元分析是 以弹性力学为基 础的 ， 求解弹性力学问 题必须满足边界条件。从数学模型方面看， 这是保证结构 刚度方程有唯一解所必须 的 ； 从 物理模型 方面看 ， 这是 在 给结构施加足够的约束 ， 以消除结构的刚体位移。文中施 加在钻头模型上的约束条件为 底面的所有节点加以固定 约束， 限制 3个平动自由度。 2 施加受力载荷 由于其受力比较复杂， 因此可对载荷作一些简化。为 了方便合理的施加受力载荷， 本文把网格划分之后的所有 节点都转移 到圆柱坐标下 ， 然后在柱坐标下对钻头 的切削 部分施加受力载荷。把扭矩 和轴向力施加在主切削刃 以及横刃上 ， 并且假设扭矩分别均匀分布在主切削和横刃 的各个节点上。前文介绍的 P D C钻头受力及扭矩分析建 立 P D C钻头切削齿受力模型 。 由于 P D C钻头刀翼的结构角中刃尖角 JB是刀翼尖端 前后刃之间的夹角， 一般岩石软时 ， 可取为 1 0 。 或 8 。 一9 。 ； 岩石较硬时 ， 平均为 1 2 。 ～1 5 。 ； 切削 角 是刀翼前 刃与水 平面之间的夹 角， 在其他条件一定 时 ， 角越大 ， 吃入深度 越深 ， 但 角过 大时 ， 刃前岩 石 的剪 切破碎 困难 ， 钻进 时 蹩劲 大。对于软地层 角 应小一 些 ， 对硬 地层 角大 一 些。一般规律是 松软地层 O ／ 7 0 。 ； 软地层 O ／ 7 0 。～ 8 0 。 ； 中硬地层 O L 8 0 。一8 5 。 。刃后 角 O ／ 一 。刃后 角必 须 大 于孔底角 刀翼以螺旋 面的运 动轨迹 吃人岩石 ， 螺 旋 面与水平面的夹角为 。复 合片在 钻头唇 面上安 装时 ， 一 般 取 ～1 O 。 ～一 2 O 。 的负斜镶并有一定 的侧倾 角， 如果 需 要较 高转 速 ， 较好的冲洗液流动控制能力 ， 则应 取浅 内锥 ， 锥角较大 I 1 0 。 一1 6 0 。 ； 如果要 突 出钻头 稳定性 ， 提 高孔 斜控制能力 ， 则应为深内锥 ， 锥角较小 6 0 。 一1 0 0 。 。 根据岩石特『生 选取刃后角为6 5 。 ， 同时经查表得知岩石 可钴性 为6 ， 由钻头模型可知接触面直径为9 ． 5 m m， 钻压 为4 0～ 8 0 k N。从而计算出钻头在工作时的切削力 表2 。 表 2 钻头的切削力分配表 计算完力后在 A N S Y S中， 点击 鼠标右键 进入 i n s e r t 后点击 t o r c e进入加力状 态其 加力 图如 图 7所示 。 2 ． 2 ． 4 基于 AN S Y S的静态结构分析的求解 经过上述步骤 ， 进入 A N S Y S 求解器 ， 通过有 限元求解 58 图 7钻 头 的切 削加 力 图 得到钻头工作过程中的应力以及应变情况。在 A N S Y S结 果后处理器 中， 把 钻头 经过静态结构分析 的总应力应变采 用彩色云 图的形式表 现出来 。其静 态结构应 力如 图 8所 示 ， 而结 构应变如 图 9所示 。从应力 以及应变的结果图可 以看出， 钻头在钻削的过程中其最大的应力变形在其主切 削刃的最外缘的刀尖处， 其最大变形为 0 ． 0 0 8 4 fi l m； 而最 大的应力在钻头的压力面边缘 且应 力集 中小 ， 其最大应力 值为 1 3 M P a ， 而硬质合 金刚的最大抗弯强度是 1 0 7 9 MP a ， 最大抗压强度是 1 0 0 0 MP a ， 检验条件是 or ≤[ or] ≤ ／ T， 其中 [ ] 是材料的许用应力； o r 是实际计算出 的最大应力 ； 是 材料 的安全 系数 ， 取 2 ．y1 ． 1 2 ． 5 ， 故 or⋯ [ or] 。 图8 钻头的结构应力 图9 钻头的结构应变图 h t t p ／ ／ Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E m a i l Z Z H Dc h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械制造与 自动化 机械制造 与研 究 张双侠 ， 等 石 油钻头的 实体 建模及 有限元分析 通过分析有限元静态结构应力 、 应变结果云图， 可以 得出以下结论 1 钻头最大弯曲应力远远小于许用应力， 因此钻头 具有足够的稳定性和强度。综合以上推断本文建立 的静 态有限元分析的模型比较合理。 2 因为钻头的最大应力在其压力面边缘且应力集中 不大 ， 因此增大钻头 压力面厚度或者提 高钻头压力面处材 料 的强度 ， 可 以弥补钻头 强度 不足 的缺 陷。同时从结果 图 上可 以看 出钻 头的最大应变集 中在主切削刃 的外沿处 ， 为 了提高钻 头的耐用度和加工精度 ， 可 以加强 钻头主切削刃 的刚度， 以此来减少钻头的应变。 3 从钻头的应力云图上可以看出， 钻头的应力主要集中 在钻头的主要切削部分， 即钻头的主切削面的边缘上。因此在 刀具的设计过程中， 要提高钻头的耐用度和切削效率， 就是要 提高钻头的主切削部分的强度和刚度， 或者通过改变钻头几何 形状来改善钻头的切削状况， 降低主切削力和轴向力。 2 ． 3 钻头动态有限元分析 为保持动态分析的一致性， 在对其进行瞬态动力学分 析时， 单元类型的选择、 施加位移约束条件以及对其进行 网格划分的过程和前面的模态分析相同； 设定钻头材料参 数， 这里主要是设定其弹性模量、 泊松 比、 密度、 整体重力 加速度 ； 选 择有限元分析 类 型为瞬态 动力 学分 析 ， 分 析 的 方法采用 F u l l 完全法 ； 施加 受力载 荷 进行 瞬态动 力学 分析 时 ， 对钻头施加 的是与时 间成正 弦规律 变化的动态切 削力 ， 本文是把一个周期内时间和力的对应关系施加到其 主切削刃和横刃上； 设定瞬态动力学分析的时间和步长； 经过 以上过程完成了钻头的物理模型到瞬态有限元分析 的有限元分析模型的转换。进人求解器求解， 得到钻头瞬 态动力学 的分析结果 。进入 时间历程后 处理器 ， 本文 以钻 头压力面作为观察对象， 观察钻头钻削时的径向位移与时 问的函数关系， 其结果如图 1 0所示。 图1 O 钻头瞬态动力学的分析结果 分析结果 曲线 从 图 1 O中可以看到 ， 钻头的最大振 幅 与经验值基本符合， 分析结果符合实际情况， 从而证 明了 本文建立的钻头瞬态动力学方程以及有限元分析模型的 正确性 ， 为提高钻头的切削精度提供参考依据， 也为其他 类 似刀具的有限元分析提供 了一定的理论依据 。 2 ． 4钻 头优 化 设 计 ⋯ 由静态结构分析可 以得到钻 头在工作过程 中的应 力 、 应变 云 图 ， 分 析钻 头 的应 力 及 应 变 情 况 。为 了 提 高钻头的生产效率、 加工精度 以及使用寿命 ， 在钻头的 设计过程 中， 可以通过 对标准 的钻 头进行合理 的刃磨 来 改变 其结 构 形 状 和 几 何 参 数 ， 从 而 改 善 钻 头 切 削 过 程中受力以及应变情况。钻头的几何结构的具体修 改 措施 如下 所 示 1 改变 图 9中 4个相对应力集 中的切削齿 的周 向位 置角。通过调整图9中4个相对应力集中的切削齿的周 向位置角 ， 可有效 控制钻头 的不平衡力 。 2 修磨 钻头的主切 削刃 ， 通 过改 变其 刃形 进 而改变 Ma c h in e B u i l d i n g Au t o m a t i o n ，De c 2 0 1 0， 3 9 6 5 5～ 6 0 其切削刃上各 点切 削负荷的分布 ， 同时使切削厚度逐渐增 大 。从而改善刀具 切削过程 中的受力分布情况 。 通过以上修改以后， 改变了钻头几何结构的形式 ， 最 终得到优化后的钻头几何结构。 3 小结 通过石油钻头 的三 维重 构 、 运用 有限元法对钻头进行 应力分析。采用逆 向工程软件 I m a g e w a r e对 P D C钻头从 外形特征与数学特性进行了测量规划， 数据点采集、 处理 ， 借助 U G软件建立模型； 利用 A N S Y S软件对 P D C钻头进 行有 限元分析及结构 优化 。证 明 了用有 限元法进 行 强度 分析具有强大的生命力， 在计算机上即可完成产品的设计 过程 ， 省去了反复试制的过程， 一次就可以制造出最优的 产品， 大幅度地提高设计制造效率， 缩短了开发周期， 节省 了人力、 财力和物力 ， 大大降低 了设计制造成本。采用有 限元分析作 为钻 头结构设计的辅助手段 ， 使钻头设计工作 跃 上一个新 的台阶。 59 机械制造与研究 张双侠 ， 等 石油钻头的 实体建模及有限元分析 参考文献 [ 1 ]卢芬芳 ， 徐 防， 申守庆．休斯 克里斯坦森公 司的新型 P D C 钻头及牙轮钻头 [ J ] ． 石油钻探技术 ． 2 0 0 4 6 4 5 ． [ 2 ]刘芳 ， 范文捷 ， 周厅里．聚 晶金刚右复合片 P DC 应 力表征方 法的探讨 [ J ] ．金刚石与磨料磨具工程 ， 2 0 0 6 3 3 0 32 ． [ 3 ]江永正 ， 周大 干， 王新清． 油田钻井之钻头受力分析 [ J ] ． 应用 科技 ， 1 9 9 4 4 ． [ 4 ]宋洵成， 陈会年． 考虑切削次序 的 P D C钻头切削体积计算研究 [ D] ． 南宁 广西大学学报 自然科学版 ， 2 O O 6 ． 6 S 1 1 7 0 1 7 4 ． [ 5 ]张汉国 ， 孙文磊 ， 程新平 ， 等．逆 向工程技术在 石油钻采 工具 开发中的应用 [ J ] ． 机械工程师， 2 0 0 6 1 1 0 9 - 1 1 1 ． [ 6 ]赵清云 ． 基于 C F X的 P D C钻头水 力结构优化方 法研究 [ J ] ． 石油矿场机械 ， 2 0 0 9 1 2 6 5 6 7 ． 【 7 ]向亮， 杨涛， 付建红， 等． 一种新的P D C 钻头设计模型研究． 石 油矿场机械 ， 2 0 0 9 】 0 5 6 -6 0 ． 收稿 日期 2 0 1 0 0 40 1 上接第 4 8页 本试验 凸轮材料选用 4 0 C r ， 采用 高速加工工 艺 ， 整个 过程 为 车顶 圆～粗铣槽一半精铣槽一精铣槽～渗氮一 抛 光一检验 。 将事先编制好的数控程序导人数控 系统 ， 即可对 弧面 凸轮进行加工 ， 精铣后的工件进行 渗氮处理 、 抛光加工 ， 即 可检验 、 装配 。现场加工如图 9所示 。 图 9 弧面凸轮的加工 图 1 0所示为在五轴联动加工 中心上加工 出的弧 面凸 轮 。由于采用球头刀加 工 ， 在槽 的底部会形成一个刀具半 径的圆弧底 ， 该缺陷不会影响凸轮的正常使用 。弧面凸轮 作为分度机构最为关键 的部件 ， 其工作 廓面加工 品质 的好 坏直接影响着分度机构 的分 度精度 、 运转 的平 稳性 、 结构 的紧凑性 、 噪声 的高低及使 用寿命 ， 所 以弧 面凸轮廓 面 品 质的检测 是对其加工 品质进行评定的一个重要环节 ， 但是 由于弧面凸轮 的工作廓面具有不可展性 ， 无法采用常规仪 器进行检测， 缺少有效的检测方法和误差计算方法， 目前 还是一个薄弱环节。一般的做法是将弧面凸轮分度机构 装配起来， 通过跑合检验分度箱是否能达到相应的要求， 并进行相应的调整 。 图 1 1 所示为将加工后的弧面凸轮与其他部件装配起 来 的弧面 凸轮分度箱 ， 实践证 明， 利用五轴联动加工 中心 ， 6 0 图 l O 弧面 凸轮成品 改进走刀方式， 采用高速铣削， 精加工凸轮廓面， 加工后的 弧面 凸轮经过 检验 装配 ， 分度 箱 能够达 到相 应 的技术 要 求。该工艺的主要特点是加工的适应性强， 适用范围广， 可以加工各种尺寸参数的凸轮， 并且能够进一步提高加工 精度和零件的互换性。 图 l l 弧面凸轮分度箱 收稿 日期 2 0 1 0～0 7～ 3 0 h t t p ／ ／ Z Z HD ． c h i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n E ． n l a i l Z Z HD c h a l n a j o u r n a 1 ． n e t ． e l l 机械制造与 自动化