目前，國(guó)內(nèi)PDC鉆頭生產(chǎn)普遍采用粉末冶金制作鉆頭體，再將PDC切削齒鑲焊在鉆頭體上。用這種方法制作的鉆頭體，冠部是由預(yù)先制作好的組合模具來成型的。因此，鉆頭體的冠部形狀和尺寸完全取決于組合模具。而傳統(tǒng)的組合模具的底模是采用石墨棒料經(jīng)機(jī)械加工、劃線，再經(jīng)手工雕刻修磨PDC支撐體凹坑和水口塞等復(fù)雜部位等工序來完成的。這種方法雖然能加工各種形狀、規(guī)格及大小的底模，但工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，精度難以滿足設(shè)計(jì)要求，且一致性差，嚴(yán)重制約了燒結(jié)式PDC鉆頭的生產(chǎn)和發(fā)展。

煤炭科學(xué)研究總院西安分院經(jīng)過近1a的努力，成功地研究了一套冷壓成型工藝，解決了燒結(jié)式PDC鉆頭批量生產(chǎn)時(shí)底模成型存在的問題，取得了較好的效果。

成型工藝這種新成型工藝是將選定的材料，用鋼模壓制成與PDC鉆頭唇面完全相同的陰模作為燒結(jié)鉆頭體用的底模。其特點(diǎn)是：工藝過程簡(jiǎn)單，易于操作;對(duì)設(shè)備沒有特殊要求，無需加熱設(shè)備;鋼模不需耐熱，可以反復(fù)使用;壓制的廢品能及時(shí)回收。該工藝的關(guān)鍵是底模材料的選擇，配比的確定以及壓制工藝流程。

材料的選擇

PDC鉆頭底模材料要求在高溫下對(duì)鉆頭胎體性能不產(chǎn)生任何影響;具有一定的強(qiáng)度，在承受一定的壓力時(shí)不產(chǎn)生變形或破壞;易于退模、清理。

石墨作為一種中間物，在高溫下具有優(yōu)良的綜合性能：與大部分熔融金屬不反應(yīng);在高溫狀態(tài)下不變形，且隨本身溫度的升高其導(dǎo)熱、強(qiáng)度還有明顯提高;耐熱沖擊性好，模具的幾何尺寸穩(wěn)定，易獲得較高精度形面制品;在燒結(jié)過程中產(chǎn)生CO氣體能形成保護(hù)氛圍，使得鉆頭胎體在高溫下處于還原環(huán)境中。鑒于石墨的這些優(yōu)良性能，選擇石墨粉作為制作底模的主要原材料，在此基礎(chǔ)上再增加一些輔助材料和粘結(jié)劑。

材料選方成型

底模必須在常溫和高溫(1200)下都具有一定的強(qiáng)度，以保證鉆頭體的精度;其次是具有足夠的表面光潔度，沒有裂紋，掉邊角等缺陷。根據(jù)這些要求，設(shè)計(jì)了7種底模成型配方，經(jīng)12MPa的壓力壓制、500550烘干、篩選試驗(yàn)，最終確定了底模材料配方。

1號(hào)和2號(hào)配方作為基礎(chǔ)配方，以確定石墨粉的粒度對(duì)底模強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，2號(hào)配方壓坯成形較好，棱角分明，具有一定的強(qiáng)度，可以進(jìn)行機(jī)械加工;1號(hào)配方壓坯疏松，不易成型，幾乎沒有強(qiáng)度。因此，選用2號(hào)配方作進(jìn)一步對(duì)比篩選試驗(yàn)的基礎(chǔ)配方。

為了配料方便，用固體粘結(jié)劑設(shè)計(jì)了3號(hào)和4號(hào)配方。試驗(yàn)結(jié)果表明，這兩種配方壓坯效果都不理想，坯體表面粗糙，邊角缺損現(xiàn)象嚴(yán)重，且強(qiáng)度不夠，機(jī)械加工性能差。

在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步優(yōu)選粘結(jié)劑的最佳配比，設(shè)計(jì)了5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)3種配方。試驗(yàn)結(jié)果顯示，5號(hào)配方壓制的坯體表面粗糙，有肉眼可見的空洞，棱角處有缺陷，感官疏松，強(qiáng)度稍低;6號(hào)配方，表面光滑、致密，棱角分明，無分層裂紋等缺陷，強(qiáng)度高，機(jī)械加工性能好;7號(hào)配方因粘模而導(dǎo)致退模困難，表面不平整，側(cè)面有裂紋甚至分層，因而未做進(jìn)一步烘干試驗(yàn)。

從上述試驗(yàn)可以看出，隨粘結(jié)劑所占比例的增大，成型模具表面光潔度提高，但過多的粘結(jié)劑易發(fā)生粘模，反而增加了廢品率。最終選定壓制底模的材料配方為6號(hào)配方。

成型壓力

在壓制過程中，為避免彈性后效應(yīng)適當(dāng)?shù)谋?為使壓坯密度均勻，性能穩(wěn)定，停壓后將模具轉(zhuǎn)動(dòng)180，再重復(fù)壓制。過高的壓制壓力，往往使壓坯發(fā)生分層和裂紋等現(xiàn)象。反之，過小的壓力使得壓制材料只發(fā)生彈性形變，各組分之間的粘結(jié)力低，壓坯反彈膨脹量大，影響壓坯的強(qiáng)度。為確定理想的壓制壓力，在其他工藝不變的條件下，采用6號(hào)配方，設(shè)計(jì)3個(gè)壓力范圍，分別壓制了3組壓坯，試驗(yàn)情況。

可知，壓力在912MPa范圍內(nèi)壓制出的壓坯能夠滿足要求。

結(jié)論

選用6號(hào)材料配方，成型壓力為912MPa的壓制工藝制作底模，保證了底模尺寸相同的每一個(gè)復(fù)合片支撐體的幾何形狀完全相同，一致性好，表面平整光滑，外觀整齊，精度完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求，工效可提高5倍以上，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，為復(fù)合片鉆頭的生產(chǎn)研制了一種可行的新工藝。