（机械制造及其自动化专业论文）聚晶金刚石复合片及其钻头的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着材料工业技术水平和p d c 钻头设计技术的发展，硬地层p d c 钻头技术 也在不断提高。而随着石油工业的发展，钻深探井的数量在逐年增加，钻井难 度也在逐步加大。深部地层可钻性差、钻井周期长、过高的钻井成本等问题日 显突出，这就对p d c 钻头的设计提出了更高的要求。 本文基于如何提高钻速，降低钻井成本，降低钻头使用数量等技术要求，对 聚晶金刚石复合片钻头的钻进过程进行了有限元仿真，研究了影响钻进过程的 几个主要因素，同时制定了聚晶金刚石复合片抗冲击性，抗研磨性和热稳定性 的性能测试方案，并采用a n s y s 软件对p d c 残余热应力的主要影响因素进行 分析。 通过考虑p d c 钻头切削角度、切削速度和钻进速度对钻进过程的影响，利 用l s d y n a3 d 对聚晶金刚石复合片钻头钻进岩层的过程进行了模拟，建立了 切削角度的变化与钻进效率之间的关系，研究了切削速度和钻进速度等钻进参 数对p d c 钻头钻进过程的影响；利用a n s y s 进行有限元分析，分析了影响p d c 残余热应力的几个影响因素；制定了p d c 抗冲击性，抗研磨性和热稳定性的性 能测试方案，并应用l s d y n a 软件对p d c 的抗冲击过程进行了数值模拟。在 较大冲击工况条件下，应适当降低冲击速度来提高p d c 的抗冲击性能；随着硬 质合金层厚度的增加，基体受到的应力会越分散，硬质合金层对冲击起到了缓 冲作用，同时金刚石层与硬质合金层界面附近的应力分布越趋均匀；硬质合金 层越薄，其底面越易受到集中应力的作用，会影响p d c 齿的焊接质量，从而影 响p d c 钻头的使用寿命。 关键词：p d c 钻头，切削齿，有限元分析，残余热应力，钻进 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em a t e r i a l si n d u s t r ya n dt h ep d cb i td e s i g n ，p d cb i t t e c h n o l o g yf o rh a r df o r m a t i o ni sa l s oi m p r o v i n g a st h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eo i l i n d u s t r yi nr e c e n ty e a r s ，t h en u m b e ro fd e e pe x p l o r a t o r yw e l l si n c r e a s e dy e a rb y y e a r , a n dt h ed r i l l i n gd i f f i c u l t ya r ei n c r e a s i n g v a r i o u sp r o b l e m s ，s u c ha st h ep o o r d r i l l a b i l i t yi nd e e ps t r a t u m ，l o n gd r i l l i n gc y c l ea n dt h eh i ：g l ld r i l l i n gc o s t sh a sb e c o m e e v e rm o r e b a s e do nr e q u i r e m e n t si m p r o v et h ep e n e t r a t i o nr a t e ，r e d u c ed r i l l i n gc o s t sa n d r e d u c et h en u m b e ro fb i t su s e di nc o n s t r u c t i o ns i t e ，t h i sp a p e rs i m u l a t e dt h ed r i l l i n g p r o c e s so fp d c b i t sb yt h eu s eo fl s - d y n a ，a n dw o r ko u tt h ep e r f o r m a n c et e s t i n g p r o g r a mf o ri m p a c tr e s i s t a n c e ，a b r a s i v er e s i s t a n c ea n dt h e r m a ls t a b i l i t y , a n ds i m u l a t e d t h er e s i d u l es t r e s so f p d cb yt h eu s eo f a n s y s w i t hr e s p e c tt ot h ee f f e c to ft h ec u t t i n ga n g l e s ，c u t t i n gs p e e da n dd r i l l i n gs p e e d o nt h ed r i l l i n gp r o c e s s ，t h i sp a p e rs i m u l a t e dt h ed r i l l i n gp r o c e s so fp d cb i t sb yt h eu s e o faw e l l - k n o w nf i n i t ee l e m e n tp a c k a g e ，l s d y n a b a s e do nt h er e s u l t so fa n a l y s i s ， t h er e l a t i o n s h i pc u r v eb e t w e e nt h ec h a n g eo fc u t t i n ga n g l ea n dt h ed r i l l i n ge f f i c i e n c y h a sb e e ne s t a b l i s h e d ，a n dt h ea u t h o ra l s oa n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ft h ed r i l l i n g p r o c e s s ，w h i c hr e s p o n d et ot h ec h a n g eo fc u t t i n ga n g l e sa n dc u t t i n gs p e e dr e s p e c t i v e l y a n dt h i sp a p e rn o to n l ya n a l y s i e dt h er e s i d u a lt h e r m a ls t r e s so fp d cb yt h eu s eo f a n s y sb u ta l s ow o r k e do u tt h ep e r f o r m a n c et e s t i n gp r o g r a mf o ri m p a c tr e s i s t a n c e ， a b r a s i v er e s i s t a n c ea n dt h e r m a ls t a b i l i t y , a n ds i m u l a t et h ei m p a c tp r o c e s so fp d cb y t h eu s eo fl s d y n a3 d t h ei m p a c ts p e e ds h o u l db er e d u c e da p p r o p r i a t e l yd u r i n g t h eg r e a ti m p a c tw o r k i n gc o n d i t i o n s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h et h i c k n e s so fc a r b i d e l a y e r s ，t h es t r e s so ft h eg l e b aw i l lb em o r ed i s p e r s e d ，a n dt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n b e t w e e nd i a m o n dl a y e ra n dc a r b i d el a y e rb e c o m em o r eu n i f o r m w i t ht h ed e c r e a s eo f t h et h i c k n e s so fc a r b i d el a y e r s ，s t r e s sc o n c e n t r a t i o ni sm o r ev u l n e r a b l eu n d e r s i d et h e g l e b at h e r e b ya f f e c tt h el i f eo fp d c b i t k e yw o r d s ：p d cb i t s ，c u t t i n gt o o t h ，f e a ，r e s i d u a ls t r e s s ，d r i l l i n g i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：翌缝 日期垂丛。纩 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 研究生躲监新躲诬趔幽日期卫k ，玎 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 第1 章绪论 1 1 1 课题的题目及来源 课题的题目：p d c 性能测试及钻头结构参数优化 1 1 2 课题研究的背景 聚晶金刚石复合片( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t ) ，简称p d c 。随着材 料工业技术水平和p d c 钻头设计技术的发展，硬地层p d c 钻头技术也随之出现 了较快的发展。随着石油勘探工业的发展及其相关技术水平的不断提高，加上 国内外钻探深探井的数量逐年增加，钻井难度也在逐步加大。可钻性比较差、 钻井周期比较长、钻井成本过高等问题突出体现在深部地层的钻进过程中。有 很大一部分深探井虽然只占全井井深的2 0 井段，但却消耗了相当于钻探全井 8 0 的钻井成本。因此，对于提高深探井钻探的钻井速度，成为降低全井钻进成 本的最关键的因素。目前世界上各个主要钻头企业已经开始给予硬地层p d c 钻 头技术的研发以高度重视，每年都投入大量新型钻头研发费用，并在近年来不 断推出新产品。 聚晶金刚石复合片是一种新型复合材料，目前主要广泛应用于地质勘探、 石油钻探等领域，并开始逐渐涉及到一些特殊材料的切削加工领域。聚晶金刚 石复合片是由两层材料( 聚晶金刚石层和硬质合金层) 在高温高压条件下( 1 3 0 0 1 5 0 0 ，6 g p a ) 下压制而成的，厚度较薄的是金刚石层，厚度一般在0 3 以 上：基底是钨钴类硬质合金材料。聚晶金刚石复合片性能优异，具有比硬质合 金更高的硬度和耐磨性，抗冲击性能也强于硬质合金。 由于聚晶金刚石复合片相对硬质合金层的优异性能，2 0 世纪8 0 年代以来， 国外就已经开始运用聚晶金刚石复合片钻头，最早是应用在油田开采、煤田钻 探等领域。聚晶金刚石复合片钻头的应用与传统的钢体式钻头相比，机械钻速 和钻头寿命都得到较大幅度提高，钻进成本以及钻孔周期也得到有效降低，经 武汉理工大学硕士学位论文 济效益非常显著。 2 0 世纪8 0 年代末，国内也开始引入和使用聚晶金刚石复合片钻头，目前国 产聚晶金刚石复合片钻头也广泛应用在地质、油田勘探等多个领域。随着聚晶 金刚石复合片生产工艺的不断改进以及各种新型钻头设计水平的大幅提升，聚 晶金刚石复合片钻头的应用越来越广，已经不再局限于地质、油田勘探等传统 领域，并且钻头能够适应的地层范围也越来越宽。 聚晶金刚石复合片特有的主要性能：( 1 ) 极高的硬度。聚晶金刚石复合片 的硬度为1 0 0 0 0 h v 左右，是世上人造材料中最硬的，其硬度比硬质合金及工程 陶瓷都要高很多，而且具有非常高的耐磨性；( 2 ) 较好的热稳定性。聚晶金刚 石复合片的热稳定性是衡量产品质量的一个非常重要指标；由于聚晶金刚石复 合片钻头工作环境( 井底环境) 的复杂，钻进过程中产在井底会产生大量的热 量，从而会影响钻头的性能。( 3 ) 较好的抗冲击韧性。聚晶金刚石复合片的抗 冲击韧性同时反映其韧性及粘结强度，是一个综合性能指标，在很大程度上决 定聚晶金刚石复合片钻头使用效果。抗冲击性能的好坏是直接影响钻头失效的 一个非常重要的原因。 尽管与其他材料相比，聚晶金刚石复合片具备用于钻探作业的优越各项性 能，但也存在一些缺陷。影响聚晶金刚石复合片质量好坏的主要指标以三个： 抗冲击性能，耐磨性能，热稳定性。另外，有相关研究表明，由于两层材料的 物理性能的差异，在复合片烧结过程中会产生残余热应力，而这个残余热应力 也是影响复合片钻头失效的重要原因。因此，有必要对以上提出的几个影响聚 晶金刚石复合片质量的因素进行系统的分析。 研发高性能的聚晶金刚石复合片，提高其各项性能指标，研究其残余热应 力的影响因素以及p d c 钻头的钻进过程，对提高钻头钻进速度，降低钻头钻进 成本，以及减小钻头使用数量方面具有重要的实用意义。 在实验室采用国产六面顶人造金刚石液压机，制备得到各种不同配方，不 同压制工艺的聚晶金刚石复合片，利用自行研制成功的抗冲击实验机，制定新 的耐磨性测试方法以及热稳定性测试方案测试不同工艺下的p d c 的各项性能， 从而指导高性能p d c 的合成。为更深入地了解p d c 失效原因，对影响p d c 残 余热应力的影响因素进行了深入的分析；为进一步了解p d c 钻头的钻进过程， 对p d c 钻头钻进岩层的过程进行了数值模拟，对于提高钻速，降低钻井成本具 有重要意义。由于关于p d c 的性能测试的方案目前国内外还没有统一的标准， 2 武汉理工大学硕士学位论文 因此相关研究有望为提供性能测试的行业标准做出贡献。 1 1 3 聚晶金刚石复合片国内外研究现状 影响聚晶金刚石复合片结构及性能的因素有很多，归纳起来大致有以下几 种因素： ( 1 ) 金刚石粉对聚晶金刚石复合片性能的影响：金刚石粉料是制备p d c 的 几种主要原材料之一，原材料性质的好坏直接影响复合片的性能。林峰等【1 】通 过对比实验发现，使用高品质金刚石粉确实能够提高聚晶金刚石的耐磨性能。 金刚石在烧结过程中的热动力主要来自于表面自由能的减小，比较容易出现晶 粒长大，金刚石粉粒并越小发即原始晶粒越细，则晶粒长大会越严重，而通过 在金刚石粉料中掺入w c 粉或f e 、t i 则能够有效抑制这种现象【2 3 1 。 ( 2 ) 硬质合金层对聚晶金刚石复合片性能的影响：使用高质量的硬质合金 基底无疑能够提高整个聚晶金刚石复合片的性能。硬质合金的基底的硬度越高， 越能够降低复合材料界面间产生的残余热应力，而且在钻进应用中会更耐冲击 和磨损，同时也能够有效防护聚晶金刚石层边缘由于失去支撑而导致的破碎现 象的发生。但对于聚晶金刚石复合片而言，较高的硬度和较好的抗冲击韧性之 间往往是相互矛盾的，过高的硬度会增大硬质合金的脆性。为了改善这一现象， p e n n i n g t o n 等人发明了一项专利，研发出一种掺含b 物质烧结而成的硬质合金【4 】。 ( 3 ) 催化剂c o 对聚晶金刚石复合片性能的影响：聚晶金刚石层中的催化 剂钻的来源有两种，一种是从硬质合金基底中扩散得到的，而另一种则是最初 放到金刚石粉料中的。若不添加催化剂，金刚石粉料就不容易形成直接键合【5 】。 美国g e 公司的b o v e n k e r k t 6 】等人通过研究，发明了热稳定金刚石聚晶( t s p ) ，并 得出如下结论：金刚石粉和c o 粉如果越纯净1 7 1 ，c o 对于金刚石料的润湿性就会 越好，从而在生产复合片的过程需要c o 含量也就越少。在复合片的烧结过程中， 硬质合金基底中的c o 向金刚石层迁移f 8 】，这种现象是导致两层材料界面硬质合 金抗冲击性能较差的主要原因。 ( 4 ) 界面结构对聚晶金刚石复合片性能的影响：目前，地质勘探用聚晶 金刚石复合片的界面结构越来越丰富，已经由简单的平面界面发展为曲面界面。 而在两层材料结合面曲面化之后引发了一些新的问题：硬质合金沟槽导致压力 传递不均：沟槽导致合金基体强度减弱等问题。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 残余热应力对聚晶金刚石复合片性能的影响：目前，金刚石层的厚 度对残余热应力的影响已经开始被关注。同时，研究影响聚晶金刚石复合片残 余热应力其它的因素也具有重要的实际意义。 国内外很多学者采用有限元分析和实验测试相结合的方法来研究聚晶金刚 石复合片的残余热应力。t z e p i n l i n 等人【9 】通过数值模拟以及进行实验测试发现， 聚晶金刚石复合片的残余热应力与直径是没有关系的；而硬质合金层和金刚石 层两层材料的厚度对聚晶金刚石复合片的残余热应力有较大影响。 j w p a g g e t t f l o ，1 1 】等人通过中子衍射法测定了聚晶金刚石复合片残余热应力和应力 梯度。d m i e s s 和c t r a i t n l 用拉曼光谱测试方法测试了聚品金刚石复合片在加热 前后金刚石层的压应力情况。 在聚晶金刚石复合片性能测试方面，国内外主要对抗冲击性、耐磨性以及 热稳定性进行了相关研究。 ( 1 ) 抗冲击性能测试 目前，世界上对于聚晶金刚石复合片抗冲击性能测试方法仍存在较大争议， 还没有制定一个统一的测试方案和通用标准，各个企业自行制备了适合自身的 测试方案。美国g e 公司采用高速运动颗粒冲蚀法测试聚晶金刚石复合片的抗冲 击性能。英国d e b e e r s 公司则采用车削带槽花岗岩棒转撞击法进行测试；国内张 祖培等人通过研究，研制成功的d f z y 型单晶及复合片冲击破碎能测定仪得 到了一定程度的应用 1 3 】。 ( 2 ) 耐磨性测试 磨耗比是用来衡量聚晶金刚石复合片耐磨性的重要指标，但到目前为止国 内外并没有统一的测试标准，几个主要聚晶金刚石复合片生产单位均有自己的 测试方法【1 4 1 。 美国g e 公司用聚晶金刚石复合片来车削均匀的花岗岩棒，控制一定的切削 速度、切深和进给量。车削过程中聚晶金刚石复合片的受力采用测力计进行测 量。通过采用投影显微镜来测量聚晶金刚石复合片被磨损部位的尺寸，可以计 算出其磨损体积。英国d e b e e r s 公司测试耐磨性的方法与美国g e 公司相似。 目前，x r d 、r a m a n 光谱法及s e m 等方法也开始应用到聚晶金刚石复合片 综合性能测试上来。但这种方法还没有得到普遍应用。 ( 3 ) 热稳定性测试 英国d e b e e r s 公司将聚晶金刚石复合片用马弗炉加热，然后又将它放在还原 4 武汉理工大学硕士学位论文 炉加热到某一设定温度，最后测定加热后复合片的耐磨性、抗冲击等综合性能， 并与加热前的综合性能进行比较分析。该公司还采用热重一差热分析仪，运用高 温显微镜等设备来测定其初始氧化温度，从而评价氧化度以及耐热性。 美国g e 公司是扫描电镜对加热后的聚晶金刚石复合片进行断口分析及车 削试验，来测试复合片的综合性能。国内目前普遍采用差热热重法【1 5 】进行热稳 定性测试。 1 2 残余热应力 残余应力是材料由于外力变化、温度变化、相变变化引起的存在于材料内 部保持平衡的一种内应力。影响残余应力的因素很多，而热作用的影响是一个 非常重要的方面。材料及其制品在加热、冷却过程中产生残余热应力的原因在 于：高温条件下材料的屈服强度较低，材料容易发生塑性变形；而在加热冷却 或者在冷却加热过程中，由于材料各部分的热传导状态不同，各部分会有一定 的温度差，加上材料及其制品各部分的弹性模量、导热系数、热膨胀系数的差 异，最终在材料内部产生种内应力，即残余热应力。 1 3 有限元数值模拟技术 有限单元法( f e m ) 的基本思想就是把具有无限自由度的连续体，近似地 等效为只有有限自由度的离散系统，使问题转化为适合于数值求解的数学问题。 该方法将求解域看成各个小的相互连接的子域组成，而对每个微小的单元提供 一个假定的近似解，然后通过推导来求解问题所需要满足的条件，从而得到一 个复杂工程问题的解。 通过有限元数值模拟计算得到的只是一种近似实际工程问题的有效解法， 该方法并不能提供准确解。但由于这种方法具有较高的计算精度，能够适应各 种复杂的工况条件，从而成为目前世界上工程应用分析一种非常有效的研究手 段。 目前国内外常用的有限元分析软件主要有：( 1 ) l s - d y n a ：l s t c 公司推 出的主要用于求解各种三维非线性结构的高速碰撞、爆炸和金属成型等，包括 接触非线性、冲击载荷非线性以及材料非线性等问题的显式非线性动力分析程 武汉理工大学硕士学位论文 序；( 2 ) m s c d y t r a n ：m s c 公司研发推出的主要应用于模拟侵彻与爆炸领域 的通用分析软件；( 3 ) a d i n a ：a d i n ar & d ，i n c 研发的用于流体流动的多物 理场耦合分析程序；( 4 ) 主要用于航空航天领域的m s cn a s t r a n ；( 5 ) 具有 强大非线性计算功能的a b a q u s ：( 6 ) 多物理场耦合功能强大的通用有限元软 件a n s y s 等。 1 4 本课题的主要研究内容 鉴于以上分析，本文主要研究内容如下： ( 1 ) 锘l j 定p d c 抗冲击性( 实验加模拟) ，抗研磨性和热稳定性的性能测试方 案，以实验指导和检验高性能p d c 的研发； ( 2 ) 采用a n s y s 软件对p d c 残余热应力的主要影响因素进行了比较分析； ( 3 ) 采用l s d y n a3 d 对p d c 钻头钻进岩层的过程进行了仿真，分析了影响 钻进过程的几个主要因素的作用； 6 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章聚晶金刚石复合片的性能研究 在聚晶金刚石复合片新产品开发中，其性能测试是极为重要的环节，同时也 是保证新产品质量和性能的关键。聚晶金刚石复合片的主要物理性能技术指标 主要包括：抗冲击性、耐磨性以及热稳定性能。目前，在超硬材料工具领域， 国内外对于磨耗比以及热稳定性能测试都已经有了相对常规的测试方案，而对 于抗冲击性能的测试方法上仍未达成统一的测试方案和评定标准。因此，致力 于制定一套完整的切实可行的，值得推广并普遍适用的金刚石复合片综合性能 测试方案，具有非常重要的实用意义。 2 1 聚晶金刚石复合片的应用 聚晶金刚石复合片作为一种新型的复合材料，以及其自身独特的优点，越 来越受到广泛的关注。目前金刚石复合片应用主要在以下几个方面： ( 1 ) 金刚石复合片钻头的应用 目前，聚晶金刚石复合片钻头已经广泛应用于地质勘探、石油勘探等重在 工程领域。聚晶金刚石复合片钻头为提高我国的石油钻进技术发挥了极其重要 的作用。 ( 2 ) 切削刀具 提高效率、降低成本对于新型切削工具的设计具有重要的实用意义。随着 国内外新材料技术的不断发展和成熟，各种新型的高效刀具开始不断地推向市 场。聚晶金刚石复合片刀具作为一种新型的超硬材料刀具，以其无可比拟的硬 度和耐磨性能，获得了广泛的应用。 ( 3 ) 拉丝模 由于硬度高、耐磨性能好，天然金刚石拉丝模得到了广泛的应用。便由于 天然金刚石拉丝模的脆性大，且价格非常昂贵，给模具制造加工带来很大的困 难。而聚晶金刚石复合片拉丝模以其优异的各项性能，大大缓解了这几类问题， 目前已开始取代或部分代替天然金刚石拉丝模。 ( 4 ) 耐磨器件 7 武汉理工大学硕士学位论文 聚晶金刚石复合片对钢的摩擦系数和天然金刚石非常相近因此聚晶金刚 石复合片在零件制造特别是耐磨器件方面得现了广泛应用已经基本取代硬质合 盒和天然金刚石。 2 2 聚晶金刚石复合片的制备 聚晶金剐石复台片由两层材料组成，即硬质合金基底和金刚石微粉两部分。 它是两层材料在高温高压条件( 1 3 0 0 1 5 0 0 ，6 g p a ) 下烧结而成的：复合片的 烧结温度一般在1 3 0 0 ( ? 1 5 0 0 “c 范围内，钴碳液相共晶温度为1 3 2 0 。用于压 制聚晶金刚石复合片的主要设备是六面顶液压机和二面顶液压机，国内主要用 六面顶液压机，而国外则普遍采用二面顶液压机压制聚晶金刚石复合片。实验 室所用六面顶液压机如图2 - 1 所示： 削2 - 1 六面城液雕机 2 3 聚晶金刚石复合片性能测试研究 聚晶金刚石复合片钻头的出现相对传统的钢体式钻头而占，大大提高的钻 进效率，然而，由于材料性能的局限性，聚晶金刚石复台片钻头的性能还有待 大幅提高。由于聚晶金刚石复合作为钻头钻进过程中的切削齿材料，提高聚晶 金剐石复合片钻头的质量的最为关键的部分就是如何提高聚晶金刚石复台片的 质量。有研究和实验表明，有三个技术指标直接影响到聚晶金刚石复合片性能 好坏，分别为：抗冲击韧性、耐磨性和热稳定性。因此，如何制定这三种性能 的有效的测试方案，以及制定有效的技术指标，对于研发高性能的聚晶金刚石 复合片具有极其重要的作用。 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 1 抗冲击测试 聚晶金刚石复合片抗冲击性能是一项非常重要的技术指标，国内外非常重 视其测试和评定。然而到目前为止，聚晶金刚石复合片抗冲击性能的检测标准 还没有统。目前，各个企业自行制备了适合自身的测试方案，很多方案主要 是针对自身企业的产品定位的需求，应用范围比较狭窄，并不利于普遍推广应 用。 ( 1 ) 高速运动颗粒冲蚀法 美国g e 公司采用这种方法来测定其相关制品的抗冲击性能。这种测试方 法对测试系统设备要求较高，不易推广应用。 ( 2 ) 车削带槽花岗岩棒旋转撞击法 英国d eb e e r s 公司在某种特定材料的圆形工件上每隔1 8 0 。开一个v 形槽， 以一定的切削速度和进给量进行测试，并以该制品失效时经过v 形槽的次数作 为指标，来衡量制品的抗冲击性能和粘结质量【1 8 】。这种测试方法是一种抗疲劳冲 击测试方案，较好地反映制品的实际工况。但该方法测试结果的置信度不够理 想。 ( 3 ) 重砣冲击法 重砣冲击法以制品失效时冲击球的冲击次数来衡量聚晶金刚石复合片的抗 冲击性能 t g l 。该方法能够测出在一定的条件下，导致制品完全破碎时完成的冲 击次数。但聚晶金刚石复合片工具在实际工作中往往受到的是剪切力失效而并 不是发生整体破坏，与实际工况并不相符。因此此种测试方法还不能较真实地 反映聚晶金刚石复合片的实际受力状态。 ( 4 ) 可变换冲击功落球式冲击法 这种测试方法是赵尔信等人 2 0 】研究出来的，测试误差小于5 ，目前在国内 得到了一定程度的应用。但这种方法工作量较大，操作较繁琐。 因此，目前各种抗冲击性能测试方法都有其本身的局限性，仍需进步研 究出一种更有效、更方便、更快捷性能测试方法。针对以上问题，专门研制出 一台新型聚晶金刚石复合片抗冲击性能测试仪，并制定了相关的实验测试方案。 此测试仪是一种可变换冲击功摆锤式自动冲击测试仪，适用于测定各种聚 晶金刚石复合片的抗冲击性能。测试仪可实现摆锤的自动冲击、暂停冲击及终 止冲击等动作，可自动记录冲击次数。该仪器的主要参数为：单次冲击功：0 - , - 1 4 7 j ； 9 武汉理工大学硕士学位论文 冲击频率：6 次m i r a 可测试复合片范围：( 8 - 2 6 ) x ( 3 5 - - 2 0 ) ( r a m ) 。 本测试仪是基于吴忠材料试验机厂生产的j b 3 0 a 冲击试验机改造而成的。 在原有机器基础上作了如下改动：( 1 ) 改变试验机电气控制回路，使摆臂实现 冲击一取摆一扬臂一冲击的自动循环；( 2 ) 重新设计底座以及冲击锤头，采用 硬质合金球冲击复合片；一( 3 ) 设计可调的限位开关位置，可以改变摆臂下放的 位置，从而调节单次冲击功的大小；( 4 ) 采用位移传感器以及计数器自动记录 冲击的次数。 本测试仪的实验原理是利用j b 3 0 4 冲击试验机自带的电机传动蜗轮蜗杆机 构的方法来实现扬臂的过程；通过电磁铁的的通断还实现摆臂的下放过程，实 现对聚晶金刚石复合片的冲击；通过特定的时间继电器控制电磁铁的通断以实 现电动机的正反转，以实现摆臂的自动上扬。就这样实现冲击一取摆一扬臂一 冲击的自动循环过程。整个过程由一个手控盒控制。 新研制成功的金刚石复合片测试仪较好的弥补了以上几种测试方法的不 足，是一种值得在金刚石复合片测试进行广泛推广的测试方案。 2 3 2 耐磨性能测试 耐磨性是聚晶金刚石复合片的一个重要的性能参数指标。目前国内外仍没 有制定统一的相关测试标准。国内公司大多采用质量磨耗比来衡量聚晶金刚石 复合片的耐磨性。本文通过相关研究，提出一了种新的衡量耐磨性的方法，即 用体积磨耗比来代替传统的质量磨耗比。所谓体积磨耗比，就是在复合片性能 试验过程中磨耗比砂轮消耗的体积与聚晶金刚石复合片消耗的体积的比值。 体积磨耗比测试原理：假设聚晶金刚石复合片是一个标准圆柱体，在进行 性能试验后，聚晶金刚石层边缘消耗掉了一块类似倒角的体积，而这块消耗掉 聚晶金刚石层的体积可以通过计算得到。 一般情况下，聚晶金刚石复合片在进行磨耗比试验前都会先倒个角，倒角 后聚晶金刚石层的体积磨耗模型如图2 2 所示： l o 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 聚晶金刚石层的体积磨耗模型 磨耗比试验中有倒角的聚晶金刚石复合片的磨耗体积包括两部分，即金刚 石层倒角部分磨耗的体积v a 以及倒角以下圆柱部分的磨耗体积v b ，而金刚石 层倒角部分磨耗的体积v a 等于试验完毕后样品边缘长度对应圆心角的部分圆台 体积v a l 与这一角度对应的三棱锥体积v a 2 之差。相关几何关系如下： 圪l = ( r 3 一r 3 ) a r c s i n ( l 1 2 r ) ( 1 ) 圪2 = 石1 ( 尺4 r 2 一三2 ) 一，4 ，2 一r 1 ) ( 2 ) 圪= 圪。一圪：= 昙( r 3 一，3 ) a r c s i n ( 1 2 ，) l ( r 4 4 r - l 2 ) 一，万f j i ) ( 3 ) 上式中，l 1 为试验完毕后样品边缘长度，r 为假想圆台小径，r 下面圆柱体 半径，l 2 试验完毕后未倒角部分的磨耗边长度。 y 6 = r 2 l 2 2 一l 2 3 2 4 - - r 2 尺2 一兰之! 掣 ( 4 ) 且：l 2 = 2 飓2 r ( 5 ) 综上所述，聚晶金刚石复合片试样的磨耗体积为： y ：圪+ y 产丢( r 3 一r 3 ) a r c s i n ( l , 协) 一去( r 而) 一，| 而) + r 2 三2 2 一l 2 3 2 4 一r 2 r 2 一兰尘量学 ( 6 ) 磨耗比试验中磨耗砂轮的体积也可以计算得到，假设为v 1 。根据体积磨耗 比的定义，该样品的磨耗比性能指标e 为： e = v v 1( 7 ) 2 3 3 热稳定性测试 聚晶金刚石复合片的热稳定性是指在大气环境下将样品加热到一定的温度 后进行冷却，得到复合片的宏观力学性能变化以及温度对复合片相关技术指标 武汉理工大学硕士学位论文 的影响程度。 本文采用差热一热重法【2 1 1 进行热稳定性测试，其中包括热冲击性和热耐磨 性能的测试。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章p d c 残余热应力影响因素分析 残余热应力是影响聚晶金刚石复合片使用性能的一项重要影响因素。有研 究表明，p d c 热残余应力是造成p d c 钻头非正常失效的主要因素。而残余热应 力主要是由于材料物理性能参数( 如弹性模量，热膨胀系数等) 存在较大差异 而产生的。 为指导p d c 制品的合成工艺，研发高性能的p d c ，本章将通过从理论的角 度分析p d c 残余热应力产生的原因，据此建立p d c 的有限元模型，应用a n s y s 软件进行模拟计算，对影响p d c 残余热应力的多个因素进行分析。 3 1 有限单元法的工作原理 3 1 1 有限单元法分析问题的步骤 1 ) 结构离散化 有限元法是一种离散化的数值计算方法。离散的单元与单元之间是通过节 点相联系的，计算是通过节点的形式对所有的变量( 位移、应力，压力等) 进 行模拟的。因此，对于每个单元，如何选取合适的插值函数，使得该函数子域 与外界分界面( 外部边界) 上满足一定的条件。然后把模型中所有单元的相关 方程进行组装，从而得到整个模型的方程组。通过程序求解这一方程组，便能 够得出系统的近似实际工况的解。 2 ) 选择插值函数 连续体在通过结构离散化以后，就被分割成各个微小的单元，而这些微小 的单元之间是通过过节点相连接的。通过合适的位移插值函数来构造单元的位 移分布。位移插值函数能够将单元的变形限制成某一特定的模式。结构的离散 以及选择合适的位移插值函数在有限元模拟中非常关键。位移插值函数在单元 内应该是连续的，它在单元的边界上要能够由节点函数值惟一的确定。 3 ) 建立控制方程 将一个连续结构体离散化，在选定合适的位移插值函数后，要根据几何方 程、物理方程、虚功原理等手段建立起控制方程。 武汉理工大学硕士学位论文 4 ) 求解节点变量 将建立的控制方程组代入边界条件后，求得所有节点的未知量。 5 ) 计算单元中的其他导出量。 3 1 2a n s y s 介绍 a n s y s 是目前国内应用最为普遍的有限元分析软件之一，它是融结构、热、 流体等多个学科于一体的多热物理场耦合的通用有限元分析软件，广泛应用于 核工业、铁道、航空航天、机械等工程应用和科学研究中。 3 2p d c 残余应力有限元分析前处理 残余热应力是影响聚晶金刚石复合片钻头失效的一个关键因素，因些分析 聚晶金刚石复合片的残余热应力至关重要。本文考虑聚晶金刚石层与硬质合金 层厚度比以及p d c 压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力 的影响，在a n s y s 中建立p d c 的模型，运用热结耦合法分析p d c 的残余热 应力。利用a n s y s 进行热应力分析的流程如图3 1 所示。 l 掣令旧巡 1 建立、加载、 1 i 协 1 求解热模型5 a 将热模型转换s b 写节点文件并 上 力结构模型存储结敝件 z 后处理确定要传 土 上 到结构上的温度 乳读入捺漠型并进 l 5 h 牍入热载荷 行温度插值 结柬 上 1 l jl 3 。改变工作文件 宁一 5 d 读入结构模型 1 名井删除热载荷 并读入俸载荷文件9 ，后处理 上上f 4 定义结构材料 6 指定分析类型。7 指定参考温度并 i | 特睦 分析选项和载荷步施加其它结构载荷 - i8 存储并求解i 图3 - 1 热应力分析的流程 在研究p d c 压制过程中烧结温度的波动对聚晶金刚石复合片残余热应力的 影响时，考虑复合片的烧结温度范围一般在1 3 0 0 - - 1 5 0 0 。c 范围内，钴碳液相 共晶温度为1 3 2 0 ，故在考虑烧结温度的影响时烧结温度在l o o o 1 5 0 0 之 间选择。 j 4 武汉理工大学硕十学位论文 3 21 几何模型的建立 在考虑聚晶金刚石层与硬质台金层厚度比对聚晶金刚石复合片残余热应力 的影响时，让两层材料厚度比由00 6 7 增加到o3 3 3 ，即保持p d c 总高度不变， 通过改变p c d 层的厚度来改变p c d 层与硬质合金层的厚度比。分析中选择常用 的i3 m m 8 m r n 平面界面聚晶金刚石复合片，选择p c d 层厚度在05 m m 到 20 r a m 范围内的1 6 种p d c 进行数值计算，分析不同厚度比条件下的p d c 的残 余应力。 在考虑p d c 压制过程中烧结温度的波动对聚晶金月0 石复合片残余热应力的 影响时，由于复合片的烧结温度范围一般在1 3 0 0 c 1 5 0 0 c 范围内，链碳液相共 晶温度为1 3 2 0 c ，所以在模拟计算过程中对1 0 0 0 c 1 5 0 0 c 范围内的1 1 种烧结 温度条件下的p d c 进行了数值模拟。 考虑p d c 的轴对称特性，只须建立四分一之三维有限元模型就可表征其所 有计算结果。p d c 的组成结构及其三维有限元模型如图3 - 2 所示。 3 2 2 材料模型 。 隧 图3 4p d c 的组成及其三维有限元模型 模拟过程中，聚晶盒冈4 石层和硬质合金层均使用各向同性线弹性材料，假设 高温时p d c 材料性能的变化忽略不计( 处于无应力状态) ，且两层材料间的结合 界面昆好，假定温度的变化对材料物理性能参数无影响，且材料各向同性。聚 晶金刚石层和硬质合金层均采用e l a s t i c 本构模型材料参数”】见表3 1 。 表3 0 1 金刚年i 层和硬质台金层材料物理力学参数 材料密度( k g 3 ) 导鼎秉敷( 2 0 。c ) 比热( 2 0 。c ) * 幕缸口( 2 0 。c ) 弹性模量 泊松比 咿( ma c ) 。】 ( 姆o c l 。1 n 1 酽k 。) ( g v a ) y g l 5 1 5 0 0 01 0 02 3 05 2 5 7 9 02 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 3 网格划分 网格的合理划分是建立有限元模型过程的一个非常重要的环节，选择的网 格类型以及网格的大小都会直接影响模型的计算精度和计算时间。合理网格划 分除了需要结合模型的外形选定合适的网格划分外，还需对网格划分方式、网 格划分密度、网格划分的单元形状等多项因素进行合理的选择f 2 3 】。划分网格时应 考虑的一些因素有： ( 1 ) 对于平面模型网格划分，可选择三角形网格和四边形网格；对于三维 模型网格划分，可选择四面体网格和六面体网格划分。但必须考虑到所选择的 网格形状是否与所定义的单元类型相匹配，以及所定义的单元类型是否能够支 持反选定的网格形状； ( 2 ) 为减小计算规模以及更好地反映数据，可根据实际情况，在不同的部 位选择不同的网格密度； ( 3 ) 需要说明的是，网格的划分往往不是一次就能够完全达到要求的，划 分的网格并非一次就能达到要求，一般都需要进行很多次的调整和修改，最后 得到理想的网格划分结果；在网格划分过程中，通常要进行检查网格、清除网 格、细化网格以及修改几何模型和对新的模型重新进行网格划分等操作。 ( 4 ) 当要重要关注结构的某一关键部位，且实际结构模型形状不规则时， 应当确保高质量网格划分； ( 5 ) 当结构模型的形状对称时，就划分对称网格，使模型也能够表现出相 对应的对称特性。 p d c 残余热应力分析有限元模型比较简单，只有聚晶金刚石层和硬质合金 层两个体，两层材料都简化为长方形，并粘结在一起。 用间接法进行p d c 残余热应力分析过程中，采用a n s y s 中的三维实体单 元s o l i d 7 0 分别对金刚石、硬质合金进行网格划分。s o l i d 7 0 是三维实体热单 元，有8 个节点，每个节点只有1 个自由度，即温度自由度，该单元适用于三 维稳态、瞬态热分析。s o l i d 7 0 单元几何特征见图3 。3 。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 嚼妥。 k 罩孽协曲量d r a io d 峙翻 码棚 晴do p l i 图3 - 3s o l i d 7 0 单元几何特征 在热分析完成后进行结构分析时，将用于热分析的s o l i d 7 0 单元切换为与 之对应的用于结构分析的s o l i d l 8 5 单元。s o l i d l 8 5 是三维实体单元，有8 个 节点，每个节点只有3 个自由度，即u x ，u y 三个位移自由度。这种单元具有弹 性、超弹性、应力刚度、蠕变、大变形、大应变能力；在模拟几乎不可压缩的 弹塑性材料和完全不可压缩的超弹性材料的变形时具有混合表示能力。 s o l i d l8 5 的单元几何特征见图3 4 。 o 。p k t 图3 - 4s o l i d l8 5 的单元几何特征 采用映射网格划分有限元网格，其中硬质合金层靠近界面部分网格较密， 远离界面部分网格相对稀疏。p d c 模型有限元网格见3 5 。 1 7 上 长岛 武汉理丁太学硕士学位论文 幽3 5p d c 模型有限元网格划分 32 4 边界条件和载荷设置 边界条件设置其实主要是对模型的力和位移进行相应的约束。在利用热一结 耦合应力分析法进行热应力分析过程中，为真实模拟p d c 在由烧结温度冷却到 室温的过程中产生的残余热应力，由于冷却时间较长，可以仅对其进行稳忐温 度场分析。金刚石层和硬质合金层的材料物理特性有所不同，特别是热膨胀系 数差异较大，是使其产生热残余应力的主要原因。在分析过程中主要涉及到如 下传热问题：金刚石层和硬质台金层之间的热传导，空气与两种材料之间的热 对流。计算过程中，除了设置模型的轴对称边界条件队外，对其它节点不加任 何的约束。 有限元分析中载荷设置包括边界条件设置和内外环境对物体的作用的设 置，其中包括位移自由度、集中载荷、面载荷、体载荷和惯性载荷等刚。a n s y s 热分析的边界条件或初始条件大致有以下几种：温度、热流率、热流密度、对 流、辐射、绝热、生热。在进行p d c 温度场分析过程中，设定1 0 0 0 c 为p d c 应力松弛温度【7 3 , 在这一温度以上p d c 的残余热应力可忽略不计，室温为2 0 。 在p d c 的外表面施加与空气的热对流边界条件井在对称面设置