基于UG的渦輪鉆具葉輪整體加工研究

張曉東，楊 韜

（西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500）

基于UG的渦輪鉆具葉輪整體加工研究

張曉東，楊 韜

（西南石油大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，成都 610500）

0 引言

以渦輪鉆具和螺桿鉆具為主體的井下動(dòng)力鉆具在20世紀(jì)80年代被譽(yù)為石油工程進(jìn)步的三大技術(shù)之一[1]。渦輪鉆具與轉(zhuǎn)盤鉆井相比，提高機(jī)械鉆速3～5倍，節(jié)約鉆井成本20%～30%。近年來渦輪鉆具被廣泛應(yīng)用于直井、定向井、叢式井、側(cè)鉆井等鉆井作業(yè)方面，鉆井主要技術(shù)指標(biāo)都得到提高[2]。

葉輪是渦輪鉆具的核心部件之一，它包括定子葉輪和轉(zhuǎn)子葉輪兩部分。目前葉輪生產(chǎn)主要采用精密鑄造或者線切割，前者在加工時(shí)容易發(fā)生收縮變形，且需要開模，小批量生產(chǎn)時(shí)成本較高，不能滿足高校或科研機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)需求；后者工藝復(fù)雜，產(chǎn)品精度低，難以保證葉輪的剛度及強(qiáng)度。

隨著數(shù)控技術(shù)與多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，使用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床能克服上述弊端，在進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)小批量生產(chǎn)時(shí)，可以有效降低成本，提高加工精度。

本文將基于UG軟件進(jìn)行渦輪鉆具葉輪建模、編程、加工仿真，并利用多軸聯(lián)動(dòng)加工中心完成葉輪的整體加工，最后使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行測(cè)量，使用UG軟件的分析模塊進(jìn)行誤差分析。

1 葉輪三維模型創(chuàng)建

1.1 葉片數(shù)據(jù)獲得

與多數(shù)透平機(jī)械葉片數(shù)據(jù)獲取方法相似，渦輪鉆具葉輪葉片數(shù)據(jù)的獲取方法主要有兩種：逆向工程和理論計(jì)算[3]。逆向工程是通過測(cè)量原型的幾何尺寸（三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、激光跟蹤儀等）轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)文件，導(dǎo)入設(shè)計(jì)軟件轉(zhuǎn)化成模型的技術(shù)；理論計(jì)算是根據(jù)流體力學(xué)計(jì)算出的葉型數(shù)據(jù)。本文主要采取的數(shù)據(jù)獲取方法是理論計(jì)算，通過流體仿真、優(yōu)化后得到葉型的五次多項(xiàng)式參數(shù)方程，并利用該方程進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建。

1.2 葉片數(shù)據(jù)導(dǎo)入

現(xiàn)通過理論計(jì)算，得到某種葉片的壓力面以及吸力面的參數(shù)方程為：壓力面方程：吸力面方程：

圖1 葉片參數(shù)

通過UG軟件中的曲線導(dǎo)入命令，將參數(shù)方程輸入后，得到兩條樣條曲線，并且在草圖界面中繪制葉片的前緣以及后緣，使得四條曲線封閉。

1.3 三維實(shí)體造型

渦輪鉆具葉輪一般由基體、葉片、外環(huán)三部分組成。在進(jìn)行葉輪整體加工時(shí)，由于葉輪整體尺寸較小，必須考慮刀具的加工位置，如果葉輪帶有外環(huán)，過小的葉間空隙使得刀具無法進(jìn)行正常的曲面加工，因此在三維造型時(shí)必須將傳統(tǒng)葉輪的外環(huán)刪去。

根據(jù)渦輪鉆具的井下工況以及尺寸限制，葉片一般采用非彎扭直葉片。葉片任意徑向截面都為相同的壓力面與吸力面曲線，所以對(duì)導(dǎo)入U(xiǎn)G的封閉曲線進(jìn)行拉伸后即得單個(gè)葉片實(shí)體，然后對(duì)基體進(jìn)行繪制，最后通過圓周陣列命令獲得葉輪整體的三維模型（如圖2所示）。

圖2 葉片實(shí)體模型

2 數(shù)控程序編譯及加工

2.1 加工工藝分析

渦輪鉆具葉輪整體加工的難點(diǎn)在于葉輪整體直徑，單個(gè)葉片尺寸小、葉距短，可以承受的切削力較小，干涉、碰刀等問題發(fā)生概率大等。加工葉輪外徑為φ240，周向平均分布葉片31支，葉距小于15mm，流道面狹窄，加工難度較大。

針對(duì)以上問題，本文將采用側(cè)銑法進(jìn)行加工，即使用直徑較小的圓柱銑刀側(cè)刃銑削葉片曲面[4]，以改善葉片的表面質(zhì)量，并防止在加工過程中產(chǎn)生碰撞、干涉等情況的發(fā)生。由于葉輪流道過窄，刀頭無法垂直于葉背面及葉盆面，因此只能采用圓柱形銑刀，按照葉片橫截面形狀走刀，完成葉片葉型加工。

2.2 加工程序編譯

1）UG/CAM參數(shù)設(shè)置

針對(duì)渦輪鉆具葉輪為直葉片的特點(diǎn)，通過對(duì)比后各選用“平面銑”加工命令，該命令的特點(diǎn)是進(jìn)給路線短，能極大地減少重復(fù)進(jìn)給的搭接量，快速去除零件的毛坯余量。加工試驗(yàn)所使用的材料為鋁合金，刀具使用多支φ5mm高速鋼面銑刀。

加工時(shí)首先對(duì)兩支葉片間的流道面進(jìn)行去除，然后對(duì)單支葉片進(jìn)行加工。加工壓力面和吸力面采用粗、精兩道加工，以保證加工精度，提高加工質(zhì)量。完成以上設(shè)置后生成單個(gè)葉片的加工刀軌（如圖3所示）。

圖3 葉片表面粗加工刀軌

2）流道底面加工

流道底面是一個(gè)不規(guī)則曲面，需要對(duì)該表面進(jìn)行單獨(dú)加工，否則會(huì)導(dǎo)致該面表面粗糙度較低，影響葉片的水力性能。

在編程時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮由兩支葉片間間距離小可能帶來的隱患[5]。由于流道底面面積過小，無法使用曲面作為控制面進(jìn)行“可變輪廓銑”，因此本文擬使用“型腔銑”命令，將流道面輪廓在XY平面上的投影作為加工時(shí)的“修剪邊界”，約束加工范圍，防止干涉等情況的發(fā)生。對(duì)生成后的刀軌進(jìn)行修改和優(yōu)化，平滑刀具路徑，避免急劇變化造成過切[4]。

具體過程如下：

1）創(chuàng)建輪廓銑操作，驅(qū)動(dòng)方式選擇為“區(qū)域銑削”，刀軸方向選擇+ZM軸。

2）指定切削區(qū)域?yàn)榱鞯赖酌?，指定“修剪邊界”（如圖4所示）為流道面投影曲線。

3）設(shè)置切削參數(shù)，采用逆銑，最大步長(zhǎng)為刀具直徑的20%[6]。

4）設(shè)置非切削參數(shù)，進(jìn)刀類型為“插削”，線性延伸刀具長(zhǎng)度的80%。

5）設(shè)置進(jìn)給參數(shù)，切削速度250mm/min，最后生成刀軌并驗(yàn)證，如圖5所示。

圖4 修剪邊界

圖5 流道底面加工刀軌

2.3 加工

將編寫好的程序?qū)牒筇幚砥鬟M(jìn)行處理，再通過I/O口導(dǎo)入加工中心，加工使用FEELER FMH-400型四軸聯(lián)動(dòng)加工中心進(jìn)行，搭載FANUC 31i數(shù)控系統(tǒng)，使用特制專用夾具進(jìn)行裝夾（如圖6所示），加工前進(jìn)行人工找正和對(duì)心，整個(gè)加工過程無二次裝夾。

圖6 裝夾完成后的毛坯

3 加工誤差分析

在完成葉片加工以后，需要對(duì)葉片的加工誤差進(jìn)行分析，以確定該加工方法是否能滿足實(shí)際需求。葉片檢測(cè)使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，在測(cè)量時(shí)使用曲線掃描，獲得若干點(diǎn)數(shù)據(jù)。

圖7 使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量

將該數(shù)據(jù)導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件，使用偏差度量命令對(duì)測(cè)量點(diǎn)與理論設(shè)計(jì)曲線進(jìn)行誤差分析，結(jié)果如圖8所示。根據(jù)分析得出結(jié)論：輪廓誤差最大值為0.078mm，偏差出現(xiàn)在葉根大曲率處，其余各處加工誤差基本滿足0.03mm，因此渦輪鉆具葉輪一體加工技術(shù)可以滿足輪廓及精度要求。

4 結(jié)論

渦輪鉆具葉輪一體成型加工技術(shù)可以有效地解決渦輪鉆具研發(fā)、試驗(yàn)過程中生產(chǎn)周期較長(zhǎng)的問題，在控制成本的同時(shí)能夠高效、快速地完成渦輪鉆具的加工，并且能確保加工質(zhì)量。此外加工中心具有很強(qiáng)的靈活性，結(jié)合專用夾具，針對(duì)不同葉型的加工只需修改加工程序即可，可以為高校、企業(yè)節(jié)省大量開模等費(fèi)用，具有制造周期短、加工靈活、加工效率高等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)整個(gè)渦輪鉆具的研發(fā)工作有著重要的意義。

圖8 UG誤差分析

[1]馮定.國產(chǎn)渦輪鉆具結(jié)構(gòu)及性能分析[J].石油機(jī)械,2007,35(1):59-61.

[2]成海,等.國內(nèi)外渦輪鉆具鉆井技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].石油礦場(chǎng)機(jī)械,2008,37(4):28-31.

[3]李群,陳五一.基于UG的發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉輪三維造型研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù),2005,(9):5-7,10.

[4]姚迪.整體葉輪側(cè)銑加工表面質(zhì)量研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012:1.

[5]楊林建.基于UG的大型水輪機(jī)葉片多軸數(shù)控加工研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2011, (10):136-139.

[6]劉燕,陳玉文.基于UG的螺旋葉片數(shù)控五軸加工[J].機(jī)械,2011,38(12):65-67.

Research of integrated manufacturing on turbodrill impeller based on UG software

ZHANG Xiao-dong, YANG Tao

為了降低渦輪鉆具小批量生產(chǎn)時(shí)的成本，提高葉片的加工質(zhì)量，以渦輪鉆具葉輪整體數(shù)控加工為目的，提出了一種基于UG軟件的綜合加工方法。文章包括渦輪鉆具葉輪的建模、加工方式選擇、程序編譯，采用自定義后處理文件生成相應(yīng)的數(shù)控代碼，并使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)所加工葉輪進(jìn)行測(cè)量，使用UG軟件對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，結(jié)果表面加工質(zhì)量符合預(yù)期。

渦輪鉆具；數(shù)控加工；UG；誤差分析

張曉東（1959 -），男，重慶涪陵人，教授，碩士，主要從事井下動(dòng)力鉆具和井下工具的研究工作。

TG502.6

A

1009-0134(2015)07(下)-0044-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).13

2015-04-20

石油天然氣裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放

基于面元法的渦輪鉆具葉片設(shè)計(jì)（KJD19）