鐵鉆工沖扣鉗上、下殼體加工方法研究

羅震， 張茄新，2， 劉宏亮，2， 劉春偉， 楊琨

（1.寶雞石油機械有限責(zé)任公司，陜西寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西寶雞 721002）

0 引言

隨著鉆井設(shè)備自動化程度的不斷提高,鉆具的轉(zhuǎn)矩旋扣設(shè)備也在不斷升級換代,從手動吊鉗、液氣混合動力大鉗發(fā)展到現(xiàn)在的鐵鉆工,其在提高鉆井生產(chǎn)效率和安全性等方面起到了重要的作用。鐵鉆工作為現(xiàn)代化鉆井中重要的自動化設(shè)備之一，可實現(xiàn)鉆桿、鉆鋌等鉆具的旋扣連接工作，是目前世界上較為先進的轉(zhuǎn)矩旋扣設(shè)備。其自動化程度較高、操作簡單，在提高鉆井作業(yè)的效率和安全性方面起到了巨大的作用。目前歐美的幾大石油設(shè)備廠商已研發(fā)出了數(shù)代鐵鉆工，具有較為成熟的技術(shù)和廣泛的市場占有率，而國內(nèi)目前對于鐵鉆工的研究還處于起步階段，產(chǎn)品競爭力較低，對市場形不成有效的沖擊，導(dǎo)致國外的產(chǎn)品價格居高不下，極大地制約了我國石油鉆采工業(yè)的發(fā)展，所以研制出性能穩(wěn)定的、成熟的鐵鉆工產(chǎn)品意義重大。

圖1

目前，我公司生產(chǎn)制造的鐵鉆工為伸縮臂式（如圖1），該類鐵鉆工通過機械臂帶動前端鉗體進行橫向、縱向移動,支撐端設(shè)計有轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)可進行軸向轉(zhuǎn)動,通過獨立的液壓站完成動力供應(yīng)。在研發(fā)與制造的過程中，沖扣鉗上、下殼體屬于主承載件，從最初單純的組焊件，到現(xiàn)在需加工殼體各孔、內(nèi)腔及面板上導(dǎo)軌等，其設(shè)計要求在不斷提高，制造工藝在不斷完善，加工方式也在不斷變化，尤其殼體內(nèi)腔的加工，由于其深度較大、位置度要求較高、加工難度較大，機加工工藝方案設(shè)計是否合理直接決定了該零件最終能否滿足設(shè)計各項精度要求，決定著鐵鉆工夾緊和沖扣的作業(yè)能否順利完成。

1 殼體結(jié)構(gòu)工藝性分析

1.1 殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

如圖2所示，鐵鉆工沖扣鉗的上下殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)相同，通過面板上的導(dǎo)軌來實現(xiàn)相對轉(zhuǎn)動，殼體內(nèi)部裝一曲柄連桿機構(gòu)，通過液壓驅(qū)動實現(xiàn)滑塊間的開合，在最初的殼體設(shè)計要求中，對殼體內(nèi)腔不做任何處理，與滑塊的配合間隙較大，沖扣過程中造成滑塊前端的鉗牙與鉆具之間產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，對鉆具的損傷較大，為了防止沖扣過程中滑塊前端的鉗牙與鉆具之間產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，損傷鉆具，對殼體內(nèi)腔提出相應(yīng)的形位要求。

主要技術(shù)要求如下：殼體內(nèi)腔滑塊軌道上下面粗糙度Ra25 μm，深度尺寸近1 m，上下面間有平行度要求，相對于側(cè)板有垂直度要求，相對于整體對稱中心線有垂直度要求，連接孔中心相對于側(cè)面基準(zhǔn)有垂直度要求。

圖2

1.2 工藝分析

通過以上要求可以看出，殼體內(nèi)腔上下面要求加工，整體呈細(xì)長方孔，深度近1 m，對上下面有平行度要求，相對于整體對稱中心線有垂直度要求，各連接孔均有加工要求。加工該類內(nèi)腔結(jié)構(gòu)表面的切削方法有插、銑及線切割。不論是龍門銑或是鏜銑床，在加工這種窄長形內(nèi)腔端面時，附件頭與殼體會存在干涉問題，而線切割速度太慢，插削殼體內(nèi)腔是首選方案，但殼體為U型開口形式，存在加工變形、掉頭后無找正基準(zhǔn)，刀桿與殼體干涉無法清根等問題，需要工藝人員進一步解決;而各連接孔的加工不存在什么困難。

2 工藝方案的設(shè)計與實施

2.1 工藝方案的設(shè)計

2.1.1 加工設(shè)備的選擇

從前面的工藝分析可以看出，殼體上連接孔及內(nèi)腔上下表面有加工要求，考慮連接孔直徑尺寸最高要求公差值0.05 mm，孔間距離偏差±0.5 mm，板間距離208 mm，可在鏜銑床上加工；殼體內(nèi)腔深近1 m，上下面要求加工，我公司滿足該類結(jié)構(gòu)的加工設(shè)備在當(dāng)時只有B50125B型插床，最大插削深度能夠達到1.25 m。

2.1.2 加工變形分析及過程控制

在考慮殼體的整個加工過程中，鏜孔造成的變形很小，可以忽略；在殼體的插削加工過程中，工件成U型開口形式，插削過程中受刀具向下的壓力，會產(chǎn)生彈性變形，造成插削表面帶有斜度；刀桿與殼體間存在干涉，無法一次加工成活，需要接刀加工，降低了加工面的平面度；整個腔體結(jié)構(gòu)并不連續(xù)，且深度較大，如果刀桿懸伸過長，剛性降低，刀桿變形，使加工面成一斜面。綜合上述分析，我們逐一對其進行了解決。

針對工件的U型開口形式，我們通過在U口間焊接一工藝撐的方式來降低工件的彈性變形；由于存在接刀加工的問題，對接刀加工后的工件內(nèi)表面要求進行打磨處理；為避免刀桿懸伸過長而產(chǎn)生彎曲，我們采用了掉頭加工的方案，但掉頭后存在無法找正的問題，為了解決此問題，我們對工藝撐和殼體面板上的加強板端面進行了銑削加工，形成空間上相互垂直的工藝找正基準(zhǔn)面，解決了找正困難的問題（如圖3），同時，由于降低了插削加工的深度，能夠有效提高加工面的平面度，該工藝撐還能增加工件剛性，降低加工過程中的回彈變形。

由于殼體內(nèi)腔加工面相對于側(cè)板有垂直度要求，單純的焊接是無法達到設(shè)計要求的，為了保證殼體內(nèi)腔的兩不加工側(cè)面的形位精度，我們選擇了先將殼體內(nèi)各立板與一個側(cè)板組焊后進行整體銑削加工，另一側(cè)板進行單面加工，形成焊接基準(zhǔn)面，然后再焊接上面板。

圖3

2.1.3 工藝方案的制定

通過對沖扣鉗殼體的結(jié)構(gòu)分析、變形分析及過程控制，我們制定的上、下殼體工藝流程如下：劃線→打號→銑(銑焊接工藝基準(zhǔn))→焊側(cè)板→劃線→銑（銑加工工藝基準(zhǔn)面）→鏜→插→鉗工打磨。

由于上下殼體各孔對稱中心要求重合，否則在沖扣鉗夾緊鉆具和沖扣時，鉆具會因受剪切力而受傷，所以在加工過程中要保證各組孔的對稱度要求以及相對于基準(zhǔn)面的位置度要求。劃線工序中，要求兼顧滑塊固定位置與U型槽外形，劃對稱分中線，以不加工面板為基準(zhǔn)，劃水平圍線及加強板上的工藝基準(zhǔn)端面加工線，再劃內(nèi)腔加工線。銑工藝基準(zhǔn)及鏜孔工序我們在鏜銑床上找正水平圍線及對稱分中線，將工件壓緊，銑工藝撐及加強板上工藝基準(zhǔn)成活，再將工件立放，上彎板，以對稱中心及已銑工藝撐面為基準(zhǔn)，用坐標(biāo)鏜床加工各孔，保證了各孔的對稱度及孔心與工藝基準(zhǔn)面間的垂直度。在進行插削工序時，在殼體下端墊等高鐵和頂高支撐，壓板壓緊殼體U型槽，通過找正相互垂直的兩處基準(zhǔn)面來定位，保證二次裝夾加工后腔體內(nèi)表面的整體平面度。

2.2 加工方法及刀具的選擇

在進行銑工藝基準(zhǔn)面時，工藝撐要求尺寸400 mm×150 mm，也可以選擇更大，主要依據(jù)殼體的大小和加工操作是否方便進行選擇，但如果長度太小，會降低找正精度。在銑削時可以選用盤銑刀，便于加工，由于工藝撐與加強板相互垂直，需要裝直角銑頭加工。鏜孔時尺寸公差通過手動微調(diào)鏜刀來控制。需要強調(diào)的是鏜孔與銑削工藝基準(zhǔn)面是在同一個工位加工成活，才能有效地保證孔與殼體內(nèi)腔面間的位置精度。在插削腔體內(nèi)表面時，刀桿長度要能滿足一次插削至U口處，我們選擇了長為550 mm、直徑65 mm的自制刀桿，插刀多為白鋼刀自行磨制。由于刀桿與殼體間的干涉，無法一次插削成活，在插削時需多次調(diào)整刀桿及刀具，如圖4（a）、（b）、（c）所示的三步完成：正向插削成活，目測刀桿與殼體快要干涉時，取出插刀，反向裝入刀桿，插削另一面成活，然后將刀桿旋轉(zhuǎn)一定角度插削清角。在加工成腔體上端后，倒面重新裝夾，通過找正工藝基準(zhǔn)面來保證定位精度，再加工腔體下部分成活，加工方法與上端加工方法相同。整個插削分精加工與粗加工兩部分，粗加工時吃刀量為1.5 mm左右，在距離已劃外形線0.3～0.5 mm時，重新?lián)Q刀一次加工成活，由于精加工時吃刀量很小，且工藝撐提升了開口處的剛性，工件的回彈變形基本可以忽略。在精加工一面成活后，以該面為基準(zhǔn)，加工另一面成活。在清角過程中，存在刀具與切削面間的接觸面積增大、切屑難排出導(dǎo)致的散熱難、刀具易損壞等問題。所以在清角過程中，要求吃刀量不能過大，而且需時刻關(guān)注刀具的加工情況，出現(xiàn)難加工的狀況時要及時回刀，調(diào)整吃刀量再重新加工。

2.3 切削用量參數(shù)控制

我們通過多次實踐，總結(jié)出一套適用于整個加工過程中的切削用量參數(shù)，如表1所示。

圖4

表1 切削用量參數(shù)

3 結(jié) 語

通過實踐證明，在加工不連續(xù)的、內(nèi)腔較深的鐵鉆工沖口鉗殼體的過程中，通過制定合理的加工方案，選擇合適的裝夾找正方法，有效地利用輔助工具，設(shè)定合理的切削參數(shù)，解決了其剛性差、易變形等問題，最終保證了產(chǎn)品的加工質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率。目前在生產(chǎn)應(yīng)用中因殼體內(nèi)腔與滑塊間隙大導(dǎo)致的沖扣過程中的打滑現(xiàn)象已基本杜絕，為進一步完善鐵鉆工起到了積極的作用。

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