三點(diǎn)直推式鐵鉆工沖扣鉗殼體關(guān)鍵制造技術(shù)

程曉麗，楊琨 ，2，黃元元，段寶軍 ,姜振祥 ,王玉

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

0 引言

隨著鉆井設(shè)備自動(dòng)化水平的不斷提高,鐵鉆工由于其高效、安全的特性，越來越受到客戶的青睞、應(yīng)用越來越廣泛[1-2]。目前，我公司生產(chǎn)制造的鐵鉆工涵蓋了伸縮臂式[3]、導(dǎo)軌式[4]等眾多品種，在伸縮臂式鐵鉆工中，三點(diǎn)對中夾持的鉗體（如圖1），對比兩點(diǎn)直推式的鉗體，在同缸徑的條件下，能夠提供更大的轉(zhuǎn)矩[5]。在研發(fā)與制造的過程中，沖扣鉗殼體在鐵鉆工進(jìn)行沖扣運(yùn)動(dòng)時(shí)承受載荷較大[6]，但由于其內(nèi)腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度較大，機(jī)加工工藝方案設(shè)計(jì)的是否合理直接決定了該零件最終能否滿足設(shè)計(jì)各項(xiàng)精度要求，也決定著鐵鉆工夾緊和沖扣的作業(yè)能否順利完成。

圖1 ST-160鐵鉆工

1 殼體結(jié)構(gòu)工藝性分析

三點(diǎn)對中式鐵鉆工沖扣鉗殼體結(jié)構(gòu)如圖2所示，有3處寬度相等、中心呈120°分布的內(nèi)腔，液缸推動(dòng)滑塊在三處內(nèi)腔里進(jìn)行滑移運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)鉆具的夾緊，從其使用角度可以看出，三處內(nèi)腔中心線要交匯一點(diǎn)且與鉆具外圓理論上應(yīng)該是同心，這對加工提出了很高的要求，同時(shí)內(nèi)腔是封閉的矩形，內(nèi)腔兩側(cè)面要求加工，如何在保證各項(xiàng)形位精度的情況下完成內(nèi)腔側(cè)面的加工成為一大難題。殼體為組焊結(jié)構(gòu)[7]，且存在U形開口，加大了焊接變形的影響，如何規(guī)避U形開口處的焊接變形[8]也是工藝方案設(shè)計(jì)時(shí)一項(xiàng)重要的考慮因素。

圖2 沖扣鉗結(jié)構(gòu)圖

2 工藝方案的設(shè)計(jì)與實(shí)施

2.1 工藝方案的設(shè)計(jì)

考慮三處內(nèi)腔呈120°分布，且相互交匯一點(diǎn)，如果成封閉的箱體狀態(tài)加工端面，是很難實(shí)現(xiàn)的[9]，所以將內(nèi)腔的側(cè)面加工方案設(shè)計(jì)為先將下面板與內(nèi)腔的側(cè)板焊接（如圖3），然后對內(nèi)腔側(cè)板進(jìn)行銑削加工，然后再將殼體的上面板焊接，形成封閉腔體，再加工殼體上的各連接孔，制定的工藝方案如圖3所示。

圖3 制定的工藝方案

圖4 焊接后的殼體

由于殼體三處內(nèi)腔中心線要交匯一點(diǎn)、且與鉆具外圓同心，否則在沖扣鉗夾緊鉆具和沖扣時(shí)，鉆具會(huì)因受剪切力而受傷，所以在加工過程中要充分考慮如何保證三處內(nèi)腔120°交匯一點(diǎn)，從圖2可以看出，交匯處是缺口位置，肉眼無法辨識，在最初的方案制定時(shí)，在側(cè)面銑出一基準(zhǔn)面，后續(xù)加工完全依靠機(jī)床保證[7]。

2.2 實(shí)施過程中出現(xiàn)的問題

2.2.1 焊后變形情況嚴(yán)重

殼體是組焊結(jié)構(gòu)，由于該工件需在上面板焊接之前對三處開襠進(jìn)行加工，也就是說最初的狀態(tài)未形成一個(gè)封閉的腔體，整體剛性較差，同時(shí)工件中心U形缺口也對剛性影響較大，在下面板與側(cè)板焊接后出現(xiàn)了整體翹曲變形[8]，從圖5中兩處面板高低差可見。

圖5 焊后變形

2.2.2 工藝撐去除后出現(xiàn)變形

為防止開檔在焊接過程中變形較大，需在焊接過程中增加相關(guān)輔助拉筋或背板。但這類防止焊接變形的措施，在后續(xù)加工中被去除，繼而釋放了相應(yīng)的變形量。

2.2.3 對中效果不好

由于殼體三處內(nèi)腔呈120°分布，一處基準(zhǔn)面不能有效地解決對中的精確度問題，尤其加工過程中將原來的拉筋去除，工件再次變形，導(dǎo)致最后加工的三處內(nèi)腔中心對中效果不好。

2.3 解決方案及過程控制

針對實(shí)施過程中出現(xiàn)的變形問題，逐一進(jìn)行解決。

首先針對剛性差導(dǎo)致的焊接變形問題，提出不對面板中間U形缺口進(jìn)行預(yù)制（如圖6），能夠有效地加強(qiáng)工件剛性，避免U形缺口處焊接變形的問題；另一方面，能夠保證在劃線加工時(shí)中心點(diǎn)可見，加工三處內(nèi)腔時(shí)將可以直接將基準(zhǔn)點(diǎn)定位到中心（如圖7），提高對中效果。同時(shí)針對工藝撐去后變形問題，增加焊后去應(yīng)力工序，有效減小變形。

圖6 鑲補(bǔ)后的面板

圖7 殼體中心

優(yōu)化后的工藝方案如圖8所示。

圖8 優(yōu)化后的工藝方案

2.3.1 下面板與側(cè)板焊接

一次大組合時(shí)，連接板之間、立板之間分別均勻點(diǎn)焊剛性工藝撐（工藝撐要求打摞銑頭處理，長度誤差≤0.5 mm),保證開檔尺寸公差要求；焊接前，組件背面整體點(diǎn)焊工藝板（板厚≥50 mm）,長寬尺寸略大于面板，以減小焊接變形。

焊接時(shí)，先焊坡口尺寸較小側(cè)焊縫，再焊坡口尺寸較大一側(cè)，焊接時(shí)盡量采用小電流不擺動(dòng)快速施焊，一層和一層之間稍作停留，避免層間溫度過高。焊后進(jìn)行去應(yīng)力處理。

2.3.2 下蓋板與立板組合加工

按照所劃各線找直找正，加工時(shí)內(nèi)腔面時(shí)采用低速銑削，減小刀具對工件的作用力、降低切削溫度，同時(shí)盡量減少工件裝夾點(diǎn)，壓點(diǎn)處必須墊實(shí)，減少裝夾塑性變形。在粗銑去除焊縫高點(diǎn)后松開工件，時(shí)效后再次裝夾精銑[10]；使用ROT RPL=120指令使其機(jī)床坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)120°，保證三處腔體120°精度要求。

2.3.3 上蓋板焊后整體加工

在上蓋板焊后整體加工U形槽的時(shí)候?yàn)榱朔乐构ぜ俅巫冃巍Ｊ紫仁褂忙?0刀盤粗加工，去除大部分余量后松開壓板，釋放應(yīng)力再次在原位置上進(jìn)行裝夾，進(jìn)行精加工。加工結(jié)束后進(jìn)行測量，各項(xiàng)尺寸都得到了有效的控制，且公差均符合設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語

本文為解決三點(diǎn)直推式鐵鉆工在焊接及機(jī)加工過程中所產(chǎn)生的變形提供了有效的方法，保證三處呈120°均勻分布的開檔質(zhì)量，在焊接過程中通過對U形缺口的前后整改、輔以工藝撐，合理安排焊接工序、去應(yīng)力、裝夾、加工參數(shù)及加工順序等方法，達(dá)到了較為滿意的加工質(zhì)量。