鉆具穩定器加工自動編程技術的研究

徐勇， 孫興偉

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽 110870）

0 引 言

鉆具穩定器是石油鉆井平臺中常用的機械工具，能起到在鉆直井時防止井斜、鉆定向井時控制井眼軌跡的作用［1］。由于穩定器的特殊結構及深井和超深井的苛刻鉆井條件使得穩定器的失效率較高。故在提高其疲勞壽命和尋求最佳的表面強化方式等減少穩定器失效事故的前提下，如何提高加工精度和高效地加工出鉆具穩定器，是一個亟待研究的課題［2］。為此結合沈陽工大科技開發有限公司和沈陽工業大學專用數控機床開發中心等的實際情況，改造了一種加工多種類型的鉆具穩定器專用數控機床，并設計了包括加工參數輸入、工件精度分析、運動干涉判定、實時圖形尺寸顯示、加工過程物理仿真和NC代碼生成等各種功能在內的完整數控加工自動編程系統［3］。

圖1 運動關系示意圖

1 鉆具穩定器加工運動關系分析

1.1 穩定器與銑刀的坐標變換

建立穩定器和銑刀坐標系，如圖1所示，來描述穩定器和盤銑刀的實際運動關系。圖中銑刀與穩定器的相對位置是加工右旋穩定器的位置。設定穩定器坐標系是oxyz，刀具坐標系是O-XYZ。銑刀相對穩定器有一定的安裝角 δ［4］。

根據圖1，把O-XYZ變換到o-xyz坐標系的變換關系式為

式中：（x，y，z）為工件坐標系o-xyz中銑刀和穩定器廓形接觸點的坐標；（X，Y，Z）為刀具坐標系O-XYZ中銑刀和穩定器廓形接觸點的坐標；δ為銑刀安裝角；A為銑刀與穩定器的中心距。

1.2 工件模型

圖2所示為所加工工件的結構示意圖。在加工螺旋面的生產實際中，往往己知其端面截形或軸向截形，本鉆具穩定器在實際加工中，已知截面廓形和螺旋參數的圓柱型螺旋面。當螺旋面在xoy平面上的端截形時，z0（u）=0［5］。設其端截面參數方程為

由式（2），可知其螺旋面方程為

其中：p 為螺旋參數，P=p/2π，右旋螺旋面時取“+”，左旋螺旋面時取“-”；P為螺旋面導程。

圖2 工件的結構示意圖

由式（3）可知端截面上任意的法矢量為

1.3 刀具模型

該專用機床在銑削加工階段，機床的主運動是銑刀的回轉運動，因為工件需要切除較多材料，又要通過增加背吃刀量減少切削次數，故銑刀需要承載較大的切削力，因此選用端銑刀盤和可轉位硬質合金刀片。兩側切削刃的回轉表面是由圓環面過渡的單錐面。在加工過程中，錐面只起到切削金屬的主要作用，而工件加工表面則是由圓環面包絡而成。即刀片兩側刃只參與切削，不參與包絡。因此，刀具的數學模型，如圖3所示［6］。

圖3 圓環面端形銑刀模型

2 系統結構

為了便于軟件的擴展和維護，本自動編程系統的整體設計采用面向對象的程序設計思想。相比于VC，C++Builder把可視化和面向對象較好地結合起來，大大地簡化了開發過程。系統中對計算結果進行進一步的開發和包裝，使其具有較好的可視化效果。在上述研究的基礎上，可輸出相應的數據和圖形。本編程系統主要有以下幾個模塊［7］：

1）加工參數輸入。通過調用工藝數據庫參數或手動輸入工件參數、刀具參數、切削用量參數和編程精度參數等。

2）實時圖形顯示。對二維圖等的圖形顯示，可以方便地了解工件參數定義、直觀地檢驗輸入的參數數據是否正確，減小用戶輸入參數時出錯的可能性。

3）干涉判定。曲面干涉和碰撞干涉是由非刀觸點的圓環面和圓錐面引起的，所以干涉判斷時需要對參與切削加工的圓環面和圓錐面兩部分進行分析。

4）加工仿真。對三維模型進行加工仿真，驗證加工過程和精度。

5）程序生成。在上述工作完成后，即可自動生成數控G代碼程序。

3 參數的輸入與處理

常用鉆具穩定器為直棱和螺旋型，工件和刀具類型和參數各不相同，通過上述分析，對鉆具穩定器加工而言，分別輸入各自參數，實現自動編程。基于C++Builder開發的自動編程系統參數輸入界面如圖 4 所示［8］。

圖4 銑削工藝參數輸入界面

系統將對加工軌跡數據進行文字處理以及模塊化數控程序生成等操作，并輸出數控代碼，如圖5所示。還能對程序添加入庫，方便日后調用。

圖5 數控代碼輸出及代碼文件保存界面

以上的程序編制都是在Borland C++Builder 6.0環境下編制的。此軟件還可以運用到多槽的加工，具有較強的通用性。將生成的數控加工程序傳入鉆具穩定器專用數控機床，就可以加工出相應的穩定器。

4 結 論

鉆具穩定器專用數控機床的自動編程系統采用模塊化結構設計，通過人機界面輸入參數，調用工藝數據庫或手動輸入自動生成NC代碼，編程效率較高，并且便于功能擴展。經公司的實際生產證明，對鉆具穩定器專用數控機床自動編程系統的設計，實現了鉆具穩定器加工精度和加工效率的進一步提高。

［1］ 呂瑞典.油氣開采井下作業及工具［M］.北京：石油工業出版社，2008.

［2］ 李連強.螺旋穩定器工藝與裝備研究［D］.北京：北京化工大學，2006.

［3］ 王可.復雜異形螺旋曲面無瞬心包絡銑削理論及應用技術研究［D］.天津：天津大學，2003.

［4］ 王娜.螺桿包絡銑削用盤銑刀結構改進及參數研究［D］.沈陽：沈陽工業大學，2007.

［5］ 樊開富.加工螺旋槽用可轉位盤銑刀設計研究［D］.大連：大連理工大學，2009.

［6］ 高明明.螺旋曲面盤銑刀銑削加工過程分析［D］.沈陽：沈陽工業大學，2014.

［7］ 陳欣，牛連強，馮海文.異形螺桿包絡銑削仿真與自動編程系統研究及設計［J］.現代制造工程，2005（4）：8-11.

［8］ 吳勤.正多邊形截面數控磨削自動編程系統研究與開發［D］.長沙：湖南大學，2012.