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 機電工程學院，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 機電工程學院，成都 610500）

0 引言

以渦輪鉆具和螺桿鉆具為主體的井下動力鉆具在20世紀80年代被譽為石油工程進步的三大技術之一[1]。渦輪鉆具與轉盤鉆井相比，提高機械鉆速3～5倍，節約鉆井成本20%～30%。近年來渦輪鉆具被廣泛應用于直井、定向井、叢式井、側鉆井等鉆井作業方面，鉆井主要技術指標都得到提高[2]。

葉輪是渦輪鉆具的核心部件之一，它包括定子葉輪和轉子葉輪兩部分。目前葉輪生產主要采用精密鑄造或者線切割，前者在加工時容易發生收縮變形，且需要開模，小批量生產時成本較高，不能滿足高校或科研機構的試驗需求；后者工藝復雜，產品精度低，難以保證葉輪的剛度及強度。

隨著數控技術與多軸聯動數控機床的發展，使用多軸聯動數控機床能克服上述弊端，在進行科學試驗小批量生產時，可以有效降低成本，提高加工精度。

本文將基于UG軟件進行渦輪鉆具葉輪建模、編程、加工仿真，并利用多軸聯動加工中心完成葉輪的整體加工，最后使用三坐標測量儀進行測量，使用UG軟件的分析模塊進行誤差分析。

1 葉輪三維模型創建

1.1 葉片數據獲得

與多數透平機械葉片數據獲取方法相似，渦輪鉆具葉輪葉片數據的獲取方法主要有兩種：逆向工程和理論計算[3]。逆向工程是通過測量原型的幾何尺寸（三坐標測量儀、激光跟蹤儀等）轉化成數據文件，導入設計軟件轉化成模型的技術；理論計算是根據流體力學計算出的葉型數據。本文主要采取的數據獲取方法是理論計算，通過流體仿真、優化后得到葉型的五次多項式參數方程，并利用該方程進行三維模型的創建。

1.2 葉片數據導入

現通過理論計算，得到某種葉片的壓力面以及吸力面的參數方程為：壓力面方程：吸力面方程：

圖1 葉片參數

通過UG軟件中的曲線導入命令，將參數方程輸入后，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 三維實體造型

渦輪鉆具葉輪一般由基體、葉片、外環三部分組成。在進行葉輪整體加工時，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，過小的葉間空隙使得刀具無法進行正常的曲面加工，因此在三維造型時必須將傳統葉輪的外環刪去。

根據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，所以對導入UG的封閉曲線進行拉伸后即得單個葉片實體，然后對基體進行繪制，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 葉片實體模型

2 數控程序編譯及加工

2.1 加工工藝分析

渦輪鉆具葉輪整體加工的難點在于葉輪整體直徑，單個葉片尺寸小、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。

針對以上問題，本文將采用側銑法進行加工，即使用直徑較小的圓柱銑刀側刃銑削葉片曲面[4]，以改善葉片的表面質量，并防止在加工過程中產生碰撞、干涉等情況的發生。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參數設置

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

加工時首先對兩支葉片間的流道面進行去除，然后對單支葉片進行加工。加工壓力面和吸力面采用粗、精兩道加工，以保證加工精度，提高加工質量。完成以上設置后生成單個葉片的加工刀軌（如圖3所示）。

圖3 葉片表面粗加工刀軌

2）流道底面加工

流道底面是一個不規則曲面，需要對該表面進行單獨加工，否則會導致該面表面粗糙度較低，影響葉片的水力性能。

在編程時應當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的“修剪邊界”，約束加工范圍，防止干涉等情況的發生。對生成后的刀軌進行修改和優化，平滑刀具路徑，避免急劇變化造成過切[4]。

具體過程如下：

1）創建輪廓銑操作，驅動方式選擇為“區域銑削”，刀軸方向選擇+ZM軸。

2）指定切削區域為流道底面，指定“修剪邊界”（如圖4所示）為流道面投影曲線。

3）設置切削參數，采用逆銑，最大步長為刀具直徑的20%[6]。

4）設置非切削參數，進刀類型為“插削”，線性延伸刀具長度的80%。

5）設置進給參數，切削速度250mm/min，最后生成刀軌并驗證，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

將編寫好的程序導入后處理器進行處理，再通過I/O口導入加工中心，加工使用FEELER FMH-400型四軸聯動加工中心進行，搭載FANUC 31i數控系統，使用特制專用夾具進行裝夾（如圖6所示），加工前進行人工找正和對心，整個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，需要對葉片的加工誤差進行分析，以確定該加工方法是否能滿足實際需求。葉片檢測使用三坐標測量儀，在測量時使用曲線掃描，獲得若干點數據。

圖7 使用三坐標測量儀測量

將該數據導入UG軟件，使用偏差度量命令對測量點與理論設計曲線進行誤差分析，結果如圖8所示。根據分析得出結論：輪廓誤差最大值為0.078mm，偏差出現在葉根大曲率處，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可以滿足輪廓及精度要求。

4 結論

渦輪鉆具葉輪一體成型加工技術可以有效地解決渦輪鉆具研發、試驗過程中生產周期較長的問題，在控制成本的同時能夠高效、快速地完成渦輪鉆具的加工，并且能確保加工質量。此外加工中心具有很強的靈活性，結合專用夾具，針對不同葉型的加工只需修改加工程序即可，可以為高校、企業節省大量開模等費用，具有制造周期短、加工靈活、加工效率高等優點，對整個渦輪鉆具的研發工作有著重要的意義。

圖8 UG誤差分析

[1]馮定.國產渦輪鉆具結構及性能分析[J].石油機械,2007,35(1):59-61.

[2]成海,等.國內外渦輪鉆具鉆井技術及其發展趨勢[J].石油礦場機械,2008,37(4):28-31.

[3]李群,陳五一.基于UG的發動機整體葉輪三維造型研究[J].組合機床與自動化加工技術,2005,(9):5-7,10.

[4]姚迪.整體葉輪側銑加工表面質量研究[D].北京:北京交通大學,2012:1.

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

[6]劉燕,陳玉文.基于UG的螺旋葉片數控五軸加工[J].機械,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時的成本，提高葉片的加工質量，以渦輪鉆具葉輪整體數控加工為目的，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的數控代碼，并使用三坐標測量儀對所加工葉輪進行測量，使用UG軟件對所得數據進行誤差分析，結果表面加工質量符合預期。

渦輪鉆具；數控加工；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實驗室開放

基于面元法的渦輪鉆具葉片設計（KJD19）