刀桿安裝架在車削鉆鋌臺階孔加工中的應用研究

任陸鵬

[摘 ? ?要]在石油測井儀器設備大型鉆鋌類配件都采用無磁不銹鋼，切削性能較常規不銹鋼要差很多，且多設計有API螺紋孔及臺階孔結構，在高速車削加工過程中為了提高加工零件的內孔的表面粗糙度及尺寸精度，往往需要用高剛度的抗振刀桿配合硬質合金材料的高速刀具[1]，以提高車削加工過程中的穩定性;而專用高剛度的抗振刀桿很難與機床現有刀架進行裝夾固定，這就勢必需要采用專用刀桿安裝架來實現刀桿與機床刀架間的過渡連接，文章主要討論專用刀桿安裝架在數控車削臺階孔加工中的應用。

[關鍵詞]石油測井儀器設備;高剛度;內孔切削;抗振

[中圖分類號]TE906 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–00–03

Talking about the Application of Toolholder Mounting

Frame in Turning Drill Collar Step Hole Processing

Ren Lu-peng

[Abstract]Non-magnetic stainless steel is used for large drill collars in petroleum logging equipment， and its cutting performance is much worse than that of conventional stainless steel. API threaded holes and stepped hole structures are mostly designed. In the process of high-speed turning， in order to improve the machining performance For the surface roughness and dimensional accuracy of the inner hole， it is often necessary to use a high-rigidity anti-vibration tool holder with a high-speed tool made of carbide [1] to improve the stability during turning; and a special high-rigidity anti-vibration tool holder is used. It is difficult to clamp and fix with the existing tool holder of the machine tool， which is bound to use a special tool holder mounting frame to realize the transition connection between the tool holder and the machine tool holder. This article mainly discusses the special tool holder mounting frame in CNC turning step hole machining applications in .

[Keywords]petroleum logging equipment; high rigidity; inner hole cutting; earthquake resistance

隨著現代機械加工技術的高速發展，所有設備包括石油測井設備都是朝著高度模塊化、集成化和智能化方向發展[2]，所有零部件的研發設計也是優先采用模塊化方向進行，但伴隨著的就是所設計出零件的結構復雜、尺寸精度要求高、加工難度大，而且對設備的精度及結構要求極高。同樣的，石油隨鉆測井儀器中大型鉆鋌內部的臺階孔設計也是越來越復雜、深度越來越深、尺寸精度越來越高，傳統深孔鉆鏜床因成型刀具設計成本過高，加工找正難度較大，只能一次成型，加工風險較大，而且不便于修復，因此就不再適用于此類復雜結構臺階孔的加工。相比較而言數控車削加工因其自動化程度高，便于進行對刀找正，復雜臺階孔的結構也可通過程序進行有效的保證，整體加工難度較深孔鉆床要小很多，但缺點就是內孔刀桿長徑比過大時加工穩定性較差，所以為了克服刀桿長徑比過大帶來的弊端，進一步提高臺階孔的加工精度及穩定性，通常會采用抗振性能好的高剛度刀桿材料（碳化鎢）[3]制作內孔車刀抗振刀桿，并配合專用的刀桿固定架進行固定連接。

1 車削過程受力分析

1.1 車削過程中刀具受力分析

刀具在削工件時，使被切削層與工件內部產生彈、塑性變形抗力，流出的切削和工件工件運動與刀具之間產生的摩擦力，上述各力的總和形成作用在刀具上空間方向上的合力F，為了便于計算，F可分解為Fc、Fp和Ff三個分力（圖1）。

切削力（主切削力）Fc——在主運動方向上的分力;

背向力（切深抗力）Fp——垂直用工作平面上的分力;

進給力（進給抗力）Ff——進給運動方向上的分力。

1.2 車削過程中刀桿受力分析（略去刀桿所承受的裝夾力）

根據作用力與反作用力，切削力通過刀具作用在刀桿上的空間方向上的合力F1，可以分解為F1x、F1y和F1Z三個分力（圖2）;車削過程中刀具所承受的背向力Fp是引起振動、影響加工精度及表面粗糙度的主要因素，即作用在刀桿的力為F1y和F1Z，若刀桿選材強度及剛度較低，裝夾固定不牢靠，在這兩個方向分力的作用下就會出現刀桿移位或者松動，尤其是刀桿長徑比較大的情況下，刀桿的震動會更加嚴重，振動幅度的增加會直接導致已加工的內孔表面出現嚴重震紋及錐度等加工質量不合格情況的出現。

2 傳統內孔車刀裝夾方式分析

加工內孔時傳統內孔車刀刀桿是直接裝夾在車床轉臺上的，安裝結構如圖3所示，而高剛度抗振刀桿在設計時為提高自身剛度會盡量縮短刀桿的長徑比，所以其直徑往往按照滿足加工需求的最大值進行設計確定，因此對于較深的臺階孔的加工，其所定制配備的內孔抗振刀桿會因直徑過大而無法采用傳統裝夾方式固定在機床轉臺上使用。如果為了裝夾也可以在刀桿上銑平一段作為裝夾位，但是這種方式對于刀桿長徑比較小的刀具較為適用，因為刀桿長徑比較大時，基于杠桿原理，在切削力（F1y和F1Z）作用下，刀桿與刀架連接裝夾部位處所形成的扭矩也會成倍放大，而刀桿與刀架僅靠幾個螺釘壓緊固定，固定效果較差，在加工過程中會產生較大振動，導致加工表面產生振紋，嚴重的會導致刀桿移動及角度變化，進而造成內孔時加工出現錐孔，影響加工質量，甚至可能導致刀片崩碎撞傷工件，導致產品加工不合格甚至報廢。

3 內孔車刀采用刀桿安裝架優化安裝結構分析

3.1 內孔車刀刀桿安裝架結構

內孔車刀抗震刀桿安裝架由裝夾位、鎖緊刀桿孔、避空孔、鎖緊螺釘孔、放松螺釘孔及剛度削減槽組成，具體結構如圖4所示，抗振刀桿如圖5所示，安裝使用結構如圖6所示：

3.1.1 設計L型90°拐角雙側夾位

此裝置采用雙側裝夾位配合L型90°拐角與車床刀臺連接，雙側固定更為牢靠、穩定，同時拐角限位可以有效防止因機床振動及刀具切削力作用導致的刀桿松動及扭轉問題的出現，使得整個車削加工過程的安全穩定性更高。

3.1.2 設計刀桿專用配合孔

內孔抗振車刀刀桿與鎖緊刀桿孔配合安裝，專桿專用，通過鎖緊螺釘將車刀刀桿與固定裝置鎖緊連接，保證刀桿固定緊密可靠，有效解決刀臺裝夾位受限及固定方式不牢靠的問題。

3.1.3 設計剛度削減槽

設計剛度削減槽，可以降低固定裝置側面剛度，增加變形幅度，使鎖緊螺釘產生的夾緊力更加均勻有效地作用在刀桿上，保證內孔車刀桿與固定裝置鎖緊刀桿孔表面接觸更為均勻，連接更加牢靠，有效解決刀桿與轉臺刀架直接進行點接觸鎖緊連接導致的扭動、移位及穩定性差的問題。

3.1.4 設計放松螺釘孔（螺旋分離結構）

在拆卸刀桿拆卸過程中會發生刀桿與固定裝置粘合在一起無法取出的現象，若暴力敲擊刀桿可能會對刀桿造成損傷，影響使用壽命，而通過螺旋分離結構使用放松螺釘配合所設計的放松螺釘孔可以安全快速地實現刀桿與固定裝置的分離，使得刀桿拆卸過程更加安全、高效。

3.2 內孔車刀刀桿采用安裝架優化安裝配合效果

該刀桿安裝架采用雙側裝夾位與車床刀架連接固定牢靠、安全穩定，可有效防止內孔抗振刀桿直接與轉臺刀架安裝連接時出現扭轉、振動等影響加工穩定性的問題發生;且內孔抗振車刀刀桿與鎖緊刀桿孔采用面接觸配合安裝，解決了高剛度、大直徑、抗振刀桿無法安裝使用及穩定性差的問題，同時通過鎖緊螺釘將車刀與固定裝置鎖緊連接，其中剛度削減槽可以降低裝置側面剛度，增加變形幅度，使鎖緊螺釘產生的夾緊力更加均勻有效地作用在刀桿上，保證內孔車刀刀桿與安裝架的連接更加安全、穩定、可靠，有效解決當前內孔加工過程中因刀桿震動及移位所造成振紋、錐度等加工質量不合格問題，相比當前工藝裝夾方式更為簡便、安全穩定、省時高效，安裝使用效果如圖7、圖8所示。

4 結論

以上通過內孔車刀安裝結構對加工工件的影響分析可知，要保證臺階孔加工精度及光潔度要求，必須提升內孔車刀的刀桿的強度及剛度以增加其抗震性能，同時選用專用高速切削刀具增強其對工件材料的適應性，并配合專用刀桿安裝架進行過渡連接，才能保證石油隨鉆及導向類大型測井儀器鉆鋌等配件中結構復雜且精度高臺階孔結構車削加工的穩定性，并有效解決高速車削加工過程中臺階孔組存在錐孔、振紋嚴重等尺寸精度及光潔度缺陷，安全優質高效地保證了復雜高精度臺階孔組的加工。

參考文獻

[1] 張伯霖.高速切削技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2003.

[2] 楊海成，祁國寧.制造業信息化技術的發展趨勢[J].中國機械工程，2004（19）：1693-1696.

[3] 陸劍中，孫家寧.金屬切削原理與刀具[M].北京：機械工業出版社，2011.