一種數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機(jī)床

張燕紅

（山東華宇工學(xué)院，山東德州 253000）

1 機(jī)床開發(fā)背景

數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機(jī)床（也叫射孔槍鉆孔專機(jī)）是面向石油鉆探行業(yè)推出的行業(yè)性產(chǎn)品。隨著石油開采業(yè)的發(fā)展，淺層、軟層等易開采的油田越來越少，石油開采者不得不到砂層、硬層、巖層等難開采的油田中去開采石油。石油開采離不開石油管道，油井的深層管道就使用石油射孔槍鉆部件。射孔槍鉆部件一井一套或多套，而且一次性使用。石油射孔槍鉆部件的制造難題是槍身徑向不透孔的加工問題?，F(xiàn)在許多地方都是用普通立式鉆床鉆孔，工件劃線人工分度，效率低、精度差、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。

2 石油射孔槍鉆部件

石油射孔槍鉆部件由槍頭、槍尾、槍身、射孔彈、彈架、導(dǎo)線所組成，其中槍頭、槍尾位于槍身的兩端，射孔彈由彈架固定并置于槍身中，導(dǎo)線與各射孔彈連接并從槍頭處引出，槍身的側(cè)壁外在相對(duì)于射孔彈的發(fā)射口位置處開設(shè)有盲孔。石油射孔槍鉆部件如圖1 所示。

圖1 石油射孔槍鉆部件

石油射孔槍鉆部件外型與普通石油管道相似，管壁加工有規(guī)則分布的不透孔。在射孔槍鉆內(nèi)部對(duì)準(zhǔn)不透孔的位置裝入射孔彈及炸藥。射孔槍鉆下井后由引爆裝置引爆炸藥，爆炸力推動(dòng)射孔彈將管道上的不透孔變?yōu)橥缚?，射孔彈便進(jìn)入砂層、硬層或巖層，石油便通過透孔進(jìn)入石油管道從而實(shí)現(xiàn)石油開采。石油射孔槍鉆部件在實(shí)際應(yīng)用中工作原理如圖2 所示。

圖2 石油射孔槍鉆部件工作原理

3 數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機(jī)床

數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機(jī)床是專為石油行業(yè)射孔槍鉆部件的槍身加工而設(shè)計(jì)的專用機(jī)床，用于加工管壁平底盲孔。機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)有：床身、分度頭、拖板、鉆削動(dòng)力頭、夾緊機(jī)構(gòu)、床身尾座、電氣及數(shù)控系統(tǒng)、液壓、潤(rùn)滑及冷卻系統(tǒng)等。被加工工件由分度頭三爪卡盤夾持，并由床尾頂尖頂緊，數(shù)控分度頭轉(zhuǎn)位定位，工件定位后，前后兩組自定心夾緊塊由油缸驅(qū)動(dòng)將工件夾緊，然后由床身后側(cè)斜置的兩個(gè)鉆削動(dòng)力頭進(jìn)行鉆削加工。

機(jī)床結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：床身為落地式結(jié)構(gòu)，材料為高強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)鑄鐵樹脂砂鑄造，具有良好的減振性、剛性及穩(wěn)定性。分度頭（A軸/旋轉(zhuǎn)軸）采用數(shù)控分度頭配以伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的任意角度分度或連續(xù)分度，分度頭配手動(dòng)三爪自定心卡盤實(shí)現(xiàn)工件卡緊。拖板在床身上水平左右移動(dòng)形成機(jī)床的Z 向運(yùn)動(dòng)，拖板上并列放置兩前后移動(dòng)的滑板分別形成X、Y 向運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向與床身水平方向成30°夾角，X、Y 軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，定位精度高，具有螺補(bǔ)、間補(bǔ)功能。Z 軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)口齒輪、齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

鉆削動(dòng)力頭是機(jī)床的加工功能部件，鉆削動(dòng)力頭主軸由4 kW變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)速可在200～1200 r/min 無級(jí)變速。兩個(gè)鉆桿箱在床身后側(cè)的滑板上分別由X、Y 軸兩個(gè)滑板拖動(dòng)，可同時(shí)進(jìn)給也可分別獨(dú)立進(jìn)給，兩個(gè)鉆削動(dòng)力頭主軸中心距可在250～500 mm 范圍內(nèi)手動(dòng)任意調(diào)整。

設(shè)備配置盲孔深度檢測(cè)裝置（已申請(qǐng)專利），可對(duì)盲孔深度進(jìn)行精確控制。夾緊機(jī)構(gòu)采用油缸驅(qū)動(dòng)自定心雙V 形塊夾緊工件，在拖板左右各有一套夾緊機(jī)構(gòu)。床身尾座采用機(jī)械手動(dòng)移動(dòng)、手動(dòng)頂尖頂緊。

數(shù)控系統(tǒng)采用SIEMENS 802D 數(shù)控系統(tǒng)，4 坐標(biāo)全機(jī)能數(shù)控方式。通過位于拖板上的操縱臺(tái)集中控制，任意調(diào)用切削程序，方便實(shí)現(xiàn)不同零件切削加工。操縱臺(tái)配有手持脈沖發(fā)生器，便于操作和對(duì)刀。

液壓系統(tǒng)采用外置式獨(dú)立泵站且配有液壓蓄能器，為夾緊機(jī)構(gòu)提供穩(wěn)定可靠的壓力油。潤(rùn)滑系統(tǒng)采用集中潤(rùn)滑裝置，可以對(duì)機(jī)床導(dǎo)軌及其他運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行間歇式自動(dòng)潤(rùn)滑。冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)冷卻方式對(duì)加工工件進(jìn)行冷卻，配冷卻液回收過濾裝置。數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

4 設(shè)備創(chuàng)新點(diǎn)與特色

裝置不僅適用于石油射孔槍專用機(jī)床，還可以加工各種薄壁工件。設(shè)備可在普通機(jī)床基礎(chǔ)上改造，使用方便快捷，極大的節(jié)約人工成本。加裝后可實(shí)現(xiàn)在易變形的曲面鉆出確定深度的孔。裝置致力于改變現(xiàn)有的傳統(tǒng)加工方式，在不需要過多加工經(jīng)驗(yàn)技術(shù)的情況下在易變形的曲面上進(jìn)行盲孔的加工，并且裝置可以實(shí)現(xiàn)極高精度的鉆孔深度限制，僅需在普通機(jī)床簡(jiǎn)單加裝本設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)。

設(shè)備一般應(yīng)用于徑向鉆孔專用機(jī)床加工固定深度的盲孔并且可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)加工，操作簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化智能化加工。工人僅需將待加工工件夾持好后啟動(dòng)機(jī)器，即可自動(dòng)開始鉆孔，到達(dá)預(yù)定的鉆孔深度后鉆頭自動(dòng)停止，并做好下一鉆孔的準(zhǔn)備。也可編寫程序?qū)⒐ぜ苿?dòng)至下一加工位置，實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化加工過程，相比傳統(tǒng)加工方式更加節(jié)約成本、提升產(chǎn)能。

5 不透孔鉆孔工藝流程及加工程序

X 軸、Y 軸相對(duì)進(jìn)給坐標(biāo)及孔深h、彎曲度ΔL 的關(guān)系符合公式：X=ΔL+h；Y=-ΔL+h。其中，X 為X 軸與對(duì)刀零點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，Y 為Y 軸與對(duì)刀零點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)，ΔL 為槍管的彎曲度，h 為加工孔深。加工流程如圖4 所示，加工原理如圖5 所示。

圖4 不透孔鉆孔加工流程

圖5 不透孔鉆孔加工原理

通過數(shù)控系統(tǒng)編制及自動(dòng)運(yùn)算后實(shí)現(xiàn)工件盲孔全部加工，可精度保證孔深尺寸及同角度盲孔在母線上的同心度。自動(dòng)加工宏程序如下：

6 結(jié)束語

石油射孔槍鉆部件就是為開采稀油層油田而設(shè)計(jì)的專用設(shè)備。數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機(jī)床將數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)分度技術(shù)、雙主軸結(jié)構(gòu)、斜置床鞍結(jié)構(gòu)引入機(jī)床。用該機(jī)床加工石油射孔槍鉆部件槍身徑向不透孔，不但效率高、精度好，而且減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。通過市場(chǎng)調(diào)研及用戶使用情況反饋，機(jī)床結(jié)構(gòu)的充分優(yōu)化，更有效解決了石油射孔槍鉆部件槍身徑向不透孔的加工問題。數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機(jī)床具有良好的市場(chǎng)前景。