石油筛管数控多刀铣床的研发.pdf

石 油 筛 管数 多 刀 铭库的研 笈术 口陈静 口高福万 口杨贺来 天津 中杰科技发展有 限公 司 天津3 0 0 0 1 1 摘 要 为 了提 高石 油割缝 筛管加工效率和实现绿 色制造 ， 研制 了石油 筛管数控 多刀铣床 ， 并加工 出了合格 的割缝 筛 管产品 。 关 键 词 割 缝 筛 管 多 刀加 工铣 削 中图分类号 T G 5 4 3 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 2 0 1 5 0 3 0 0 1 0 0 3 割 缝 筛 管 是 石 油 完 井 工 程 采 油 防 砂 用 的 工 具 。 1 9 9 2年 7月 1 6 日 ， 割 缝 筛 管 陶 瓷 刀 具 加 工 专 利 技 术 成 果 [ 通 过 鉴 定 ， 用 陶 瓷 刀 具 加 工 的 割 缝 筛 管 开 始 在 油 田 生 产 中得 到 广 泛 应 用 。陶 瓷 刀 具 割 缝 加 2 12 原 理 是 将 CB N 微 粉 烧 结 在 圆 片 形 铜 基 体 上 高 速 磨 缝 ， 具 有 多 刀 加 工 效 率 高 、 缝 隙 表 面 粗 糙 度 值 低 见 ≤ 1 ． 6 m 等 优 点 。 但 缝 宽 受 刀 具 厚 度 限 制 ， 且 加 工 梯 形 缝 时 效 率 低 。 1 9 9 8年 激 光 割 缝 专 利 技 术 在 割 缝 筛 管 加 5 1 2 中 成 功 应 用 ． 加 工 原 理 是 用 激 光 束 焦 斑 照 射 到 钢 管 上 ， 材 料 瞬 间 熔 融 、 蒸 发 而 被 去 除 ， 当 光 束 和 钢 管 相 对 运 动 时 ， 在 管 体 上 割 出缝 来 。 激 光 割 缝 加 工 效 率 很 高 ． 1 0 s多 即 可 在 壁 厚 9 ． 1 9 mlT l 的 石 油 套 管 上 加 工 出 端 剖 面 为 等 腰 梯 形 、 锥 度 为 6 ～ 1 2 。 的 梯 形 缝 。激 光 加 工 的 割 缝 筛 管 在 油 田 生 产 中 广 泛 应 用 ， 但 加 工 耗 能 高 ， 有 污 染 。 还 有 一 些 加 工 方 法 ， 如 电腐 蚀 电 解 加 工 E 3 ] 、 电 热 蚀 电 火 花 加 工 ， 也 称 “ 等 离 子 加 工 ” ， 这 些 加 工 效 率 都 低 ． 不 能 加 工 锥 度 ≥6 。 的梯 形 缝 。 国外 ． 如 加 拿 大 的 GL、 REGE NT公 司 ， 一 直 采 用 铣 削 方 法 割 缝 。 铣 削 割 缝 具 有 耗 能 低 、 无 污 染 、 刀 具 可 重 磨 、 缝 表 面 粗 糙 度 值 较 低 尺 ≤6 ． 3 m 等 优 点 ， 但 缝 宽 受 刀 具 厚 度 限 制 ， 刀 具 少 时 ， 割 缝 效 率 低 。 为 此 ， 笔 者 研 制 出 石 油 筛 管 数 控 多 刀 铣 床 ， 以适 应 市 场 的 需 求 。 天津市滨海新区科技小巨人计划项 目 编号 2 0 1 2 一 X J R2 1 0 3 2 收稿 日期 2 O 1 4年 1 O月 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 造 [ J 1 ． 轴 承 ， 2 0 0 9 9 5 7 6 2 ． 李书平 ， 甘志 海 ， 杜 呖 ， 等． 曲轴润滑油孔及 连接法 兰孑 L 专 用钻床 的研制 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 1 0 4 1 5 1 1 5 2 ． 机 床设计手 册 编写组 ． 机床 设计 手册 第 3册 [ M] ． 北 京 机械工业出版社 ， 1 9 8 6 ． 成大先 ． 机械设计手册 [ M] ． 北京 化学工业 出版社 ， 2 0 0 2 ． 回 2 0 1 5 ／ 3 1 石 油筛 管数控 多刀铣床 结构 特点 石 油 筛 管 多 刀 铣 床 主 要 技 术 参 数 见 表 1 。 表 1 多刀铣床主要技术参数 刀轴数量 8 0 刀轴径 向跳动／ ram ≤O ．0 5 外缝最小宽度／ m m 0 ．2 5 刀轴箱 梯形缝锥度 ， 。 6～ 1 2 刀轴转 速／ r rai n 2 4 0 - 9 6 0 最 大移动速度／ mm mi n 8 0 控 制系统 数控轴数量 控制 3个直线轴 ， 1个旋转轴。 机床外形 长 L x 宽 Wx 高 尺 寸 ／ ra m 1 5 6 5 1 1 5 l 1 x 2 1 4 6 石 油 筛 管 数 控 多 刀 铣 床 的 结 构 特 点 如 下 。 1 1 5 ． 6 i n长 的 机 床 ， 8 0把 铣 刀 一 字 排 开 ， 能 同 时 对 1 2 IT I 长 的 整 根 石 油 套 管 沿 同 一 条 母 线 进 行 割 缝 ， 效 率 高 。伺 服 电 机 可 驱 动 8 0把 铣 刀 沿 套 管 轴 向位 移 ， 最 大 位 移 距 离 2 9 0 mm， 最 大 移 动 速 度 8 0 mm／ mi n。 2 1 2 m 长 的 导 向 平 键 可 使 各 个 铣 刀 轴 的 中 心 距 沿 着 石 油 套 管 轴 线 方 向调 整 ，满 足 不 同 缝 间 距 的 筛 管 加 工 。 3 铣 刀 轴 电机 通 过 变 频 调 速 ，使 铣 刀 转 速 可 根 据 工 艺 要 求 无 级 调 整 。 刀 轴 转 速 2 4 0 ～ 9 6 0 r ／ mi n 。 45组 连 体 楔 形 传 动 机 构 将 下 拖 板 的 水 平 驱 动 转 换 成1 4 m 长 的 动 力 滑 台 沿 垂 直 方 向 无 级 运 动 ． 带 动 8 0个 刀 轴 实 现 垂 直 进 退 刀 ， 垂 直 方 向行 程 2 0 0 mm。 [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] 濮 良贵 ， 纪名刚． 机械设计 [ M] ． 北京 高等教育出版社 ， 2 0 0 4 ． 金 属切削机床设 计编写组 ． 金 属切削机床 设计 [ M] ． 上海 上海科学技术出版社， 1 9 7 9 ． 顿涌泉 ， 吴鑫． 滚动轴承制造装备 [ M] ． 北京 机械 丁业 出版 社 ． 2 0 0 6 ． △ 编 辑 禾 禾 机械制造 5 3卷 第 6 0 7期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张 紧机构 同步带 轮传动 导轨 ▲图 1 刀轴箱结构 5数 控 系 统 主 机 采 用 高 性 能 3 2位 微 处 理 器 ， 配 备 9 ． 4 ” 高 分 辨 率 图 形 显 示 器 ， 全 封 闭 触 摸 式 操 作 键 盘 。 可 控 制 3个 直 线 移 动 轴 和 1个 旋 转 轴 ，石 油 套 管 可 实 现 3 6 0 。 无 级 回 转 与 数 控 分 度 。 2石油筛管数控 多刀铣床 主要结构分析 2． 1 刀 轴 箱 如 图 1所示 ， 刀 轴箱 装有 铣 刀轴 。 因为 在铣 缝过 程 中 ， 刀 具 轴 只 受 径 向 力 ， 故 前 轴 承 选 用 带 锥 孔 的 双 列 圆 柱 滚 子 轴 承 NN3 0 0 O K，旋 转 时 刀 轴 刚 度 变 化 较 小 ， 可 提 高 刀 轴 的 回 转 精 度 ， 延 长 薄 型 刀 片 厚 度 为 0 ． 3 mm 铣 刀 片 的 使 用 寿 命 。 为 了提 高 传 动 效 率 ， 缓 和 冲击 ， 吸 收 振 动 ，变 频 调 速 电 机 与 刀 轴 之 间 采 用 同 步 齿 形 带 传 动 。 滑 板 带 着 箱 体 及 刀 轴 通 过 导 向键 沿 导 轨 移 动 ，以 调 整 各 个 刀 轴 之 间 的 距 离 ， 满 足 不 同缝 间 距 的铣 缝 要 求 。 2 ． 2 连 体 楔 形 传 动 机 构 铣 削 切 割 装 置 ，上 面 装 有 8 0个 铣 刀 轴 及 箱 体 、 变 频 电 机 、 同 步 带 传 动 机 构 、 滑 板 、 纵 向 位 移 伺 服 电 机 、 螺 旋 传 动 机 构 等 ， 长 1 2 ． 1 5 4 m， 重 1 0 t多 ． 要 完 成 整 体 垂 直 上 下 进 刀 运 动 ， 难 度 很 大 ， 特 设 计 楔 形 传 动 机 构 ， 如 图 2所 示 5套 相 同 结 构 的 楔 铁 传 动 机 构 通 过 拉 杆 与 连 体 连 接 孔 固 定 连 接 ， 形 成 一 个 整 体 ， 由 伺 服 电机 和 螺 旋 传 动 机 构 带 动 ， 沿 套 管 轴 线 方 向 移 动 ， 从 而 带 动 上 楔 铁 及 铣 削 切 割 装 置 实 现 垂 直 方 向上 下 进 、退 刀 运 动 。结 构 简 单 ． 运 动 稳 定 。 2_ 3 防 倾 翻 装 置 8 0把 铣 刀 在 割 缝 过 程 中 会 产 生 很 大 的 翻 转 力 矩 ． 为 了 防 止 铣 削 切 割 装 置 发 生 倾 翻 ．沿 铣 削 切 割 装 置 的 长 度 方 向设 计 了 4套 相 同 结 构 的 防 倾 翻 装 置 ． 如 图 3 所 示 。 底 座 作 为 支 撑 基 础 ， 通 过 地 脚 螺 栓 与 地 面 固定 。 防 倾 翻 立 柱 安 装 在 底 座 上 ，铣 削 切 割 装 置 及 滑 块 沿 防 倾 翻 立 柱 上 的 导 轨 实 现 垂 直 方 向 的 进 、 退 刀 运 动 。 机械制造 5 3 卷 第 6 0 7 期 铣削切割 ▲图 2单个连体 楔形传 动机构结构 ▲图 3 单个防倾翻装置 翻立柱 底座 地 脚 螺 栓 孔 块 导轨 3 石油筛管数控 多刀铣床 加工精度检测 经 天 津 市 计 量 检 测 科 学 研 究 院 对 石 油 筛 管 数 控 多 刀 铣 床 的 加 工 件 进 行 检 测 ， 检 测 结 果 见 表 2 。 表 2测试结 果 技术指标／ mm 序 号 外缝宽实测值／ ram l 0 ． 2 8 9 2 0 ． 3 3 8 0． 3 0 ． 0 5 3 O ． 3 1 O 4 0 ． 3 2 0 5 0 _ 31 8 4结 论 1 石 油 筛 管 数 控 多 刀 铣 床 可 实 现 多 刀 加 工 ， 效 率 高 。 2刀 轴 中 心 距 可 调 整 ， 转 速 可 调 整 ， 操 作 方 便 。 参 考 文 献 [ 1 ] 杨贺来 ， 巩万安 ， 孙善平． 厚 壁长筒管子开缝 机[ P ] ． 中国专 矛 U C N 9 2 2 2 5 9 2 2 ． 4 ． 1 9 9 2 0 6 3 0 ． [ 2 ] 杨贺来． 组合式 多工位厚壁长筒管切缝 机 [ P ] ． 中国专利 C N9 3 2 4 2 6 7 4 ． 3． 1 9 9 3 1 0 2 7 ． 2 0 1 5 ／ 3 画 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 一 种 新 型 自 动 砂 轮 切 割 机 的 设 计 与 研 究 口陈晖 口王焕峰 口田新昊 东北林业大学 机电工程学院 哈尔滨 1 5 0 0 4 0 摘要 针 对 市场 对便 携 式切 割 机 的 需求 ， 研 制 出利 用砂 轮 片 作 为切 割 刀 具 的 自动 化 切 割 机 设备 。 它 可 以 实现 对 各 种 形状和材质 的工件切割 ， 采用 P L C与单片机相 结合 的控制 方式 ， 提 高了切割质量一致性和切割效率 。设计 了手持控 制和 冷却 系统 ， 通过 对切割机在理想工作状态下应力仿真分析 ， 为控制 系统选择切割参数提供理论指导 。 关键词 自动化切割P L C控制系统仿真分析 中图分类号 T H1 2 2 文献标 识码 A 文章编号 1 0 0 0 4 9 9 8 f 2 0 1 5 0 3 0 0 1 2 0 3 材 料 切 割 是 加 工 方 式 中不 可 或 缺 的 ，不 同 时 代 对 切 割 机 提 出 不 同 的 加 工 要 求 。 目前 使 用 的切 割 机 主 要 是 针 对 金 属 切 割 ， 切 割 模 式 单 一 ， 切 割 过 程 中 需 要 操 作 人 员 凭 经 验 掌 控 ， 造 成 切 割 效 率 较 低 ⋯。为 满 足 加 工 需 要 ， 制 造 设 计 了 新 型 自动 化 切 割 机 ， 从 而 满 足 切 割 速 度 快 、 切 割 质 量 好 、 切 割 成 本 低 、 切 割 数 量 大 的 需 要 。 1 基本构成 自动 化 切 割 机 由机 械 系 统 和 控 制 系 统 组 成 ．机 械 系 统 主 要 由 切 割 机 构 、 进 给 机 构 、 旋 转 机 构 、 夹 具 、 冷 却 系 统 和 机 体 等 组 成 控 制 系 统 采 用 P L C 与 单 片 机 相 结 合 的 控 制 方 式 。 机 械 系 统 总 成 如 图 1所 示 。 1 ． 1 切 割 机 构 设 计 切 割 机 构 中 主 电 机 放 置 在 转 动 机 架 平 台 上 ． 主 电 机 选 择 三 相 异 步 电 动 机 ，通 过 胶 带 传 动 和 齿 轮 传 动 ， 驱 动 砂 轮 实 现 切 割 工 作 。 一 对 耳 座 分 别 安 装 在 转 动 机 架 和 基 座 机 体 上 ．连 接 耳 座 的 是 电 动 螺 杆 伸 缩 机 构 [ 3 3 。 利 用 伸 缩 机 构 ， 改 变 伸 缩 连 杆 长 度 ， 使 切 割 砂 轮 实 现 一 定 角 度 的 旋 转 运 动 。 为 适 应 多 种 材 料 的 切 割 需 要 ， 主 电 机 需 要 输 出 不 同 的 切 割 转 速 ． 可 以 应 用 P L C 对 主 电 机 进 收稿 日期 2 0 1 4年 9月 行 变 频 调 速 控 制 ， 实 现 主 电 机 转 速 在 2 0 0 ～ 3 0 0 0 r ／ mi n 的转 换 。 伸 缩 机 构 通 过 控 制 电 动 螺 杆 电机 ， 实 现 伸 缩 连 杆 长 度 的 变 化 ，从 而 改 变 切 割 过 程 中 砂 轮 片 与 工 件 之 间 的 相 迎 角 。 自动 化 切 割 能 够 大 幅 降 低 操 作 人 员 的 劳 动 强 度 ． 切 割 质 量 不 再 仅 仅 依 靠 操 作 人 员 的 经 验 ． 减 少 了 由 操 作 失 误 造 成 的不 必 要 浪 费 。 1 ． 2整 体 构 成 进 给 机 构 由 工 作 平 台 、横 向 进 给 机 构 和 纵 向 进 给 机 构 组 成 ， 工 作 台 为 梯 形 槽 工 作 台 ， 在 梯 形 槽 上 可 以 安 装 各 种 夹 具 ， 通 过 夹 具 夹 紧 工 件 ⋯。针 对 不 同 型 材 和 不 规 则 形 状 工 件 ． 设 计 不 同 的 夹 具 ． 这 样 既 能 保 证 合 理 夹 紧 工 件 ， 又 能 保 证 夹 紧 效 果 。 丝 杠 螺 母 机 构 实 现 工 作 台 的 横 向 和 纵 向 进 给 ， 横 [ 3 ] 谭作仁 ， 芦旭 ， 张守忠， 等． 采油筛管 的电化学 与机 械复合加 工方法及设 备[ P ] ． 中国专利 C N 9 1 1 1 0 9 8 4 ． 6 ， 1 9 9 3 0 6 2 3 ． [ 4 ] 刘永红． 电火花加 工微缝筛管 [ J ] ． 现代制造 工程 ， 2 0 0 6 8 6 7-6 8． [ 5 ] 刘 永红， 李 小朋 ， 纪仁杰， 等． 复合缝 腔割缝筛管 的加工 设备 2 0 1 5 ／ 3 岛 e [ P ] ． 中国专利 C N1 0 1 0 8 8 6 8 9 A， 2 0 0 7 1 2 1 9 ． [ 6 ] 陈静 ， 杨锐 ， 数 控割缝筛管 多刀铣床 [ P ] ． 中国专利 C N 2 0 0 2 1 2 2 2 ． 3， 2 0 1 1 - 0 9 0 7 ． △ 编 辑 小 前 机械制造 5 3卷 第6 0 7 期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m