徐勇， 孫興偉

（沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110870）

0 引 言

鉆具穩(wěn)定器是石油鉆井平臺(tái)中常用的機(jī)械工具，能起到在鉆直井時(shí)防止井斜、鉆定向井時(shí)控制井眼軌跡的作用［1］。由于穩(wěn)定器的特殊結(jié)構(gòu)及深井和超深井的苛刻鉆井條件使得穩(wěn)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(qiáng)化方式等減少穩(wěn)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(wěn)定器，是一個(gè)亟待研究的課題［2］。為此結(jié)合沈陽工大科技開發(fā)有限公司和沈陽工業(yè)大學(xué)專用數(shù)控機(jī)床開發(fā)中心等的實(shí)際情況，改造了一種加工多種類型的鉆具穩(wěn)定器專用數(shù)控機(jī)床，并設(shè)計(jì)了包括加工參數(shù)輸入、工件精度分析、運(yùn)動(dòng)干涉判定、實(shí)時(shí)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(nèi)的完整數(shù)控加工自動(dòng)編程系統(tǒng)［3］。

圖1 運(yùn)動(dòng)關(guān)系示意圖

1 鉆具穩(wěn)定器加工運(yùn)動(dòng)關(guān)系分析

1.1 穩(wěn)定器與銑刀的坐標(biāo)變換

建立穩(wěn)定器和銑刀坐標(biāo)系，如圖1所示，來描述穩(wěn)定器和盤銑刀的實(shí)際運(yùn)動(dòng)關(guān)系。圖中銑刀與穩(wěn)定器的相對(duì)位置是加工右旋穩(wěn)定器的位置。設(shè)定穩(wěn)定器坐標(biāo)系是oxyz，刀具坐標(biāo)系是O-XYZ。銑刀相對(duì)穩(wěn)定器有一定的安裝角 δ［4］。

根據(jù)圖1，把O-XYZ變換到o-xyz坐標(biāo)系的變換關(guān)系式為

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

1.2 工件模型

圖2所示為所加工工件的結(jié)構(gòu)示意圖。在加工螺旋面的生產(chǎn)實(shí)際中，往往己知其端面截形或軸向截形，本鉆具穩(wěn)定器在實(shí)際加工中，已知截面廓形和螺旋參數(shù)的圓柱型螺旋面。當(dāng)螺旋面在xoy平面上的端截形時(shí)，z0（u）=0［5］。設(shè)其端截面參數(shù)方程為

由式（2），可知其螺旋面方程為

其中：p 為螺旋參數(shù)，P=p/2π，右旋螺旋面時(shí)取“+”，左旋螺旋面時(shí)取“-”；P為螺旋面導(dǎo)程。

圖2 工件的結(jié)構(gòu)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(jī)床在銑削加工階段，機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)是銑刀的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因?yàn)楣ぜ枰谐^多材料，又要通過增加背吃刀量減少切削次數(shù)，故銑刀需要承載較大的切削力，因此選用端銑刀盤和可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片。兩側(cè)切削刃的回轉(zhuǎn)表面是由圓環(huán)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(huán)面包絡(luò)而成。即刀片兩側(cè)刃只參與切削，不參與包絡(luò)。因此，刀具的數(shù)學(xué)模型，如圖3所示［6］。

圖3 圓環(huán)面端形銑刀模型

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了便于軟件的擴(kuò)展和維護(hù)，本自動(dòng)編程系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)思想。相比于VC，C++Builder把可視化和面向?qū)ο筝^好地結(jié)合起來，大大地簡(jiǎn)化了開發(fā)過程。系統(tǒng)中對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)和包裝，使其具有較好的可視化效果。在上述研究的基礎(chǔ)上，可輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)和圖形。本編程系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)模塊［7］：

1）加工參數(shù)輸入。通過調(diào)用工藝數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)或手動(dòng)輸入工件參數(shù)、刀具參數(shù)、切削用量參數(shù)和編程精度參數(shù)等。

2）實(shí)時(shí)圖形顯示。對(duì)二維圖等的圖形顯示，可以方便地了解工件參數(shù)定義、直觀地檢驗(yàn)輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)是否正確，減小用戶輸入?yún)?shù)時(shí)出錯(cuò)的可能性。

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

4）加工仿真。對(duì)三維模型進(jìn)行加工仿真，驗(yàn)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(dòng)生成數(shù)控G代碼程序。

3 參數(shù)的輸入與處理

常用鉆具穩(wěn)定器為直棱和螺旋型，工件和刀具類型和參數(shù)各不相同，通過上述分析，對(duì)鉆具穩(wěn)定器加工而言，分別輸入各自參數(shù)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程。基于C++Builder開發(fā)的自動(dòng)編程系統(tǒng)參數(shù)輸入界面如圖 4 所示［8］。

圖4 銑削工藝參數(shù)輸入界面

系統(tǒng)將對(duì)加工軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行文字處理以及模塊化數(shù)控程序生成等操作，并輸出數(shù)控代碼，如圖5所示。還能對(duì)程序添加入庫(kù)，方便日后調(diào)用。

圖5 數(shù)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(huán)境下編制的。此軟件還可以運(yùn)用到多槽的加工，具有較強(qiáng)的通用性。將生成的數(shù)控加工程序傳入鉆具穩(wěn)定器專用數(shù)控機(jī)床，就可以加工出相應(yīng)的穩(wěn)定器。

4 結(jié) 論

鉆具穩(wěn)定器專用數(shù)控機(jī)床的自動(dòng)編程系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過人機(jī)界面輸入?yún)?shù)，調(diào)用工藝數(shù)據(jù)庫(kù)或手動(dòng)輸入自動(dòng)生成NC代碼，編程效率較高，并且便于功能擴(kuò)展。經(jīng)公司的實(shí)際生產(chǎn)證明，對(duì)鉆具穩(wěn)定器專用數(shù)控機(jī)床自動(dòng)編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了鉆具穩(wěn)定器加工精度和加工效率的進(jìn)一步提高。

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

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

［3］ 王可.復(fù)雜異形螺旋曲面無瞬心包絡(luò)銑削理論及應(yīng)用技術(shù)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2003.

［4］ 王娜.螺桿包絡(luò)銑削用盤銑刀結(jié)構(gòu)改進(jìn)及參數(shù)研究［D］.沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué)，2007.

［5］ 樊開富.加工螺旋槽用可轉(zhuǎn)位盤銑刀設(shè)計(jì)研究［D］.大連：大連理工大學(xué)，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(yè)大學(xué)，2014.

［7］ 陳欣，牛連強(qiáng)，馮海文.異形螺桿包絡(luò)銑削仿真與自動(dòng)編程系統(tǒng)研究及設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代制造工程，2005（4）：8-11.

［8］ 吳勤.正多邊形截面數(shù)控磨削自動(dòng)編程系統(tǒng)研究與開發(fā)［D］.長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012.