摘 要：為進一步降低鉆桿振動過程中磨損，采用白色聚氟乙烯粉末與鎳粉提高增加鉆桿的剛度和強度，并在鉆桿縱-扭耦合振動動力學模型的基礎(chǔ)上進行合理性假設(shè)，建立鉆桿扭轉(zhuǎn)振動微分方程。實驗結(jié)果表明，鉆桿的操作頻率接近固有頻率時，其容易引發(fā)共振現(xiàn)象，從而導致振動幅度的增大，且當聚氟乙烯粉末與鎳粉覆蓋在鉆桿表面上時，不同固有頻率下的鉆桿質(zhì)量損失均小于無有機材料覆蓋的鉆桿。當鉆桿旋轉(zhuǎn)并與巖石發(fā)生磨損時，外層的高硬度白色聚氟乙烯粉末與鎳粉作為硬質(zhì)相具有優(yōu)異的抗變形能力，從而減少鉆桿振動過程中的磨損。

關(guān)鍵詞：深孔加工；鉆桿振動；固有頻率；主振型；聚氟乙烯

中圖分類號：TQ050.4 + 3 文獻標志碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0059-04

Application and vibration dynamics analysisof composite coated drill pipe in deep hole processing

ZHANG Jianjun 1 ，SUN Huanqiao 2

（1. Yantai Vocational College，Yantai 264670，Shandong China；2. Qingdao University，Qingdao 266071，Shandong China）

Abstract：In order to further reduce the wear during the vibration of the drill pipe，white polyvinyl fluoride powderand nickel powder were used to increase the stiffness and strength of the drill pipe，and the rationality assumptionwas made on the basis of the longitudinal-torsional coupling vibration dynamic model of the drill pipe，and the differ?ential equation of torsional vibration of the drill pipe was established. The experimental results showed that whenthe operating frequency of the drill pipe was close to the natural frequency，it was easy to cause resonance，whichlead to the increase of vibration amplitude，and when the polyvinyl fluoride powder and nickel powder were coveredon the surface of the drill pipe，the mass loss of the drill pipe at different natural frequencies was less than that ofthe drill pipe without organic material covering. When the drill pipe rotated and wear with the rock，the outer layerof high-hardness white polyvinyl fluoride powder and nickel powder had excellent deformation resistance as a hardphase，thereby reducing the wear during the vibration of the drill pipe.

Key words：deep hole processing；drill pipe vibration；natural frequency；main vibration mode；polyvinyl fluoride

深孔加工在機械制造行業(yè)占有至關(guān)重要的地位，特別是在高精度、高表面質(zhì)量的場合 [1] 。工程中的油桿孔、軸向油孔、液壓閥孔等均屬于深孔，其孔的長度和孔的直徑比值大于6 [2] 。深孔加工的過程中，由于被加工材料切削加工的性能比較差，這導致深孔加工實際生產(chǎn)中面臨巨大的挑戰(zhàn) [3] 。如建立了鉆桿縱-扭耦合振動的動力學模型 [4] 。對微量潤滑條件下BTA鉆桿振動特性進行研究 [5] 。研究了刀具和主軸振動對精密切割CFRP材料的影響 [6] 。使用有機材料覆蓋鉆桿表面，其可以確保在不增加鉆桿質(zhì)量的前提下提高鉆桿的強度和剛度 [7] 。鎳粉具有良好的耐磨性和減振性，使其在減少鉆桿深孔加工中的振動發(fā)揮著重要作用。扭轉(zhuǎn)振動作為深孔加工鉆桿的主要振動形式 [8] ，通過提出合理性假設(shè)，構(gòu)建鉆桿扭振的動力學微分方程。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合具體的案例給出深孔加工鉆桿的固有頻率和主振型，期待對降低深孔加工鉆桿的扭轉(zhuǎn)振動提供參考。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用復(fù)合有機材料為聚氟乙烯（PTFE）與鎳粉。聚氟乙烯為白色粉末狀部分結(jié)晶性聚合物，購自山東齊氟新材料有限公司。實驗所用鎳粉為鎳含量為10%的鎳粉。所用實驗鉆桿采用45鋼制造，材料性能見表1。

1.2 深孔加工中鉆桿用復(fù)合材料制備

深孔加工中鋁合金鉆桿為7075級，外徑146 mm，壁厚13 mm，高度60 mm。為進一步提高鋁合金鉆桿的剛度和強度，將白色聚氟乙烯粉末與鎳粉（質(zhì)量比為1∶3）進行混合，利用激光技術(shù)覆蓋在鋁合金鉆桿表面，確保鉆桿具有良好的振動吸收效果。在試驗開始前，鎳粉在150 ℃的溫度下進行2 h的真空干燥。激光熔覆工藝使用流量為15 L/min、純度超過99.9%的CO 2 多功能CNC激光加工設(shè)備進行。該設(shè)備由光纖激光器、控制系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)組成。激光型號為JNM-1GY-300B Nd：YAG [9] 。

采用激光對鋁合金鉆桿的表層進行加熱直至熔融，采用同步送粉的方法，在激光束的作用下實現(xiàn)對聚氟乙烯和鎳粉末的快速噴射。隨著鋁合金的凝固和冷卻，可以在鉆桿外部表面生成涂層 [10] 。和普通的鉆桿相比，有機材料良好的耐腐蝕性能使得鉆桿在復(fù)雜環(huán)境下的使用壽命得到了顯著的延長 [11] 。為了解深孔加工中鉆桿的振動特性，建立鉆桿扭轉(zhuǎn)振動微分方程。采用該深孔加工鉆桿系統(tǒng)加工孔徑為55 mm的工件，切削液的黏度為32×10 -6 m 2 /s。

1.3 測試儀器及方法

在進行鉆桿磨損試驗后，沿垂直包覆層的表面切割試樣。使用粒度分別為#600、#1 000、#2 000和#5 000的砂紙對切割表面進行平滑和拋光處理。隨后，使用HV1000微維氏硬度計以1 kg的負載和15 s的加載時間對試樣進行硬度測試。

為模擬鋁合金鉆桿在井中的實際鉆進條件，測量激光熔覆層的耐磨性，利用鉆桿磨損試驗臺進行耐磨試驗。試驗選用花崗巖作為巖樣，巖石轉(zhuǎn)速為40 r/min，圓周力為500 N。為模擬鉆桿在井下的實際工作環(huán)境，試驗過程中用鉆井液不斷沖洗接觸部分，選擇水作為鉆井液。每個測試周期為30 min。通過測量試驗前后的質(zhì)量損失來評估耐磨性。為盡量減少測試誤差，每組測量3次，取平均值，并進一步探究不同固有頻率條件下，有無有機材料覆蓋對鉆桿的耐磨影響。

1.4 鉆桿縱-扭耦合振動動力學模型

為了解深孔加工中鉆桿的振動特性，結(jié)合工程實際進行合理性假設(shè) [12] ，即鉆桿的變形在線彈性范圍之內(nèi)，滿足胡克定律；鉆桿為圓桿件或者圓環(huán)桿件，同時不考慮溫度變化對鉆桿振動的影響；不考慮鉆桿的剪切力對鉆桿變形所造成的影響；鉆桿中有機材料均勻分布，有機材料對鉆桿振動特性的影響通過等效彈性模型和等效密度來表示。

在深孔加工的過程中，鉆桿發(fā)生縱-扭組合變形，即縱-扭耦合振動，構(gòu)建鉆桿縱-扭耦合振動簡化模型，如圖1所示 [13] 。

由圖1可知， U 為鉆桿縱向移動的線位移， ? 為鉆頭周向轉(zhuǎn)動的角位移， M 為鉆桿底部鉆具的質(zhì)量，I 為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量， K 1 為鉆桿縱向剛度， C 1 為鉆桿縱向阻尼系數(shù)， K 2 為鉆桿周向扭轉(zhuǎn)剛度， C 2 為鉆桿周向扭轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)。設(shè)深孔加工鉆桿的輸入扭矩為T 0 ， W 為鉆桿的磚頭所受到的縱向力， T 為鉆桿的鉆頭所受到的扭矩，那么深孔加工鉆桿縱-扭耦合振動的動力學方程為 [14]深孔加工中鉆桿和工件孔軸線重合，在2個同軸轉(zhuǎn)動的圓柱體之間定長流動，且液體為牛頓流體。設(shè)D 為工件的孔徑， μ 為切削液動力黏度。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉆桿振動條件下的顯微硬度變化

通過對鉆桿固有頻率和主振型的分析可以選擇合適的鉆桿材料和幾何參數(shù)，實現(xiàn)對深孔加工過程的優(yōu)化 [18] 。因此依次測試鉆桿在振動條件下的鋁合金基體、細晶粒區(qū)、粗晶粒區(qū)和熔覆層的顯微硬度 [18] ，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，鋁合金基體的硬度為170 HV，粗粒區(qū)和細粒區(qū)的硬度分別為128 HV和148 HV，分別比基體硬度低24.7%和12.9%。而覆層的表面硬度可達783 HV，是基體硬度的 4.6 倍。聚氟乙烯的主要成分為氟和碳，與鎳粉的化學性質(zhì)相似。聚氟乙烯和鎳粉反應(yīng)可分為物理結(jié)合、化學結(jié)合、熱處理3個階段。當鉆桿旋轉(zhuǎn)并與巖石發(fā)生磨損時，外層的高硬度白色聚氟乙烯粉末與鎳粉作為硬質(zhì)相具有優(yōu)異的抗變形能力，從而減少鉆桿振動過程中的磨損。且過渡層和鋁合金基體作為軟相，可以緩沖實驗過程中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力。

2.2 不同固有頻率下的鉆桿耐磨性能

為進一步探究有機材料覆蓋在鉆桿表面，對鉆桿振動過程中的耐磨性能，進行不同固有頻率下的鉆桿質(zhì)量損失研究，試驗結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當聚氟乙烯粉末與鎳粉覆蓋在鉆桿表面上時，不同固有頻率下的鉆桿質(zhì)量損失均小于無有機材料覆蓋的鉆桿。固有頻率較小時，鉆桿的質(zhì)量損失均較小。當固有頻率為221 Hz時，有機材料覆蓋與無有機材料覆蓋的質(zhì)量損失變化差距較小，主要原因為由于聚氟乙烯的分子主鏈上有大量氟原子，使其表面生成一層致密的氧化膜。其次是聚氟乙烯中含有氟元素，使得在強酸中溶解后，與鎳粉發(fā)生化學反應(yīng)，生成NiF 6+ ，進一步與氟化氫反應(yīng)生成NiF 6+和F - 。經(jīng)過以上2個階段，鉆桿表面會形成一層致密的氧化膜，可以提高鉆桿的耐磨性能。

隨著固有頻率增加，質(zhì)量損失雖有增加，但增幅較小。固有頻率為884 Hz時，有機材料覆蓋與無有機材料覆蓋的質(zhì)量損失分別為0.09 g與0.11 g，較固有頻率221 Hz分別增加0.07 g和0.082 g。但當固有頻率為1 105 Hz時，質(zhì)量損失增幅突然增加，有機材料覆蓋與無有機材料覆蓋的質(zhì)量損失為0.11 g與0.22 g，質(zhì)量損失遠高于固有頻率221 Hz。在高溫下，聚氟乙烯和鎳粉之間發(fā)生化學反應(yīng)。首先是聚氟乙烯中的氟與鎳粉發(fā)生反應(yīng)生成一層致密的氧化物膜，該膜對鉆桿起到一定的保護作用；其次是NiF 6+ 與氟化氫反應(yīng)生成一層致密的氧化物膜（NiF 2 ），該膜起到一定的保護作用；最后是聚氟乙烯和鎳粉之間發(fā)生反應(yīng)生成一層致密的氧化物膜（NiO），該膜對鉆桿起到一定的保護作用 [19] 。

2.3 鉆桿固有頻率變化分析

根據(jù)深孔加工中鉆桿扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 ω n和主振型 X （ ） x ，求得鉆桿扭轉(zhuǎn)振動前6階扭振固有頻率，結(jié)果如表2所示。同時畫出固有頻率對應(yīng)的主振型，結(jié)果如圖5所示。

由鉆桿扭振前6階固有頻率和其對應(yīng)的主振型可知，鉆桿的固有頻率決定了其在不同振動模式下的響應(yīng)特性。當鉆桿的操作頻率接近固有頻率時，其容易引發(fā)共振現(xiàn)象，從而導致振動幅度的增大。深孔加工中鉆桿振動幅度的增大不僅會影響加工精度，同時還容易導致鉆頭過早磨損或者損壞。根據(jù)鉆桿扭振主振型可知，不同階的主振型反映了鉆桿在振動過程中的不同形態(tài)和節(jié)律。第1階主振型顯示了整個鉆桿在低頻率下的整體扭振，而高階主振型顯示了鉆桿在更高頻率下的復(fù)雜振動模式，這對設(shè)計鉆桿的減震措施至關(guān)重要。對深孔加工鉆桿的設(shè)計可以考慮調(diào)整鉆桿的幾何參數(shù)以及選擇合理的鉆桿材料，有效避免深孔加工鉆桿的操作頻率和固有頻率接近 [20] 。

3 結(jié)語

深孔加工中鉆桿振動形式錯綜復(fù)雜，扭振是鉆桿振動的主要形式，直接影響了深孔加工的精度和效率。白色聚氟乙烯粉末與鎳粉的高彈性模量和低密度使得鉆桿質(zhì)量減少，剛度和強度增加，提供了優(yōu)良的減振效果。通過對鉆桿表面的處理，涂覆白色聚氟乙烯粉末與鎳粉，有效提高了深孔加工鉆桿的耐磨性和減振性能，延長了鉆桿的使用壽命。所建立的深孔加工鉆桿振動動力學模型對設(shè)計鉆桿減振裝置具有一定的參考價值。

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（責任編輯：平 海）