螺旋钻铤数控机床.docx
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螺旋钻铤数控机床
摘 要
螺杆泵是近十几年来发展起来的,由于螺杆泵具有结构简单、投资少、节能效果明显以及适应性强等优点而倍受国内外油田重视,已广泛应用于石油,化工等机械领域。
目前国内外公知的螺杆钻具定子的加工方法是将橡胶浇铸在定子壳体光滑内壁形成的,橡胶衬套的内表面是螺旋曲面。
橡胶衬套厚薄不均,螺杆钻具定子在工作时,容易导致定子过早失效,从而缩短了螺杆钻具的使用寿命,因此,如何提高螺杆钻具定子橡胶寿命,成为当前螺杆钻具应用研究领域中的主要难题之一。
大量文献数据和研究资料表明,通过合理改变定子壳体的形状,使定子橡胶层薄且均匀,以克服常规螺杆钻具定子技术的不足,能有效地改善螺杆钻具的工作环境,提高其使用寿命。
通过对等壁厚螺杆泵定子的螺旋槽曲线的研究,提出了螺旋槽的加工方法,以及借鉴龙门刨床的工作原理与前辈所设计的机床工作原理相结合,提出了螺旋槽加工专用机床的总体设计方案。
首先,本论文介绍了螺杆泵的应用及发展趋势,分析了研究的必要性,从而提出了本文的设计目的、内容、意义。
其次,本文根据所要加工工件的尺寸和重量,来确定床身和工作台的设计方案,在此基础上设计了其加工装置、润滑系统以及机床附件。
最后,通过与组员的配合对实际情况进行了分析,完成螺旋槽加工专用机床的整体装配图,以此完成了其床身的总体装配图、床身与工作台的零件图以及润滑系统装配图。
关键词:
螺杆泵;螺旋槽;工作台;机床
Abstract
Screwpumpisdevelopedinthelastdecade,duetoscrewwithasimplestructure,lowinvestmentandenergy-savingeffectandtheadvantagesofadaptabilityandmuchemphasisondomesticandforeignoil,hasbeenwidelyusedinpetroleum,chemicalindustrymachinery.
Publiclyknownathomeandabroadscrewholeofthestatorrubberprocessingmethodistocastthestatorhousingwalltoformasmooth,rubberliningtheinnersurfaceofthespiralsurface.Uneventhicknessofrubberbushings,screwdrillthestatorinthejob,easilyleadtoprematurefailureofthestator,thusshorteningthelifeofthescrewhole,therefore,howtoimprovethelifeofstatorrubberscrewdrillhasbecomethescrewdrillfieldofapplicationofoneofthemainchallenges.Alargenumberofliteraturedataandresearchdatashowthatchangesinthestatorhousingthroughreasonableshape,sothatthestatorrubberthinandeven,toovercomethegenerallackoftechnology,thestatorscrewdrill,screwdrillcanimprovetheworkingenvironment,improveitsservicelife.
Screwthroughthestatorwallthicknessofsuchcurvesofspiralgroove,spiralgrooveproposedprocessingmethods,andreferenceworksplanerdesignedwiththeoldermachineworksbycombiningthespiralgroovemachiningSpecialPurposeMachinetheoveralldesign.
First,thepaperintroducestheapplicationanddevelopmenttrendofthescrewpump,thenecessityofthestudy,whichmadethedesignpurposeofthisarticle,content,meaning.
Secondly,accordingtothesizeandweightoftheworkpiecetodeterminethebedandtabledesign,designedonthebasisofitsprocessingunits,lubricationsystems,andmachinetoolaccessories.
Finally,theco-ordinationwithteammembersanalyzedtheactualsituation,completethespiralgroovemachiningassemblydrawingtheoverallspecialmachinetools,inordertocompleteitsgeneralassemblydrawingbed,bedandtablepartsassemblydiagrams,andlubricationsystemsFig.
Keywords:
ScrewPump;Spiralgroove;table;Machine
第1章绪论
螺杆钻具又称定排量马达(PositiveDisplace2mentMotor,简写PDM),是一种容积式井下动力钻具。
螺杆钻具由马达总成、旁通阀、万向轴总成和传动轴总成组成。
它通过泥浆挤压内转子与定子之间的密封腔推动转子自转,经万向轴的转换,把行星转动变为轴心转动,带动钻头旋转,即把泥浆的液力能通过螺杆转换成机械能,从而给钻头提供转速和扭矩,进行钻进。
螺杆钻具结构简单、性能可靠,是理想的井下动力钻具,已广泛应用于定向井、丛式井、长中短半径水平井、大位移井和分支井。
等壁厚螺杆钻具定子散热性能好,可以减缓橡胶的热老化,可以进一步提高螺杆泵的使用寿命。
但定子内部螺旋槽的加工是一项比较复杂而困难的工作。
因为螺旋槽的等分、槽形尺寸以及表面光洁度均有比较高的要求。
采用螺旋拉刀加工这类螺旋槽,不但生产率高,而且能大大减轻劳动强度,螺杆钻具的质量也能得到可靠的保证。
1.1螺杆泵应用及国内外发展现状
螺杆钻具是目前最广泛使用的一种井下动力钻具,主要用于定向井、水平井的造斜及扭方位施工,一部分也用于直井反扣或侧钻作业中。
美国50年代中期开始研制螺杆钻具,1962年用于生产,不同厂家生产的有迪纳钻具公司、纳维钻具公司和波斯钻具,其基本原理都是基于容积式马达,只是内部结构和技术参数略有不同。
至80年代中期,美国的迪纳钻具已发展成两个系列10种规格,纳维钻具有两个系列14种规格。
随着配套部件质量的提高,螺杆钻具工作寿命从原来的30-40h,提高到100h以上,1980年在美国俄克拉荷马州创造了连续运转429h的新记录。
前苏联1966年开始研制螺杆钻具,到1984年螺杆钻具累计进尺达150*10000m,1991年螺杆钻具钻进量占全苏工作量的7.5%。
近10年来,随着水平井、径向井、分支水平井的大量涌现,螺杆钻具的发展也产生了质的飞跃。
在美国和西欧,几乎90%的大、中曲率半径水平井的定向造斜和水平井段都是由螺杆钻具钻成,导向钻井系统已成了定向井中公认的标准化专用工具,出现了许多新型的专用螺杆钻具。
我国的螺杆钻具生产在80年代中后期才形成一定规模,目前,常规螺杆钻具已规格化系列化,各主要厂家如大港、北京、德州、潍坊的产品已覆盖国内绝大部分市场。
某些厂家也已着手研制小径螺杆、铰接螺杆、中空螺杆等一些专用产品,并取得一定的成果,但在工作寿命、易损件耐磨性、特种螺杆的设计制造等方面与国外有一定的差距。
螺杆钻具应用到今天,逐步向多元化、专业化方向扩展,一些专用螺杆钻具在某些特殊领域具有重要的使用价值,更经济有效地进行钻井。
常规螺杆在内部结构上改进主要是为了提高螺杆钻具的使用寿命。
为达到这一目的,各研究机构和生产厂家在设计和制造工艺上做了大量的工作,不但实验了许多新型耐用材料,对定子橡胶、轴承材料有所改进,并研制了有旁通孔结构的空心转子,使用了闭式油润滑支承节和聚晶金刚石轴承,发展了带减速器的低速大扭矩螺杆,这些方面都是常规螺杆提高工作寿命的发展方向。
等壁厚螺杆泵定子和常规螺杆泵定子结构如图1-1所示。
图1-1等壁厚螺杆泵定子和常规螺杆泵定子结构
1.2本课题研究的目的
目前国内外公知的螺杆钻具定子的加工方法是将橡胶浇铸在定子壳体光滑内壁形成的,橡胶衬套的内表面是螺旋曲面。
橡胶衬套厚薄不均,螺杆钻具定子在工作时,容易导致定子过早失效,从而缩短了螺杆钻具的使用寿命,因此,如何提高螺杆钻具定子橡胶寿命,成为当前螺杆钻具应用研究领域中的主要难题之一。
为了适应不断发展的采油工艺技术,出现了很多形式结构的螺杆泵,等壁厚定子螺杆泵就是以其寿命长、启动力矩小、应用范围广等优点而具有长远的市场前景,所以国内外许多公司都在极力进行等壁厚定子螺杆泵的开发研究。
大量文献数据和研究资料表明,通过合理改变定子壳体的形状,使定子橡胶层薄且均匀,以克服常规螺杆钻具定子技术的不足,能有效地改善螺杆钻具的工作环境,提高其使用寿命。
所以需要设计一款螺旋槽加工专用机床。
本文围绕着螺旋槽加工专用机床床身、润滑系统及加工装置的设计进行讨论。
1.3本课题的研究内容
从螺杆钻具的原理可知,该螺杆钻具定子内孔螺旋线不同于普通螺纹中的梯形螺纹、三角螺纹等。
螺杆钻具定子属于典型的细长杆件,刚性差,极易发生弯曲变形;螺杆螺距很大,加工中需要较低的主轴转速和较高的刀具速度。
由于螺杆钻具生产类型属于批量生产,所以组织生产时,除保证零件的加工精度,提高生产效率外,还需要保证零件的互换性。
根据螺旋曲线结构的特殊性,我们可把螺旋曲线加工工艺分为3类。
第1类是利用金属切削加工方法加工螺旋曲线,如车螺旋线、铣螺旋线等;第2类是利用金属变形加工方法加工螺旋曲线,如螺旋线滚丝轮、螺旋线搓丝轮、挤压丝锥和螺旋线滚压头等;第3类是成型工艺方法加工曲线,如机械成型和铸造成型。
螺杆钻具定子内孔螺旋曲线的机械成型本质是加工工具在定子内孔对定子施加作用力,使接触处的定子内壁产生局部失稳变形,工具压入产生相应形状的压力变形,之后在工具与被加工定子内壁之间产生一对轴向和周向运动,这样便会在管材表面产生连续的压入变形,从而使定子内孔螺旋曲线得以成型。
本课题最终确定以刨削来加工工件,从而提出了螺旋槽加工专用机床的设计方案。
等壁厚螺杆泵定子三维结构如图1-2所示。
图1-1等壁厚螺杆泵定子和常规螺杆泵定子结构
我国目前等壁厚螺旋槽的生产大多是使用拉削加工,精铸工艺加工,铣削加工。
拉削加工对于加工大批量的零件具有加工精度高,加工效率高等显著特点,其过程平稳、顺利,加工后的孔径尺寸精度平稳,但在加工过程中拉刀需要沿着螺旋曲线向前运动,所以其运动较为复杂,而且拉刀结构复杂、制造成本高、热变形较大。
精铸工艺加工可以对定子一次成型,其主要工艺包括:
制造砂芯、制造铸型、浇注。
虽然精铸工艺加工可以实现快速成型,但对设备和加工工艺要求很高,就现有条件来说很难实现。
而铣床铣削,保证了加工表面的粗糙度,但其加工效率非常低,降低了工件的生产速度,使生产成本提高。
所以设计螺旋槽加工专用机床可以使工件的加工过程平稳、顺利,加工后尺寸精度平稳,提高其表面粗糙度和加工效率。
螺旋槽加工专用机床加工工件时,一次装夹两件工件,使机床一次可以加工两个工件,大大提高了生产效率,降低了生产成本。
所以对螺旋槽加工专用机床的床身和其加工装置提出了较高的要求。
本次设计根据螺旋槽加工专用机床的设计方案,结合工件各参数,并且分析了机床的工作原理以及工作环境,现有的经济实力,着重设计了螺旋槽加工专用机床床身、其加工装置。
根据床身与工作台的工作原理、进给机构与工作台的工作原理,设计出其润滑系统。
1.4本课题的研究目的和意义
本次设计的主要研究目的是把螺杆泵的定子壳体的光滑内壁加工成螺旋型,这样再用一个橡胶做成的螺旋型衬套与转子进行连接,大大延长了橡胶衬套寿命。
本次研究通过改变定子壳体的形状可使定子橡胶层薄且均匀,克服了常规螺杆泵定子技术的不足,能有效地改善螺杆钻具的工作性能,进一步提高螺杆钻具的工作寿命。
所以需要设计一款螺旋槽加工专用机床。
本课题主要设计螺旋槽加工专用机床床身、加工装置及其润滑系统。
并且在与组员的团队合作的情况下完成了螺旋槽加工专用机床的总体设计。
从而达到生产出合格的等壁厚螺杆泵定子。
因为螺杆泵在现实生活中的应用非常广泛,所以它的性能就显得尤为重要,等壁厚螺杆泵定子的研究具有的意义如下:
1)采用此方法加工完的螺杆泵定子,橡胶层薄且均匀,可以改善螺杆钻具工作时的散热性能,不会产生热积聚效应;因为温度是影响定子橡胶使用寿命敏感因素之一,等壁厚定子因其良好的散热性能可以减缓橡胶的热老化,进一步提高螺杆泵的使用寿命。
2)薄且均匀壁厚的橡胶层,在运动过程中抗变形的能力好,因而不仅单级承压高,而且在相同的条件下可以减少泵级数及定、转子间的过盈量,所以在运转扭矩和系统效率等方面优于常规螺杆泵,可改善螺杆泵性能,提高工作效率。
3)等壁厚螺杆泵定子橡胶溶胀、温胀均匀,能较好地保证泵的型线,也就是说泵的密封性能变好,使螺杆泵在运转时具有更好的工作性能。
有利于长时间维持泵油效率,延长泵的使用周期。
4)不容易脱胶,增大橡胶与金属粘着面积,橡胶收缩均等,无应力,运转平稳,可增加转速,提高排量,延长使用寿命。
对于机床的设计具有的意义如下:
1)在现有的条件下,可以生产性能合格的等壁厚螺杆钻具定子。
2)此机床借鉴了刨床的设计方案,并且保留了上一代机床的有点,改进了其结构上的不足,因此本课题所设计的机床具有加工效率高,加工过程稳定,加工精度相对于前一代机床较高等特点。
3)此机床对于工人来说,操作简单,工作强度低,安全系数高等特点。
第2章螺旋槽加工专用机床床身设计
2.1螺旋槽加工专用机床的总体分布
在进行螺旋槽专用加工机床的设计过程中,参考了龙门刨床和往届学长所设计的螺旋槽加工机床的结构特点,并总结了之前所设计的机床在使用中反映出的问题,参照了龙门刨床和之前所设计的机床的布局,重点考虑了考虑了工件的长度和直径,刀杆的长度、刀杆的受力以及工作台的行程来拟定了机床的总体布局示意图,如图2-1所示。
本机床的主要机械结构包括:
床身、工作台、进给机构、加工装置、床头箱、支撑箱、润滑系统等。
图2-1机床的总体布局示意图
2.2螺旋槽加工专用机床床身设计
2.2.1螺旋槽加工专用机床床身的功能
床身属于机床支撑件,是机床相互固定连接成机床的基础和框架。
机床上其他零件可以固定在床身上,或者工作时在床身上的导轨上运动。
因此床身的主要功能是保证机床各零件之间的互相位置和相对运动精度,并保证机床有足够的静刚度、抗振性、热稳定性和耐用度。
所以,床身的合理设计是机床设计的重要环节。
本课题所涉计的床身,就是其机床的支撑件,固定连接着润滑系统、加工装置和进给机构;工作台沿着床身导轨运动。
床身不仅承受这些部件的重力,而且还要承受切削力、传动力和摩擦力等,在这些力的作用下,不应产生过大的变形和振动;还要保证工作台沿床身导轨运动的直线度,和相对于主轴的直线度;受热后产生的热变形不应破坏机床的原始精度;床身导轨应有一定的耐用度等。
2.2.2螺旋槽加工专用机床床身满足的基本要求
床身满足下列要求:
1)应具有足够的刚度和较高的刚度-质量比。
2)应具有良好的动态特性,包括较大的位移阻抗(动刚度)和阻尼;整机的低阶频率较高,各阶频率不致引起结构振荡;不会因为薄壁振动而产生噪声。
3)热稳定性好,热变形对机床加工精度影响较小。
4)排削畅通、吊运安全,并具有良好的工艺性。
2.2.3螺旋槽加工专用机床床身的结构设计
床身是机床的支撑件部分,因此设计床身时,本文首先考虑到了所属机床的类型、及常用支撑件的形状。
在满足机床工作性能的前提下,综合考虑其工艺性。
还要根据其使用要求,进行受力和变形分析,再跟所受的力和其他要求(如排削、吊运、润滑、安装其他零件等)进行结构设计,初步决定其形状和尺寸。
然后利用计算机进行有限元计算,求出静态刚度和动态特性,在对设计进行修改和完善,选出了最佳结构形式,既能保证床身的良好性能,又能减少质量,节约材料。
(一)机床的类型、布局和床身的结构设计
1.机床的类型
机床根据所受外载荷的特点,可分为三类:
1)以切削力为主的中小型机床。
这类机床的外载荷以切削力为主,工件的重力、移动部件(如车床的刀架)的重力等相对较小,在进行受力分析时可忽略不计。
例如,车床的刀架从床身的一端移至床身中部时引起床身弯曲变形可忽略不计。
2)以移动部件的重力和热应力为主的精密和高精密机床。
这类机床以精加工为主,切削力很小。
外载荷以移动部件的重力为主以及切削产生的热应力为主。
如双柱立式坐标镗床,在分析横梁受力和变形时,主要考虑主轴箱从横梁一端移动到中部时,引起横梁的弯曲和扭曲变形。
3)重力和切削力必须同时考虑的大型和重型机床。
这类机床工件较重,移动件的重力较重切削力也很大,因此受力分析时必须同时考虑工件重力、移动件重力和切削力等载荷,如重型车床、落地镗铣床及龙门式机床等。
根据综合分析确定本课题所设计的螺旋槽加工专用机床属于第三类大型和重型机床。
2.机床的分布形式对床身形状的影响
机床的分布形式直接影响床身的结构设计。
如图2-2所示的卧式数控车床,因采用不同布局,导致车床床身结构和形状不同。
图2-2a是平床身、平滑板;图2-2b后倾床身、平滑板;图2-2c平床身、前倾滑板;图2-2d前倾床身、前倾滑板。
床身的导轨的倾斜角度有30°、45°、60°、75°。
小型数控车床采用45°、60°的较多。
中型卧式车床,采用前倾床身、前倾滑板布局形式的较多,其优点是:
排削方便,不会使切削堆积在导轨上将热量传给床身而产生热变形;容易安装自动排削装置;床身设计成封闭的箱形,能保证有足够的弯曲和抗扭强度。
图2-2机床的总体布局示意图
综上所述,并考虑本课题所设计机床的实际加工情况,考虑与机床各部件的装配关系确定螺旋槽加工专用机床床身的结构布局,如图2-3螺旋槽加工专用机床床身结构示意图。
图2-3床身的总体结构俯视图
3.床身的形状
支撑件的形状基本上可以分为三类:
1)相形类:
支撑件在三个方向的尺寸上都相差不多,如各类箱体、底座、升降台等。
2)板块类:
支撑件在两个方向上的尺寸上比第三个方向大得多,如工作台、刀架等。
3)梁类:
支撑件在一个方向的尺寸比另两个方向大得多,如立柱、横梁、摇臂、滑枕、床身等。
此课题的床身的形状属于属于梁类。
如图2-4机床的结构主视图。
图2-4机床的结构主视图
(二)床身的截面形状和选择
床身结构的合理设计是应该在最小质量条件下,具有最大静刚度。
静刚度主要包括抗弯刚度和抗扭刚度,均与截面系数成正比。
床身截面形状不同,即使同一材料、相等的截面积、其抗弯和抗扭截面系数也不同。
如表2-1所示常见截面抗弯、抗扭惯性矩比较。
1)无论是正方形、圆形、空心截面的刚度都比实心的大,而且同样的截面形状和相同大小的面积,外形尺寸大而壁薄的截面,外形尺寸小而壁厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。
所以提高床身刚度,床身的截面应是中空形状,尽可能加大截面尺寸,在工艺可能的前提下壁厚尽量薄一些。
当然壁厚不能太薄,以免薄壁振荡。
2)圆环形截面的抗扭刚度比方形好,而抗弯刚度比方形低。
因此,以承受弯矩为主的支撑件的截面形状应取矩形,并以其高度方向为受弯方向;以承受扭矩为主的支撑件的截面形状应取圆形。
3)封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度,特别是抗扭刚度。
设计时应尽可能把支撑件的截面做成封闭形状。
但是为了排削和在床身内安装一些机构的需要,有时不能做成完全封闭形状。
综合考虑上述三种情况对床身截面的抗弯刚度和抗扭刚度的影响情况。
本课题所设计的螺旋槽加工专用机床床身截面结构采用空心矩形结构。
首先,尽量做到了让床身的外形尺寸大,并尽量使床身的壁厚小。
其次,在分析床身的受力情况之后合理的选择了床身各处的截面形状。
最后,根据螺旋槽加工专用机床的总体布局,参照龙门刨床的床身设计,主要承受弯曲载荷,由于切削不需要从床身排除,所以顶面采用封闭的结构,台面不能太高以便于加工工件的安装调整。
如图2-5螺旋槽加工专用机床床身截面示意图。
图2-5螺旋槽加工专用机床床身截面示意图
表2-1常见截抗弯、面的抗扭惯性矩比较
(三)床身肋板的布置
肋板是连接车床四周外壁的内板,它能使床身外壁的局部载荷传递给其他壁板,从而使整个床身承受载荷,加强床身的自身和整体刚度。
肋板的布置取决于床身的受力变形方向。
其中,水平布置的肋板有助于提高床身水平面抗弯刚度;垂直放置的肋板有助于提高床身垂直面内的抗弯刚度;而斜向肋板能同时提高床身抗弯和抗扭刚度。
因此,两种结构的抗弯和抗扭都很高,应用于受复杂的空间载荷作用的机床,如加工中心、镗床、铣床等。
一般将肋条配置于床身内壁上,主要为了减小局部变形和薄壁振荡,用来提高床身的局部刚度。
肋条可以纵向、横向和斜向,常常布置成交叉排列,如井字形、米字形等。
必须使肋板置于壁板的弯曲平面内,才能有效的减少壁板的弯曲变形。
肋条厚度一般是床身壁厚的0.7-0.8倍。
本课题所设计的床身肋板的布置,如图2-6螺旋槽加工专用机床身的剖视图。
图2-6螺旋槽加工专用机床身的剖视图
(四)床身的材料和热处理
床身与导轨为一体,床身材料的选择应根据导轨的要求选择。
铸铁具有良好的减震性和耐磨性,易于铸造和加工。
床身材料采用机械性能优良的HT200,其硬度、强度较高,耐磨性较好,具有很好的减震性。
为了消除床身的内应力,对机床床身进行两次时效处理,粗加工前后各进行一次。
导轨表面经热处理,中频淬火后,其硬度可达到40-50HRC,淬火后其硬度、强度更高,耐磨性更好。
而且淬火质量稳定、成本低、生产效率高。
淬火后进行磨削加工,磨削后导轨具有良好的导向精度、精度保持性和低速运动平稳性,完全可以满足机床的技术要求。
床身类铸件作为一种大型铸件必须要经过热处理才能提高本身的使用性能,改善铸铁平板的内在质量。
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一,与其它加工工艺相比,热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分,而是通过改变工件内部的显微组织,或改变工件表面的化学成分,赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量。
为使金属工件具有所需要的力学性能、物理性能和化学性能,除合理选用材料和各种成形工艺外,热处理工艺往往是必不可少的。
钢铁是机械工业中应用最广的材料,钢铁显微组织复杂,可以通过热处理予以
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