三點直推式鐵鉆工沖扣鉗殼體關鍵制造技術

程曉麗，楊琨 ，2，黃元元，段寶軍 ,姜振祥 ,王玉

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞 721002；2.中油國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心有限公司，陜西 寶雞 721002）

0 引言

隨著鉆井設備自動化水平的不斷提高,鐵鉆工由于其高效、安全的特性，越來越受到客戶的青睞、應用越來越廣泛[1-2]。目前，我公司生產制造的鐵鉆工涵蓋了伸縮臂式[3]、導軌式[4]等眾多品種，在伸縮臂式鐵鉆工中，三點對中夾持的鉗體（如圖1），對比兩點直推式的鉗體，在同缸徑的條件下，能夠提供更大的轉矩[5]。在研發與制造的過程中，沖扣鉗殼體在鐵鉆工進行沖扣運動時承受載荷較大[6]，但由于其內腔結構復雜，加工難度較大，機加工工藝方案設計的是否合理直接決定了該零件最終能否滿足設計各項精度要求，也決定著鐵鉆工夾緊和沖扣的作業能否順利完成。

圖1 ST-160鐵鉆工

1 殼體結構工藝性分析

三點對中式鐵鉆工沖扣鉗殼體結構如圖2所示，有3處寬度相等、中心呈120°分布的內腔，液缸推動滑塊在三處內腔里進行滑移運動，實現鉆具的夾緊，從其使用角度可以看出，三處內腔中心線要交匯一點且與鉆具外圓理論上應該是同心，這對加工提出了很高的要求，同時內腔是封閉的矩形，內腔兩側面要求加工，如何在保證各項形位精度的情況下完成內腔側面的加工成為一大難題。殼體為組焊結構[7]，且存在U形開口，加大了焊接變形的影響，如何規避U形開口處的焊接變形[8]也是工藝方案設計時一項重要的考慮因素。

圖2 沖扣鉗結構圖

2 工藝方案的設計與實施

2.1 工藝方案的設計

考慮三處內腔呈120°分布，且相互交匯一點，如果成封閉的箱體狀態加工端面，是很難實現的[9]，所以將內腔的側面加工方案設計為先將下面板與內腔的側板焊接（如圖3），然后對內腔側板進行銑削加工，然后再將殼體的上面板焊接，形成封閉腔體，再加工殼體上的各連接孔，制定的工藝方案如圖3所示。

圖3 制定的工藝方案

圖4 焊接后的殼體

由于殼體三處內腔中心線要交匯一點、且與鉆具外圓同心，否則在沖扣鉗夾緊鉆具和沖扣時，鉆具會因受剪切力而受傷，所以在加工過程中要充分考慮如何保證三處內腔120°交匯一點，從圖2可以看出，交匯處是缺口位置，肉眼無法辨識，在最初的方案制定時，在側面銑出一基準面，后續加工完全依靠機床保證[7]。

2.2 實施過程中出現的問題

2.2.1 焊后變形情況嚴重

殼體是組焊結構，由于該工件需在上面板焊接之前對三處開襠進行加工，也就是說最初的狀態未形成一個封閉的腔體，整體剛性較差，同時工件中心U形缺口也對剛性影響較大，在下面板與側板焊接后出現了整體翹曲變形[8]，從圖5中兩處面板高低差可見。

圖5 焊后變形

2.2.2 工藝撐去除后出現變形

為防止開檔在焊接過程中變形較大，需在焊接過程中增加相關輔助拉筋或背板。但這類防止焊接變形的措施，在后續加工中被去除，繼而釋放了相應的變形量。

2.2.3 對中效果不好

由于殼體三處內腔呈120°分布，一處基準面不能有效地解決對中的精確度問題，尤其加工過程中將原來的拉筋去除，工件再次變形，導致最后加工的三處內腔中心對中效果不好。

2.3 解決方案及過程控制

針對實施過程中出現的變形問題，逐一進行解決。

首先針對剛性差導致的焊接變形問題，提出不對面板中間U形缺口進行預制（如圖6），能夠有效地加強工件剛性，避免U形缺口處焊接變形的問題；另一方面，能夠保證在劃線加工時中心點可見，加工三處內腔時將可以直接將基準點定位到中心（如圖7），提高對中效果。同時針對工藝撐去后變形問題，增加焊后去應力工序，有效減小變形。

圖6 鑲補后的面板

圖7 殼體中心

優化后的工藝方案如圖8所示。

圖8 優化后的工藝方案

2.3.1 下面板與側板焊接

一次大組合時，連接板之間、立板之間分別均勻點焊剛性工藝撐（工藝撐要求打摞銑頭處理，長度誤差≤0.5 mm),保證開檔尺寸公差要求；焊接前，組件背面整體點焊工藝板（板厚≥50 mm）,長寬尺寸略大于面板，以減小焊接變形。

焊接時，先焊坡口尺寸較小側焊縫，再焊坡口尺寸較大一側，焊接時盡量采用小電流不擺動快速施焊，一層和一層之間稍作停留，避免層間溫度過高。焊后進行去應力處理。

2.3.2 下蓋板與立板組合加工

按照所劃各線找直找正，加工時內腔面時采用低速銑削，減小刀具對工件的作用力、降低切削溫度，同時盡量減少工件裝夾點，壓點處必須墊實，減少裝夾塑性變形。在粗銑去除焊縫高點后松開工件，時效后再次裝夾精銑[10]；使用ROT RPL=120指令使其機床坐標系旋轉120°，保證三處腔體120°精度要求。

2.3.3 上蓋板焊后整體加工

在上蓋板焊后整體加工U形槽的時候為了防止工件再次變形。首先使用φ40刀盤粗加工，去除大部分余量后松開壓板，釋放應力再次在原位置上進行裝夾，進行精加工。加工結束后進行測量，各項尺寸都得到了有效的控制，且公差均符合設計要求。

3 結語

本文為解決三點直推式鐵鉆工在焊接及機加工過程中所產生的變形提供了有效的方法，保證三處呈120°均勻分布的開檔質量，在焊接過程中通過對U形缺口的前后整改、輔以工藝撐，合理安排焊接工序、去應力、裝夾、加工參數及加工順序等方法，達到了較為滿意的加工質量。