一種數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機床

張燕紅

（山東華宇工學院，山東德州 253000）

1 機床開發(fā)背景

數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機床（也叫射孔槍鉆孔專機）是面向石油鉆探行業(yè)推出的行業(yè)性產(chǎn)品。隨著石油開采業(yè)的發(fā)展，淺層、軟層等易開采的油田越來越少，石油開采者不得不到砂層、硬層、巖層等難開采的油田中去開采石油。石油開采離不開石油管道，油井的深層管道就使用石油射孔槍鉆部件。射孔槍鉆部件一井一套或多套，而且一次性使用。石油射孔槍鉆部件的制造難題是槍身徑向不透孔的加工問題。現(xiàn)在許多地方都是用普通立式鉆床鉆孔，工件劃線人工分度，效率低、精度差、工人勞動強度大。

2 石油射孔槍鉆部件

石油射孔槍鉆部件由槍頭、槍尾、槍身、射孔彈、彈架、導線所組成，其中槍頭、槍尾位于槍身的兩端，射孔彈由彈架固定并置于槍身中，導線與各射孔彈連接并從槍頭處引出，槍身的側壁外在相對于射孔彈的發(fā)射口位置處開設有盲孔。石油射孔槍鉆部件如圖1 所示。

圖1 石油射孔槍鉆部件

石油射孔槍鉆部件外型與普通石油管道相似，管壁加工有規(guī)則分布的不透孔。在射孔槍鉆內(nèi)部對準不透孔的位置裝入射孔彈及炸藥。射孔槍鉆下井后由引爆裝置引爆炸藥，爆炸力推動射孔彈將管道上的不透孔變?yōu)橥缚祝淇讖棻氵M入砂層、硬層或巖層，石油便通過透孔進入石油管道從而實現(xiàn)石油開采。石油射孔槍鉆部件在實際應用中工作原理如圖2 所示。

圖2 石油射孔槍鉆部件工作原理

3 數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機床

數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機床是專為石油行業(yè)射孔槍鉆部件的槍身加工而設計的專用機床，用于加工管壁平底盲孔。機床的主要結構有：床身、分度頭、拖板、鉆削動力頭、夾緊機構、床身尾座、電氣及數(shù)控系統(tǒng)、液壓、潤滑及冷卻系統(tǒng)等。被加工工件由分度頭三爪卡盤夾持，并由床尾頂尖頂緊，數(shù)控分度頭轉(zhuǎn)位定位，工件定位后，前后兩組自定心夾緊塊由油缸驅(qū)動將工件夾緊，然后由床身后側斜置的兩個鉆削動力頭進行鉆削加工。

機床結構的特點：床身為落地式結構，材料為高強度優(yōu)質(zhì)鑄鐵樹脂砂鑄造，具有良好的減振性、剛性及穩(wěn)定性。分度頭（A軸/旋轉(zhuǎn)軸）采用數(shù)控分度頭配以伺服電機驅(qū)動，可以實現(xiàn)高精度的任意角度分度或連續(xù)分度，分度頭配手動三爪自定心卡盤實現(xiàn)工件卡緊。拖板在床身上水平左右移動形成機床的Z 向運動，拖板上并列放置兩前后移動的滑板分別形成X、Y 向運動，運動方向與床身水平方向成30°夾角，X、Y 軸采用伺服電機驅(qū)動滾珠絲杠傳動機構，定位精度高，具有螺補、間補功能。Z 軸采用伺服電機驅(qū)動進口齒輪、齒條傳動機構。

鉆削動力頭是機床的加工功能部件，鉆削動力頭主軸由4 kW變頻電機驅(qū)動，主軸轉(zhuǎn)速可在200～1200 r/min 無級變速。兩個鉆桿箱在床身后側的滑板上分別由X、Y 軸兩個滑板拖動，可同時進給也可分別獨立進給，兩個鉆削動力頭主軸中心距可在250～500 mm 范圍內(nèi)手動任意調(diào)整。

設備配置盲孔深度檢測裝置（已申請專利），可對盲孔深度進行精確控制。夾緊機構采用油缸驅(qū)動自定心雙V 形塊夾緊工件，在拖板左右各有一套夾緊機構。床身尾座采用機械手動移動、手動頂尖頂緊。

數(shù)控系統(tǒng)采用SIEMENS 802D 數(shù)控系統(tǒng)，4 坐標全機能數(shù)控方式。通過位于拖板上的操縱臺集中控制，任意調(diào)用切削程序，方便實現(xiàn)不同零件切削加工。操縱臺配有手持脈沖發(fā)生器，便于操作和對刀。

液壓系統(tǒng)采用外置式獨立泵站且配有液壓蓄能器，為夾緊機構提供穩(wěn)定可靠的壓力油。潤滑系統(tǒng)采用集中潤滑裝置，可以對機床導軌及其他運動部件進行間歇式自動潤滑。冷卻系統(tǒng)采用循環(huán)冷卻方式對加工工件進行冷卻，配冷卻液回收過濾裝置。數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機床結構如圖3 所示。

4 設備創(chuàng)新點與特色

裝置不僅適用于石油射孔槍專用機床，還可以加工各種薄壁工件。設備可在普通機床基礎上改造，使用方便快捷，極大的節(jié)約人工成本。加裝后可實現(xiàn)在易變形的曲面鉆出確定深度的孔。裝置致力于改變現(xiàn)有的傳統(tǒng)加工方式，在不需要過多加工經(jīng)驗技術的情況下在易變形的曲面上進行盲孔的加工，并且裝置可以實現(xiàn)極高精度的鉆孔深度限制，僅需在普通機床簡單加裝本設備即可實現(xiàn)。

設備一般應用于徑向鉆孔專用機床加工固定深度的盲孔并且可以實現(xiàn)自動循環(huán)加工，操作簡單，可實現(xiàn)自動化智能化加工。工人僅需將待加工工件夾持好后啟動機器，即可自動開始鉆孔，到達預定的鉆孔深度后鉆頭自動停止，并做好下一鉆孔的準備。也可編寫程序?qū)⒐ぜ苿又料乱患庸の恢茫瑢崿F(xiàn)完全自動化加工過程，相比傳統(tǒng)加工方式更加節(jié)約成本、提升產(chǎn)能。

5 不透孔鉆孔工藝流程及加工程序

X 軸、Y 軸相對進給坐標及孔深h、彎曲度ΔL 的關系符合公式：X=ΔL+h；Y=-ΔL+h。其中，X 為X 軸與對刀零點的相對坐標，Y 為Y 軸與對刀零點的相對坐標，ΔL 為槍管的彎曲度，h 為加工孔深。加工流程如圖4 所示，加工原理如圖5 所示。

圖4 不透孔鉆孔加工流程

圖5 不透孔鉆孔加工原理

通過數(shù)控系統(tǒng)編制及自動運算后實現(xiàn)工件盲孔全部加工，可精度保證孔深尺寸及同角度盲孔在母線上的同心度。自動加工宏程序如下：

6 結束語

石油射孔槍鉆部件就是為開采稀油層油田而設計的專用設備。數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機床將數(shù)控技術、自動分度技術、雙主軸結構、斜置床鞍結構引入機床。用該機床加工石油射孔槍鉆部件槍身徑向不透孔，不但效率高、精度好，而且減輕了工人勞動強度。通過市場調(diào)研及用戶使用情況反饋，機床結構的充分優(yōu)化，更有效解決了石油射孔槍鉆部件槍身徑向不透孔的加工問題。數(shù)控徑向不透孔鉆孔專用機床具有良好的市場前景。