復(fù)合材料鍍層鉆桿在深孔加工中的應(yīng)用及振動(dòng)力學(xué)分析

摘 要：為進(jìn)一步降低鉆桿振動(dòng)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(qiáng)度，并在鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行合理性假設(shè)，建立鉆桿扭轉(zhuǎn)振動(dòng)微分方程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鉆桿的操作頻率接近固有頻率時(shí)，其容易引發(fā)共振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致振動(dòng)幅度的增大，且當(dāng)聚氟乙烯粉末與鎳粉覆蓋在鉆桿表面上時(shí)，不同固有頻率下的鉆桿質(zhì)量損失均小于無有機(jī)材料覆蓋的鉆桿。當(dāng)鉆桿旋轉(zhuǎn)并與巖石發(fā)生磨損時(shí)，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(dòng)過程中的磨損。

關(guān)鍵詞：深孔加工；鉆桿振動(dòng)；固有頻率；主振型；聚氟乙烯

中圖分類號：TQ050.4 + 3 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)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(dǎo)致深孔加工實(shí)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(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型 [4] 。對微量潤滑條件下BTA鉆桿振動(dòng)特性進(jìn)行研究 [5] 。研究了刀具和主軸振動(dòng)對精密切割CFRP材料的影響 [6] 。使用有機(jī)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(qiáng)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(dòng)發(fā)揮著重要作用。扭轉(zhuǎn)振動(dòng)作為深孔加工鉆桿的主要振動(dòng)形式 [8] ，通過提出合理性假設(shè)，構(gòu)建鉆桿扭振的動(dòng)力學(xué)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(dòng)提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用復(fù)合有機(jī)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(shí)驗(yàn)所用鎳粉為鎳含量為10%的鎳粉。所用實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步提高鋁合金鉆桿的剛度和強(qiáng)度，將白色聚氟乙烯粉末與鎳粉（質(zhì)量比為1∶3）進(jìn)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(dòng)吸收效果。在試驗(yàn)開始前，鎳粉在150 ℃的溫度下進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(shí)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(jī)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(dòng)特性，建立鉆桿扭轉(zhuǎn)振動(dòng)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(jìn)行鉆桿磨損試驗(yàn)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(jìn)行平滑和拋光處理。隨后，使用HV1000微維氏硬度計(jì)以1 kg的負(fù)載和15 s的加載時(shí)間對試樣進(jìn)行硬度測試。

為模擬鋁合金鉆桿在井中的實(shí)際鉆進(jìn)條件，測量激光熔覆層的耐磨性，利用鉆桿磨損試驗(yàn)臺進(jìn)行耐磨試驗(yàn)。試驗(yàn)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(shí)際工作環(huán)境，試驗(yàn)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(gè)測試周期為30 min。通過測量試驗(yàn)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(jìn)一步探究不同固有頻率條件下，有無有機(jī)材料覆蓋對鉆桿的耐磨影響。

1.4 鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型

為了解深孔加工中鉆桿的振動(dòng)特性，結(jié)合工程實(shí)際進(jìn)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(shí)不考慮溫度變化對鉆桿振動(dòng)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(jī)材料均勻分布，有機(jī)材料對鉆桿振動(dòng)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(dòng)，構(gòu)建鉆桿縱-扭耦合振動(dòng)簡化模型，如圖1所示 [13] 。

由圖1可知， U 為鉆桿縱向移動(dòng)的線位移， ? 為鉆頭周向轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移， M 為鉆桿底部鉆具的質(zhì)量，I 為飛輪的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程為 [14]深孔加工中鉆桿和工件孔軸線重合，在2個(gè)同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱體之間定長流動(dòng)，且液體為牛頓流體。設(shè)D 為工件的孔徑， μ 為切削液動(dòng)力黏度。

2 結(jié)果與分析

2.1 鉆桿振動(dòng)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(shí)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(dòng)條件下的鋁合金基體、細(xì)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(xì)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(dá)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(xué)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(xué)結(jié)合、熱處理3個(gè)階段。當(dāng)鉆桿旋轉(zhuǎn)并與巖石發(fā)生磨損時(shí)，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(dòng)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(shí)驗(yàn)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(jìn)一步探究有機(jī)材料覆蓋在鉆桿表面，對鉆桿振動(dòng)過程中的耐磨性能，進(jìn)行不同固有頻率下的鉆桿質(zhì)量損失研究，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)聚氟乙烯粉末與鎳粉覆蓋在鉆桿表面上時(shí)，不同固有頻率下的鉆桿質(zhì)量損失均小于無有機(jī)材料覆蓋的鉆桿。固有頻率較小時(shí)，鉆桿的質(zhì)量損失均較小。當(dāng)固有頻率為221 Hz時(shí)，有機(jī)材料覆蓋與無有機(jī)材料覆蓋的質(zhì)量損失變化差距較小，主要原因?yàn)橛捎诰鄯蚁┑姆肿又麈溕嫌写罅糠樱蛊浔砻嫔梢粚又旅艿难趸ぁＦ浯问蔷鄯蚁┲泻蟹兀沟迷趶?qiáng)酸中溶解后，與鎳粉發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成NiF 6+ ，進(jìn)一步與氟化氫反應(yīng)生成NiF 6+和F - 。經(jīng)過以上2個(gè)階段，鉆桿表面會(huì)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(shí)，有機(jī)材料覆蓋與無有機(jī)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(dāng)固有頻率為1 105 Hz時(shí)，質(zhì)量損失增幅突然增加，有機(jī)材料覆蓋與無有機(jī)材料覆蓋的質(zhì)量損失為0.11 g與0.22 g，質(zhì)量損失遠(yuǎn)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(xué)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(hù)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(hù)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(hù)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(dòng)的固有頻率 ω n和主振型 X （ ） x ，求得鉆桿扭轉(zhuǎn)振動(dòng)前6階扭振固有頻率，結(jié)果如表2所示。同時(shí)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(dòng)模式下的響應(yīng)特性。當(dāng)鉆桿的操作頻率接近固有頻率時(shí)，其容易引發(fā)共振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致振動(dòng)幅度的增大。深孔加工中鉆桿振動(dòng)幅度的增大不僅會(huì)影響加工精度，同時(shí)還容易導(dǎo)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(dòng)過程中的不同形態(tài)和節(jié)律。第1階主振型顯示了整個(gè)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(dòng)模式，這對設(shè)計(jì)鉆桿的減震措施至關(guān)重要。對深孔加工鉆桿的設(shè)計(jì)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(dòng)形式錯(cuò)綜復(fù)雜，扭振是鉆桿振動(dòng)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(qiáng)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(dòng)動(dòng)力學(xué)模型對設(shè)計(jì)鉆桿減振裝置具有一定的參考價(jià)值。

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（責(zé)任編輯：平 海）