钻具稳定器加工自动编程技术的研究

徐勇， 孙兴伟

（沈阳工业大学 机械工程学院，沈阳 110870）

0 引 言

钻具稳定器是石油钻井平台中常用的机械工具，能起到在钻直井时防止井斜、钻定向井时控制井眼轨迹的作用［1］。由于稳定器的特殊结构及深井和超深井的苛刻钻井条件使得稳定器的失效率较高。故在提高其疲劳寿命和寻求最佳的表面强化方式等减少稳定器失效事故的前提下，如何提高加工精度和高效地加工出钻具稳定器，是一个亟待研究的课题［2］。为此结合沈阳工大科技开发有限公司和沈阳工业大学专用数控机床开发中心等的实际情况，改造了一种加工多种类型的钻具稳定器专用数控机床，并设计了包括加工参数输入、工件精度分析、运动干涉判定、实时图形尺寸显示、加工过程物理仿真和NC代码生成等各种功能在内的完整数控加工自动编程系统［3］。

图1 运动关系示意图

1 钻具稳定器加工运动关系分析

1.1 稳定器与铣刀的坐标变换

建立稳定器和铣刀坐标系，如图1所示，来描述稳定器和盘铣刀的实际运动关系。图中铣刀与稳定器的相对位置是加工右旋稳定器的位置。设定稳定器坐标系是oxyz，刀具坐标系是O-XYZ。铣刀相对稳定器有一定的安装角 δ［4］。

根据图1，把O-XYZ变换到o-xyz坐标系的变换关系式为

式中：（x，y，z）为工件坐标系o-xyz中铣刀和稳定器廓形接触点的坐标；（X，Y，Z）为刀具坐标系O-XYZ中铣刀和稳定器廓形接触点的坐标；δ为铣刀安装角；A为铣刀与稳定器的中心距。

1.2 工件模型

图2所示为所加工工件的结构示意图。在加工螺旋面的生产实际中，往往己知其端面截形或轴向截形，本钻具稳定器在实际加工中，已知截面廓形和螺旋参数的圆柱型螺旋面。当螺旋面在xoy平面上的端截形时，z0（u）=0［5］。设其端截面参数方程为

由式（2），可知其螺旋面方程为

其中：p 为螺旋参数，P=p/2π，右旋螺旋面时取“+”，左旋螺旋面时取“-”；P为螺旋面导程。

图2 工件的结构示意图

由式（3）可知端截面上任意的法矢量为

1.3 刀具模型

该专用机床在铣削加工阶段，机床的主运动是铣刀的回转运动，因为工件需要切除较多材料，又要通过增加背吃刀量减少切削次数，故铣刀需要承载较大的切削力，因此选用端铣刀盘和可转位硬质合金刀片。两侧切削刃的回转表面是由圆环面过渡的单锥面。在加工过程中，锥面只起到切削金属的主要作用，而工件加工表面则是由圆环面包络而成。即刀片两侧刃只参与切削，不参与包络。因此，刀具的数学模型，如图3所示［6］。

图3 圆环面端形铣刀模型

2 系统结构

为了便于软件的扩展和维护，本自动编程系统的整体设计采用面向对象的程序设计思想。相比于VC，C++Builder把可视化和面向对象较好地结合起来，大大地简化了开发过程。系统中对计算结果进行进一步的开发和包装，使其具有较好的可视化效果。在上述研究的基础上，可输出相应的数据和图形。本编程系统主要有以下几个模块［7］：

1）加工参数输入。通过调用工艺数据库参数或手动输入工件参数、刀具参数、切削用量参数和编程精度参数等。

2）实时图形显示。对二维图等的图形显示，可以方便地了解工件参数定义、直观地检验输入的参数数据是否正确，减小用户输入参数时出错的可能性。

3）干涉判定。曲面干涉和碰撞干涉是由非刀触点的圆环面和圆锥面引起的，所以干涉判断时需要对参与切削加工的圆环面和圆锥面两部分进行分析。

4）加工仿真。对三维模型进行加工仿真，验证加工过程和精度。

5）程序生成。在上述工作完成后，即可自动生成数控G代码程序。

3 参数的输入与处理

常用钻具稳定器为直棱和螺旋型，工件和刀具类型和参数各不相同，通过上述分析，对钻具稳定器加工而言，分别输入各自参数，实现自动编程。基于C++Builder开发的自动编程系统参数输入界面如图 4 所示［8］。

图4 铣削工艺参数输入界面

系统将对加工轨迹数据进行文字处理以及模块化数控程序生成等操作，并输出数控代码，如图5所示。还能对程序添加入库，方便日后调用。

图5 数控代码输出及代码文件保存界面

以上的程序编制都是在Borland C++Builder 6.0环境下编制的。此软件还可以运用到多槽的加工，具有较强的通用性。将生成的数控加工程序传入钻具稳定器专用数控机床，就可以加工出相应的稳定器。

4 结 论

钻具稳定器专用数控机床的自动编程系统采用模块化结构设计，通过人机界面输入参数，调用工艺数据库或手动输入自动生成NC代码，编程效率较高，并且便于功能扩展。经公司的实际生产证明，对钻具稳定器专用数控机床自动编程系统的设计，实现了钻具稳定器加工精度和加工效率的进一步提高。

［1］ 吕瑞典.油气开采井下作业及工具［M］.北京：石油工业出版社，2008.

［2］ 李连强.螺旋稳定器工艺与装备研究［D］.北京：北京化工大学，2006.

［3］ 王可.复杂异形螺旋曲面无瞬心包络铣削理论及应用技术研究［D］.天津：天津大学，2003.

［4］ 王娜.螺杆包络铣削用盘铣刀结构改进及参数研究［D］.沈阳：沈阳工业大学，2007.

［5］ 樊开富.加工螺旋槽用可转位盘铣刀设计研究［D］.大连：大连理工大学，2009.

［6］ 高明明.螺旋曲面盘铣刀铣削加工过程分析［D］.沈阳：沈阳工业大学，2014.

［7］ 陈欣，牛连强，冯海文.异形螺杆包络铣削仿真与自动编程系统研究及设计［J］.现代制造工程，2005（4）：8-11.

［8］ 吴勤.正多边形截面数控磨削自动编程系统研究与开发［D］.长沙：湖南大学，2012.