鉆機(jī)絞車(chē)滾筒繩槽加工程序設(shè)計(jì)*

李占熙，蒲亞昭，任宗亮，武迎莉

(蘭州蘭石石油裝備工程股份有限公司，甘肅 蘭州 730300)

0 引 言

石油鉆機(jī)絞車(chē)是起升系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，是鉆機(jī)的關(guān)鍵核心部機(jī)之一，它主要的作用是在打井作業(yè)過(guò)程中，懸掛鉆具，起下鉆柱、鉆頭，控制鉆井壓力，起下鉆具和下套管；對(duì)于自升式井架鉆機(jī)(如：直升機(jī)吊裝鉆機(jī))，用來(lái)起升和下放井架。絞車(chē)的關(guān)鍵部件就是滾筒軸總成，利用滾筒體纏繞鋼絲繩來(lái)實(shí)現(xiàn)以上作用，其關(guān)鍵技術(shù)就是其特殊的折線繩槽的設(shè)計(jì)和加工制造。隨著鉆井深度的變化，鋼絲繩分層往復(fù)整齊的纏繞在雙折線開(kāi)槽滾筒上，具有不亂繩、不空槽、不咬繩、不背繩等優(yōu)點(diǎn)，減小變形、磨損和斷股等結(jié)構(gòu)性損壞，延長(zhǎng)絞車(chē)及鋼絲繩的使用壽命，降低鉆井成本。

1 折線繩槽的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

鉆機(jī)絞車(chē)滾筒繩槽采用雙折線結(jié)構(gòu)形式，其特點(diǎn)為斜線繩槽和直線繩槽交替出現(xiàn)，從而在滾筒表面形成兩個(gè)斜繩槽區(qū)和兩個(gè)直繩槽區(qū)。所謂斜繩槽，是指與卷筒母線斜交的繩槽，直繩槽是指與卷筒母線直交或與法蘭平行的繩槽。斜線繩槽控制繩槽的螺距，在一圈繩槽中占得比例較小，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可有效緩解鋼絲繩在加載時(shí)的擠壓變形、相互摩擦和早起磨損問(wèn)題?，F(xiàn)在普遍采用圖1所示角度結(jié)構(gòu)形式，其中斜繩槽所占圓心角為45°，直繩槽所占圓心角為135°。

圖1 折線繩槽結(jié)構(gòu)圖

折線繩槽的加工制作，它既可以直接在卷筒上整體加工成型，也可以制成帶有這種繩槽的套，并且做成分體式的，安裝時(shí)包裹在光面卷筒上，通過(guò)螺栓或焊接與卷筒連接成一體，目前國(guó)外大都采用這種方式。折線繩槽筒體的材料可為碳鋼、不銹鋼、合金鋼、鋁或玻璃纖維等制作，筒體的制作可以用板材卷制，也可以采用鑄造方式。

2 編程原理分析

由于折線繩槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是由斜線段與直線段交替組成的圓弧槽周期循環(huán)而成，形成的螺紋為不完全螺紋，而且折線深槽在圓周上的排列不是任意的，它與出繩口有一定的位置關(guān)系，因此如何使用數(shù)控指令控制刀具在確定的位置進(jìn)刀完成折線繩槽的加工，這是關(guān)鍵所在。

在討論HT200×60/20-NC數(shù)控臥式機(jī)床上完成絞車(chē)滾筒的加工程序是基于數(shù)控系統(tǒng)FANUC Series oi-TC編制完成。螺紋切削指令G32，當(dāng)執(zhí)行該指令時(shí)，在接到主軸位置的零點(diǎn)信號(hào)后繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)到螺紋起始角，然后開(kāi)始螺紋切削動(dòng)作。折線繩槽的加工就是利用G32指令的這一特性，保證每次加工開(kāi)始位置的一致性，數(shù)控編程計(jì)算也以此為參考。程序編制時(shí)采用G95每轉(zhuǎn)進(jìn)給，通過(guò)計(jì)算進(jìn)給速度F，可以控制進(jìn)刀位置以及繩槽軌跡的實(shí)現(xiàn)。在編程之前，首先要確定機(jī)床螺紋加工啟動(dòng)點(diǎn)在主軸方向上的位置，工件的裝夾、找正以此為基準(zhǔn)。

3 數(shù)控加工路線的設(shè)計(jì)

圖2為絞車(chē)滾筒的毛坯，采用組焊結(jié)構(gòu)形式，由左輪轂、右輪轂筒體組焊而成。根據(jù)滾筒的毛坯尺寸和雙折線繩槽的特點(diǎn)，將雙折線繩槽分成三個(gè)部分，第一部分右端凸臺(tái)，第二部分，中間繩槽部分；第三部分，左端爬坡部分。

圖2 滾筒毛坯圖

滾筒的加工分為粗加工和精加工。粗加工時(shí)按上述三部分，分段車(chē)削，去除毛坯余量。精加工時(shí)，用左右架分兩次車(chē)削。具體加工流程如下：

工藝路線：①車(chē)出右端凸臺(tái)R繩槽部分；②按折線軌跡，去除右端凸臺(tái)多余部分。即通過(guò)不斷地調(diào)用一圈折線軌跡子程序去除余量；③按繩槽軌跡，去除左端凸臺(tái)余量；④調(diào)用爬坡程序，車(chē)出左端凸臺(tái)；⑤調(diào)用滾筒粗加工程序，從右端出繩口位置進(jìn)刀，設(shè)定右端加工圈數(shù)，完成右半部分繩槽粗加工。粗加工分層加工，確定好每層的加工深度和走刀次數(shù)；⑥調(diào)用精加工程序，完成右半部分繩槽精加工；⑦換左刀架，左邊法蘭內(nèi)側(cè)對(duì)刀，根據(jù)右半部分繩槽的加工圈數(shù)，計(jì)算確定出左邊繩槽加工的起的位置。調(diào)用粗加工和爬坡程序，完成左半部分繩槽的粗加工；⑧調(diào)用精加工程序，完成左半部分繩槽精加工。

4 數(shù)控加工程序設(shè)計(jì)

滾筒繩槽的加工過(guò)程，實(shí)際上是刀具按繩槽軌跡的的輪廓運(yùn)動(dòng)，從而完成車(chē)削加工。由于在加工工程中需要多次通過(guò)刀具按繩繩槽軌跡運(yùn)動(dòng)，去除余量，應(yīng)此我們將各個(gè)階段的軌跡程序編寫(xiě)為子程序，主程序控制每次切削的吃刀量。通過(guò)主程序不斷調(diào)用子程序，完成繩槽的余量去除和輪廓形成。

雙折線繩槽的加工可分為三個(gè)部分，右端凸臺(tái)、中間繩槽部分、左端爬坡部分。下面根據(jù)圖3所示的雙折線繩槽結(jié)構(gòu)，分析其切削加工過(guò)程。

圖3 雙折線繩槽結(jié)構(gòu)

切削加工過(guò)程分析：①工件按劃線位置找正工件，即一次爬坡起點(diǎn)線和主軸螺紋切削同步點(diǎn)的位置在同一直線上。以此為基準(zhǔn)，設(shè)定坐標(biāo)系，對(duì)程序的坐標(biāo)位置和相關(guān)數(shù)值進(jìn)行計(jì)算；②按照加工路線，分別去除左、右凸臺(tái)，繩槽余量。加工繩槽時(shí)采用自制的圓弧車(chē)刀分層車(chē)削，合理確定每一刀的吃刀深度，準(zhǔn)備好刀具，啟動(dòng)加工程序，程序中采用主軸正轉(zhuǎn)，進(jìn)給量是每轉(zhuǎn)進(jìn)給的方式。主程序控制刀具每次的徑向吃刀深度，子程序控制刀具的折線運(yùn)動(dòng)軌跡。程序運(yùn)行開(kāi)始，刀具由安全距離運(yùn)動(dòng)至出繩口位置，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，刀具軸向沒(méi)有位移，當(dāng)出現(xiàn)程序指令G32時(shí)(此時(shí)的位置恰好是一次爬坡起點(diǎn)的位置)，開(kāi)始走第一段45°折線，接著是中間135°范圍的直線段。程序中通過(guò)3段G01指令，由進(jìn)給速度F控制在刀具徑向微量運(yùn)動(dòng)，從而保證135°。接著到二次折線的起點(diǎn)位置(也為二次爬坡的起點(diǎn)位置)，由G01指令，控制在軸向的位移，W為半個(gè)螺距值，進(jìn)給速度F控制45°的角度范圍，二次折線完成。最后一段直線段，在等待下一次G32指令時(shí)完成，這樣就完成一整圈繩槽的加工。下一次G32指令出現(xiàn)時(shí)，進(jìn)行第二圈的繩槽加工。我們將這加工一整圈的繩槽加工程序編制成子程序，然后不斷調(diào)用，根據(jù)具體情況，設(shè)定調(diào)用次數(shù)，完成多圈繩槽的加工。在用右刀架車(chē)削右半部分時(shí)，可以不用調(diào)用爬坡程序，而在加工左半部分繩槽時(shí)，末尾是爬坡段，應(yīng)此在調(diào)用繩槽程序調(diào)用結(jié)束后，后面緊接著爬坡段程序。

根據(jù)切削加工的的刀具軌跡和程序的的多次調(diào)用，我們將折線軌跡，爬坡段，控制進(jìn)刀部分，編制為子程序，主程序編寫(xiě)每次加工刀具進(jìn)刀的坐標(biāo)位置，控制進(jìn)刀。這樣就可以大大縮減程序代碼的篇幅，提高編程效率，降低出錯(cuò)幾率。

4.1 進(jìn)刀程序編制

如圖4所示，滾筒在毛坯狀態(tài)下的出繩口位置右一段空刀區(qū)，其它位置為高度為h的凸臺(tái)。因此加工時(shí)必須讓刀具越過(guò)出繩口的凸臺(tái)，并能準(zhǔn)確地進(jìn)入空刀區(qū)，否則會(huì)打壞刀具。用端面螺紋進(jìn)刀，需計(jì)算出在出繩口空刀區(qū)范圍內(nèi)越過(guò)凸臺(tái)高度h時(shí)的進(jìn)給速度F。在確定進(jìn)給速度F后，計(jì)算刀具起刀點(diǎn)(一次爬坡位置)到出繩口位置的距離，即為進(jìn)刀距離。進(jìn)刀距離為從起刀點(diǎn)到切削點(diǎn)之間的縱向距離，根據(jù)進(jìn)給速度F和所走過(guò)圓心角δθ計(jì)算。

圖4 出繩口位置圖

進(jìn)給速度F:

(1)

進(jìn)刀距離U：

(2)

通過(guò)上述計(jì)算確定出進(jìn)刀距離和進(jìn)給速度，接下來(lái)還需計(jì)算退刀點(diǎn)的坐標(biāo)。退刀的位置，根據(jù)加工X方向的對(duì)刀位置加上退刀距離U進(jìn)行計(jì)算。

其進(jìn)刀子程序如下：

O0001

G32 U-- F--

G01 U-0.01 F0.4

U+0.10 F0.4

M98 P0003 Lxx;調(diào)用次數(shù)

G00 X-- Z--；退刀點(diǎn)

M99

4.2 爬坡段程序編制

爬坡段，根據(jù)各個(gè)階段的爬坡高度，計(jì)算、確定出各階段的控制速度。由于機(jī)床性能和系統(tǒng)反饋系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間差，在一轉(zhuǎn)中的進(jìn)給速度變化過(guò)多會(huì)導(dǎo)致在兩個(gè)間隔進(jìn)給速度F下進(jìn)給速度達(dá)不到飽和狀態(tài)，并不會(huì)產(chǎn)生明顯的差異，應(yīng)此在爬坡中不需將爬坡階段分的過(guò)多。我們?cè)谝淮闻榔码A段需要一個(gè)進(jìn)給速度F,中間直線段需要一個(gè)控制速度，二次爬坡高度需要一個(gè)控制速度，過(guò)渡區(qū)許一個(gè)控制速度控制過(guò)渡范圍。根據(jù)圖5爬坡圖為例，計(jì)算各個(gè)爬坡位置高度的控制速度F。

一次爬坡段：δh=517.37-480.5=36.87

其中0.15根據(jù)實(shí)際情況取，只需保證直線段的控制角度即可。

二次爬坡11.25°：δh=520.25-517.37=2.88

二次爬坡22.5°：δh=522.19-520.25=1.94

二次爬坡終點(diǎn)：δh=0.1

圖5 爬坡位置圖

其爬坡段的子程序如下：

O0002

N10S5

N15G32 U36.87 F294.96;一次爬坡

N20G01 U0.15 F0.4 ；直線段

N25U2.88 F92.16;二次爬坡

N30U1.94 F62.08;

N35U0.1 F1.6;

N40S3;

N45G00 X-- Z— 退刀點(diǎn)

N50G01 Z-10 F100

N55M99

4.3 折線繩槽程序的編制

圖6繩槽開(kāi)圖，其繩槽半徑為R23.5，繩槽間距為45.64，我們根據(jù)其計(jì)算控制折線繩槽的加工的進(jìn)給速度F。其中每一段斜線段偏移半個(gè)螺距。編程時(shí)，我們根據(jù)前面所述的編程原理，可計(jì)算出各段的控制進(jìn)給速度F。在兩個(gè)斜線段之間的直線段通過(guò)三段微量進(jìn)給調(diào)整，控制中間的圓心角范圍。其具體程序如下:

O0003

S10

G32 W-22.82F182.56

G01 U-0.01 F0.08

U+0.01F0.08

U-0.01F0.08

G01 W-22.82F182.56

U+0.01F0.4

M99

圖6 繩槽展開(kāi)圖

5 繩槽粗、精加工程序的編制

粗、精加工過(guò)程的切削軌跡一致，跟據(jù)加工效率和加工精度要求，粗、精加最大的區(qū)別是走刀次數(shù)不同。粗加工過(guò)程主要目的是快速去除毛坯大量，因?yàn)槔K槽深度較深，切削量較大，為了減小切削抗力，先采用小半徑的圓弧車(chē)刀，較大的切削量進(jìn)行粗加工。精加工的目的是為了實(shí)現(xiàn)繩槽最終的尺寸、精度要求。因此需根據(jù)粗糙度要求和刀具半徑值確定出精加工需要的走刀次數(shù)，然后計(jì)算走刀軌跡，得出相應(yīng)的刀位數(shù)據(jù)。粗、精加工的主程序控制每次加工的吃刀量和切削時(shí)刀具的位置，子程序控制繩槽輪廓軌跡的實(shí)

現(xiàn)。主程序通過(guò)不斷地對(duì)子程序的調(diào)用，最終完成整個(gè)繩槽的切削。粗、精加工的編程格式如下：

N10 G97 G99 M03;

N15 G21;

N20 M03 S15;

N25 G50 X712.64 Z-30;

N22 G01 W0 F30

N30 G01 U-- W-- F50;刀具加工位置

N35 M98 P0001

N40 M98 P0002

……

M05

M30

6 結(jié) 語(yǔ)

我們公司鉆機(jī)絞車(chē)滾筒的加工一直沿用上述加工方法和編程思路，在實(shí)踐中已經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)證，加工效果良好，可有效提高滾筒的加工質(zhì)量和加工效率。

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