CN106282492A - 钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种石油钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，属于石油钻具及输油专用管加工技术领域。由架体⑴、伺服电机⑵、长键⑶、传动轴⑷、短键⑸、固定架⑹、导向架⑺、激光头⑻、移动架⑼、固定螺套⑽、销轴A⑾、销轴B⑿、支架⒀、螺栓⒁、螺钉A⒂、螺钉B⒃、螺钉C⒄、螺钉D⒅组成；伺服电机带动轴向固位于架体立板的传动轴同步转动，与传动轴固联的固定架随之转动，固定架带动导向架及移动架绕固位于架体立板的固定螺套转动，导向架一端由销轴A固联移动架，另一端由销轴B通过导向槽固联固定架上部并安装激光头；固定架下部通过支架安装激光头。本发明通过将激光照射光斑轨迹与螺纹面吻合，提高螺纹及台肩面硬度，使其耐磨，减少粘结。

Description

钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置

技术领域

本发明涉及一种石油钻具(包括钻铤、钻杆、转换接头等)锥螺纹及台肩面激光热处理的工艺装置，属于石油钻具及输油专用管(如油管、套管等)的加工技术领域，也适用于各种石油管类工具锥螺纹的激光热处理。

背景技术

按SY/T5144的要求，钻具只进行调质处理(HB285～341)，没有采取特殊的热处理方式。在现场使用时，因上扣扭矩不足，或扭矩过大，易发生螺纹表面及台肩面粘连、撕裂事故。其产生的机理，是由于螺纹表面及台肩面强度不够，尤其在深井作业过程中，受到极其复杂的弯扭交变应力，产生摩擦升温而发生疲劳破坏，导致螺纹无法拆卸而使钻具失效。对此，美国API标准也仅规定螺纹探伤无裂纹即为合格，国内外很多生产企业，针对这一影响石油钻井工作的重大难题，不断寻求解决途径，如螺纹表面镀铜、热磷化、采用特殊形式的螺纹等方法，但都未有效从材料本质上加以解决。

当前，生产企业对螺纹副表面及台肩面的粘连问题，多采用磷化或镀铜处理，从成本考虑，主要采取磷化方式。而本发明装置是基于“钻铤大锥度螺纹及台肩面的激光热处理方法”发明专利(ZL2009 1 0075543.9)的基础上，创先设计的具体的加工工艺装置；利用清洁环保、绿色节能的照射加工技术，从材料本身来改善钻具螺纹副表面的组织结构，强化表面硬度，提高耐磨性能。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的局限，解决现有钻具系列(属细长杆类零件，长径比L/D＝50～100)的锥螺纹及台肩面，在使用中易发生粘连失效的问题，提出一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，提高钻具螺纹及台肩表面的强度、减少钻具的粘结失效，而且驱动功耗低，可满足控制局部强化加工、热应力应变小、适应多种锥度、不同螺距的要求，具有灵活性大、稳定性好、成本低投入少、操作简单、维护经济方便，且无污染、无噪音、节能环保等特点，顺应了新型加工产业的发展方向。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，包括架体、伺服电机、长键、传动轴、短键、固定架、导向架、激光头、移动架、固定螺套、销轴A、销轴B、支架、螺栓、螺钉A、螺钉B、螺钉C、螺钉D；

所述架体用于固定安装伺服电机与固定螺套，其通过螺栓将伺服电机固位于其上，在架体端部伺服电机输出轴出口方向设有立板，立板上通过沿圆周均布的多个螺钉A将固定螺套联接固定，伺服电机的输出轴伸出时从螺套内穿过；立板上开有用于传动轴左端轴向固位的圆形环槽；

所述伺服电机是动力源，用于驱动完成有关部件运动，以实现激光头的扫描轨迹；其输出轴在伸出端开有键槽，用于通过长键与传动轴周向固位；输出轴为空心轴，便于激光光纤导入至激光头以及降低重量、减少能耗；

所述长键用于周向固位伺服电机的输出轴与传动轴，将伺服电机的输出轴的回转运动同步至传动轴；

所述传动轴用于将伺服电机输出轴的回转运动，通过短键传递到固定架，实现固定架与伺服电机的输出轴同步回转；其外部形状为3段阶梯圆柱，一端圆柱用于通过固定螺套以及架体轴向固位，另一端圆柱用于轴向固位固定架；其内开有圆形通孔，直径与伺服电机的输出轴相匹配为静配合，在内孔上靠近伺服电机端开有键槽，用于通过长键与伺服电机输出轴周向固位；在其另一端外圆上开有键槽，用于通过短键与固定架周向固位，并用螺钉D将其与固定架固联；

所述短键用于周向固位传动轴与固定架，将传动轴的回转运动同步至固定架；

所述固定架用于固位导向架和支架，其上部开有一个平行于传动轴轴线的矩形通槽，槽中铰制一个横向销孔，用于放置导向架，用销轴B通过导向架的导向槽及固定架的横向销孔，将导向架与固定架联接；导向架在固定架的矩形槽内受销轴B约束，但可沿导向架的导向槽滑动；固定架下部通过螺钉B安装支架，支架上通过螺钉C装有激光头，用于照射钻具台肩面；其中心开有圆形通孔用于装配传动轴，在内孔上开有一个轴向键槽，用于装配短键，并通过短键与传动轴周向固位；在端面通过螺钉D将其与传动轴固联；

所述导向架用于安装激光头并随固定架同步回转时前进或后退，以实现激光头绕待加工钻具锥螺纹旋转前进或后退照射；其中部开有与待加工钻具锥螺纹长度及锥度相匹配的导向槽，槽宽与销轴B直径相匹配；其一端安装在移动架的矩形槽内，通过销轴A铰接，受销轴A约束，但可绕销轴A回转；另一端安装在固定架的矩形槽内，通过销轴B联接，受销轴B约束，但可沿导向槽滑动；在其受销轴B约束的端部装有激光头，用于照射钻具锥螺纹；

所述激光头用于照射钻具锥螺纹或台肩面；

所述移动架用于固位支撑导向架一端，并随导向架转动实现沿固定螺套的轴向旋动；在其上部开有一个平行于传动轴轴线的矩形通槽，槽中铰制一个横向销孔，用于放置导向架，通过该矩形槽，用销轴A与导向架铰接；在其中心开有圆形螺孔，螺孔内螺纹与固定螺套的外螺纹动配合为螺纹副；

所述固定螺套用于轴向固位传动轴以及提供移动架的移动位置支撑；其中心开有圆形通孔用于传动轴穿过，该内孔与传动轴外圆为动配合，固定螺套的端面止口与传动轴的台肩面为动配合，传动轴可在固定螺套的孔内转动而不能轴向移动，固定螺套的外螺纹与移动架内螺纹为动配合螺纹副；固定螺套用圆周均布的多个螺钉A固定联接在架体的端部立板上；

所述销轴A用于铰接导向架与移动架；

所述销轴B用于联接固定架与导向架；

所述支架用于安装激光头，回转时实现照射钻具台肩面；

所述螺栓用于联接架体与伺服电机；

所述螺钉A用于联接架体与固定螺套；

所述螺钉B用于联接固定架与支架；

所述螺钉C用于联接和调节激光头；

所述螺钉D用于联接传动轴与固定架；

连接关系：

伺服电机通过螺栓固位于架体上，伺服电机的输出轴上键槽内置入长键，传动轴左端置于架体⑴端部立板环形槽内，长键置于其内孔键槽内，其外套入固定螺套，使用螺钉A将固定螺套与架体端部立板固定连接，从而限制传动轴沿轴向的窜动，伺服电机的输出轴旋转输出时即可带动传动轴转动；在固定螺套外螺纹上套入移动架；传动轴外圆上键槽内置入短键，固定架套于传动轴外圆上，内孔键槽内置入短键，传动轴与固定架间通过短键周向固位，固定架一端通过传动轴圆台轴向固位，另一端通过螺钉D与传动轴轴向固位，防止固定架沿传动轴轴向窜动；导向架一端安装在移动架的矩形槽内，通过销轴A铰接；另一端安装在固定架的矩形槽内，通过销轴B联接，受销轴B约束，但可沿导向槽滑动；在其受销轴B约束的端部安装激光头，用于照射钻具锥螺纹；在固定架下部通过螺钉B安装支架，在支架上通过螺钉C安装激光头，用于照射钻具台肩面。

作为优选，为使所述激光头能够顺畅绕钻具照射锥螺纹以及台肩面，使导光光缆沿伺服电机端轴线进入，从固定架端穿出后接入激光头，避免在所述激光头工作时光缆产生缠绕。

作为优选，所述移动架与固定螺套相配合的螺纹副的螺距及旋向与待加工钻具锥螺纹的螺距及旋向相匹配，该螺纹副的轴向长度与待加工钻具锥螺纹轴向长度相匹配并略有富裕，导向架内导向槽长度根据螺纹锥度确定并略有富裕，以实现同步。

作为优选，所述移动架与固定螺套相配合的螺纹副的螺距及旋向与待加工钻具锥螺纹的螺距及旋向一致，该螺纹副的轴向长度略长于待加工钻具锥螺纹轴向长度，导向架内导向槽长度略长于待加工锥螺纹照射起点与终点间距离，斜率与待加工锥螺纹锥度一致。

作为优选，所述导向架的厚度与固定架、移动架的矩形槽宽度不低于4mm，以保证刚度满足工作要求。

作为优选，所述移动架与固定螺套相配合的螺纹副以及导向架为多套，加工不同规格钻具锥螺纹时，只要根据螺纹参数更换合适的导向架、移动架及固定螺套即可。

加工机理

通过采用本发明所提供的技术方案，高能激光束对螺纹及台肩面进行扫描后，被扫描表面在常规检验下无变形，急骤升温至相变温度后，快速冷却形成自淬火，淬火部分呈超细化的马氏体组织，硬度提高2～3倍，其硬度达到45～65HRC，处理淬硬层深为0.05～2.5mm，表面光洁无裂纹，从而提高了耐磨、耐蚀、耐疲劳性能及硬度，减少了粘结失效几率，方便钻井作业中的顺利拆换，提高油田的钻井生产效率。

有益效果

本发明装置的设计出发点是遵循节能理念，不但提高螺纹及台肩面硬度及耐磨性，常规检验下无变形，表面光洁无裂纹，减少粘结失效和方便拆卸；而且无需驱动笨重的钻具旋转，仅以数百瓦小功率伺服电机驱动小巧的激光头沿锥螺纹螺线方向旋转，即可完成它们的相对运动和加工。因此，在节能降耗方面效果显著，结构设计独特而巧妙。

综上所述，与现有技术相比，本发明不但提高螺纹及台肩面硬度及耐磨性，常规检验下无变形，表面光洁无裂纹，减少粘结失效和方便拆卸；而且节能降耗效果显著。

附图说明

图1为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置结构以及加工外锥螺纹时工位Ⅰ的位置示意图；

图2为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置结构以及加工外锥螺纹时工位Ⅱ的位置示意图；

图3为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置结构以及加工内锥螺纹时工位Ⅰ的位置示意图；

图4为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置结构以及加工内锥螺纹时工位Ⅱ的位置示意图；

图5为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置固定架⑹的矩形槽宽度尺寸示意图；

图6为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置移动架⑼的矩形槽宽度尺寸示意图；

图7为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置应用场景示意图；

图8为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置加工过程位置布置示意图；

图9为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置加工外锥螺纹及台肩面外观结构示意图；

图10为本发明一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置加工内锥螺纹及台肩面外观结构示意图；

附图标记：1-架体，2-伺服电机，3-长键，4-传动轴，5-短键，6-固定架，7-导向架，8-激光头，9-移动架，10-固定螺套，11-销轴A，12-销轴B，13-支架，14-螺栓，15-螺钉A，16-螺钉B，17-螺钉C，18-螺钉D。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明的优选实施方式进行详细说明。

一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，如图1所示，包括：架体1、伺服电机2、长键3、传动轴4、短键5、固定架6、导向架7、激光头8、移动架9、固定螺套10、销轴A11、销轴B12、支架13、螺栓14、螺钉A15、螺钉B16、螺钉C17、螺钉D18；

架体1是本装置的安装基体，用于固位伺服电机2与固定螺套10，其通过4个螺栓14将伺服电机2固位于其上，在架体1端部伺服电机2输出轴出口方向设有立板，立板上通过圆周均布的3个螺钉A15将固定螺套10联接固定，伺服电机2的输出轴伸出时从螺套10内穿过；立板上开有用于传动轴4左端轴向固位的环形槽；

伺服电机2是本装置的动力源，由它驱动完成有关部件的运动，实现激光头8的扫描轨迹；其输出轴在输出端开有键槽，用于通过长键3与传动轴4周向固位；

长键3用于周向固位伺服电机2的输出轴与传动轴4，将伺服电机2的输出轴的回转运动同步至传动轴4；

传动轴4用于将伺服电机2输出轴的回转运动，通过短键5传递到固定架6，实现固定架6与伺服电机2的输出轴同步回转；其外部形状为3个阶梯圆柱，一端用于通过固定螺套⑽以及架体1轴向固位，一端用于轴向固位固定架6；其内开有圆形通孔，直径与伺服电机2的输出轴相匹配为静配合，在内孔上靠近伺服电机2端开有键槽，用于通过长键3与伺服电机2输出轴周向固位；在其另一端外圆上开有键槽，用于通过短键5与固定架6周向固位，并用螺钉D18将其与固定架6固联，使其轴向固位；

短键5用于周向固位传动轴4与固定架6，将传动轴4的回转运动同步至固定架6；

固定架6用于固位导向架7和支架13，其上部开有一个平行于传动轴4轴线的矩形通槽，槽中铰制一个横向销孔，用于放置导向架7，用销轴B12通过导向架7的导向槽及固定架6的横向销孔，将导向架7与固定架6联接；导向架7在固定架6的矩形槽内受销轴B12约束，但可沿导向架7的导向槽滑动；固定架6下部通过螺钉B16安装支架13，支架13上通过螺钉C装有激光头8，用于照射钻具台肩面；其中心开有圆形通孔用于装配传动轴4，在内孔上开有一个轴向键槽，用于装配短键5，并通过短键5与传动轴4周向固位；在端面通过螺钉D将其与传动轴4固联；

导向架7用于安装激光头8并跟随固定架6转动的同时前进或后退，以实现激光头绕待加工钻具锥螺纹旋转前进或后退照射；其中部开有与待加工钻具锥螺纹长度相匹配的导向槽，槽宽与销轴B12直径相匹配；其一端安装在移动架9的矩形槽内，通过销轴A11铰接，受销轴A11约束，但可绕销轴A11回转；另一端安装在固定架6的矩形槽内，通过销轴B12联接，受销轴B12约束，但可沿导向槽滑动；在其受销轴B12约束的端部装有激光头8，用于照射钻具锥螺纹；

激光头8用于照射钻具锥螺纹或台肩面；可以根据实际选装1个，照射钻具锥螺纹，或者照射钻具台肩面，也可以同时安装2个同时照射钻具锥螺纹及台肩面；本实施例中为了提高照射效率，在导向架7与支架13上各安装一个，使得在完成钻具锥螺纹照射的同时完成台肩面的照射；为使激光头能够顺畅绕钻具锥螺纹照射，使导光光缆沿伺服电机2端轴线进入，即从导光入口处进入，从固定架6端穿出后接入激光头，避免从本装置外部连接激光头，在激光头工作时产生缠绕；

移动架9用于固位支撑导向架7一端，并随导向架7转动实现沿固定螺套10的轴向旋动；在其上部开有一个平行于传动轴4轴线的矩形通槽，槽中铰制一个横向销孔，用于放置导向架7，通过该矩形槽，用销轴A11与导向架7铰接；在其中心开有圆形螺孔，螺孔内螺纹与固定螺套10的外螺纹动配合为螺纹副；该螺纹副设计参数的螺距须与钻具锥螺纹螺距相匹配，并且旋向一致，以实现同步；

固定螺套10用于轴向固位传动轴4；其中心开有圆形通孔用于传动轴4穿过，该内孔与传动轴4外圆为动配合，固定螺套10的端面止口与传动轴4的台肩面为动配合，传动轴4可在固定螺套10的孔内转动而不能轴向移动，固定螺套10的外螺纹与移动架9内螺纹为动配合螺纹副；固定螺套10用圆周均布的3个螺钉A15固联在架体1的端部立板上，是实现激光头8照射轨迹与钻具锥螺纹螺距匹配吻合的关键件；

销轴A11用于铰接导向架7与移动架9；

销轴B12用于联接固定架6与导向架7；

支架13用于安装激光头8，回转时实现照射钻具台肩面；

螺栓14用于联接架体1与伺服电机2；

螺钉A15用于联接架体1与固定螺套10；

螺钉B16用于联接固定架6与支架13；

螺钉C17用于联接和调节激光头8；

螺钉D18用于联接传动轴4与固定架6；

连接关系：

伺服电机2通过4个螺栓14固位于架体1上，伺服电机2的输出轴上键槽内置入长键3，传动轴4左端置于架体1端部立板环形槽内，长键3置于其内孔键槽内，其外套入固定螺套10，使用螺钉A15将固定螺套10与架体1端部立板固定连接，从而限制传动轴4沿轴向的窜动，伺服电机2的输出轴旋转输出时即可带动传动轴4转动；在固定螺套10外螺纹上套入移动架9；传动轴4外圆上键槽内置入短键5，固定架6套于传动轴4外圆上，内孔键槽内置入短键5，传动轴4与固定架6间通过短键5周向固位，固定架6一端通过传动轴4圆台轴向固位，另一端通过螺钉D18与传动轴4轴向固位；导向架7一端安装在移动架9的矩形槽内，通过销轴A11铰接；另一端安装在固定架6的矩形槽内，通过销轴B12联接，受销轴B12约束，但可沿导向槽滑动；在其受销轴B12约束的端部用螺钉C17安装激光头8，用于照射钻具锥螺纹；在固定架6下部通过螺钉B16安装支架13，在支架13上用螺钉C17安装激光头8，用于照射钻具台肩面。

连接好的用于加工钻具外锥螺纹的本发明装置外观如图9所示，用于加工钻具内锥螺纹的本发明装置外观如图10所示。

本发明装置上述部件中，传动轴4的外圆配合长度，应大于固定螺套10的长度；固定螺套10的螺纹长度，应大于待加工钻具的螺纹长度。导向架7的厚度与固定架6及移动架9的矩形槽的宽度为间隙配合。导向架7的厚度与固定架6、移动架9的矩形槽宽度均为4mm以上，以保证刚度要求。固定架6的矩形槽宽度尺寸如图5所示，移动架9的矩形槽宽度尺寸如图6所示。

导向架7的导向槽形状及位置，是根据被加工钻具的螺纹锥度确定的。通常，因为对某一个锥度的比例系数是定值，是常数，故只需确定其比例因子即可。只要确定被加工钻具螺纹的起点和终点坐标位置，用直线段(实际长度可等于理论长度加20mm,以保证极限位置有安全富裕度)连接即可。必要时，在保证激光头与钻具螺纹表面距离为定值的前提下，可对直线段逐点进行轨迹修正。

所述移动架9与固定螺套10相配合的螺纹副以及导向架7为多套，加工不同规格钻具锥螺纹时，只要根据螺纹参数更换合适的导向架、移动架及固定螺套即可。

通过上述本发明装置即可实现激光头照射轨迹方向与被加工锥螺纹螺线轨迹方向相吻合。

如图7所示为上述本发明装置的一种使用场景示意图，该使用场景除包括本发明装置外，还包括激光发生器、水冷机组、导光系统和操作控制台，水冷机组分别与激光发生器和导光系统连接，导光系统通过光纤与本装置激光头8连接，操作控制台分别与激光发生器和本装置连接；

激光发生器用于产生加工所需规格的激光，是提供激光源的主要设备；本实施例中使用3000～5000W高功率CO2激光发生器，其最大连续输出功率2kW,常用1kW左右，包含功率计及光闸，激光束的功率密度为1×103～2.5×104W/cm²；

激光专用水冷机组用于冷却激光发生器和导光系统；

外光路导光系统用于产生加工所需方向的激光束，其由反射镜、聚焦镜等组成；其与激光专用水冷机组是保障激光束正常高效连续产生及传输送达激光头的配套设备；

操作控制台用于按照优化的最佳工艺参数，控制本装置驱动伺服电机的转速和转向，以及激光发生器的开启关闭。

为方便操作及安全需要，所述操作控制台应采用计算机和可编程控制器(PLC)、伺服电机驱动器来驱动和控制电机转速、转数、转向及动作行程和激光头的开启关闭等；还可在本发明装置固定架6、移动架9和固定螺套10上设置接近开关或限位器、位置传感器等，起到极限位置的保护作用。

加工示例：

安装：如图8所示，架体1应可靠固定于地基上；将待加工钻具吊装在“V型块”上，本发明装置的传动轴4应与钻具轴线同轴(≤φ1mm)；限定待加工钻具端面与本发明装置固定架6端面距离为一给定值，以便于设定螺纹起点位置。如图1所示，该给定值即为图中a所示距离，本实施例中设定该尺寸a为30mm，当然，本领域技术人员知道，a的尺寸可以任意设定，并且设定被加工钻具的螺纹起点位置，以便于批量生产时激光头8相对被加工钻具的螺纹轨迹吻合。

加工原理：

当开启伺服电机2旋转，通过长键3即可将伺服电机2的转动传给传动轴4，传动轴4通过短键5带动固定架6转动，由固定架6的矩形槽带动导向架7及其安装的激光头8作同向旋转运动；同时，由导向架7拨动移动架9的矩形槽，使移动架9围绕固定螺套10的轴线，沿螺纹副同向旋转；而导向架7旋转的同时，又以固定在移动架9上的销轴A11为中心，通过固定架6上的销轴B12沿其导向槽移动，来实现固定在导向架7端头的激光头8的合成运动，即同步于钻具螺纹(旋向、螺距)。

加工过程：

使激光头置于起点位置(工位Ⅰ)，调整好激光头照射角度，做好加工前的准备；如图1或图3所示。

启动伺服电机2正转，同时开启激光，通过长键3、传动轴4、短键5、固定架6、导向架7，将同向旋转运动传给激光头8；同时，由导向架7拨动移动架9围绕固定螺套10的轴线，沿螺纹副旋转；而导向架7旋转的同时，又以固定在移动架9上的销轴A11为中心，通过固定架6上的销轴B12沿其导向槽移动，从而实现固定在导向架7端头的激光头8的合成运动，即同步于钻具螺纹(旋向、螺距)；当激光头移至钻具螺纹终点时(工位Ⅱ)，如图2或图4所示，关闭伺服电机2停止正转，同时关闭激光，加工结束。

将激光头8对螺纹另一侧面调整好照射角度，再次启动伺服电机2反转，并开启激光，照射加工至起点位置(工位Ⅰ)，关闭伺服电机2停止反转并关闭激光，等待加工下一个钻具螺纹。

注意：对大锥螺纹中径表面的强化处理，为避免对牙顶热处理过烧和牙底热处理不足的现象发生，应根据螺纹牙型角，预先调节激光头8照射线相对螺纹中径表面倾斜60°～90°后，再用螺钉C17将激光头8固定在导向架7上；同理，在二次工作循环前，应将激光头反向对螺纹中径表面倾斜60°～90°并用螺钉C17将激光头8固定。

对于上述加工过程，可选的，为提高效率，对钻具长度一致的，可在钻具的两端，布置2套装置，对内、外螺纹同时分别进行加工；对长度不一致的，在钻具的一端布置1套装置，对内螺纹或外螺纹进行加工，然后将钻具掉头再加工另一端。

钻具锥螺纹经过上述过程加工后，螺纹硬化带轨迹呈螺旋线，台阶面硬化带轨迹呈圆环面状；淬硬带宽(光斑直径)5mm～10mm,淬硬层深0.05～2.5mm,硬度为基材(未调质处理前)的2～3倍，耐磨性提高了1～2倍。

与其他现有加工技术不同点

对钻具螺纹的加工，通常的工艺(特别是车削)方法是：钻具围绕其自身轴线作旋转运动与加工刀具或激光头激光束沿钻具螺纹表面母线作直线移动，二者合成螺纹的螺旋线运动轨迹。而本装置采用保持笨重的钻具固定不动，激光头激光束以与螺纹表面垂直的角度照射锥螺纹牙型的一个侧面并围绕钻具轴线沿锥螺纹螺旋线的升角轨迹方向旋转，即激光束旋合于锥螺纹，激光束的一个光斑必须覆盖牙型侧面，处理完成牙型的一个侧面后，激光头调向按上述要求处理牙型的另一个侧面。处理台肩面时，激光束围绕钻具轴线并对台肩面进行旋转照射，宽度为一个光斑的直径，光斑直径根据台肩面宽度可在一定范围内调节。

应用上述本发明装置，可进行钻具内、外锥螺纹表面及其台肩面的加工，还可以扩展到对钻杆内外锥螺纹、转换接头内外锥螺纹、油管内外锥螺纹、套管内外锥螺纹等的螺纹表面及其台肩面的表面强化处理。对于内外直螺纹、火炮炮尾螺纹等，亦同样可以进行表面强化处理。

虽然结合了附图描述了本发明的实施方式，但是对于本领域技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，其特征在于：包括架体⑴、伺服电机⑵、长键⑶、传动轴⑷、短键⑸、固定架⑹、导向架⑺、激光头⑻、移动架⑼、固定螺套⑽、销轴A⑾、销轴B⑿、支架⒀、螺栓⒁、螺钉A⒂、螺钉B⒃、螺钉C⒄、螺钉D⒅；

所述架体⑴是本装置的安装基体，用于固定安装伺服电机⑵与固定螺套⑽，其通过螺栓⒁将伺服电机⑵固位于其上，在架体⑴端部伺服电机⑵输出轴出口方向设有立板，立板上通过沿圆周均布的多个螺钉A⒂将固定螺套⑽联接固定，伺服电机⑵的输出轴伸出时从螺套⑽内穿过；立板上开有用于传动轴⑷左端轴向固位的圆形环槽；

所述伺服电机⑵是本装置的动力源，由它驱动完成有关部件的运动，以实现激光头⑻的扫描轨迹；其输出轴在伸出端开有键槽，用于通过长键⑶与传动轴⑷周向固位；输出轴为空心轴，便于激光光纤导入至激光头⑻以及降低重量、减少能耗；

所述长键⑶用于周向固位伺服电机⑵的输出轴与传动轴⑷，将伺服电机⑵的输出轴的回转运动同步至传动轴⑷；

所述传动轴⑷用于将伺服电机⑵输出轴的回转运动，通过短键⑸传递到固定架⑹，实现固定架⑹与伺服电机⑵的输出轴同步回转；其外部形状为3段阶梯圆柱，一端用于通过固定螺套⑽以及架体⑴轴向固位，另一端用于轴向固位固定架⑹；其内开有圆形通孔，直径与伺服电机⑵的输出轴相匹配，二者为静配合，在内孔上靠近伺服电机⑵端开有键槽，用于通过长键⑶与伺服电机⑵输出轴周向固位；在其另一端外圆上开有键槽，用于通过短键⑸与固定架⑹周向固位，在外圆端面用螺钉D⒅与固定架⑹固联；

所述短键⑸用于周向固位传动轴⑷与固定架⑹，将传动轴⑷的回转运动同步至固定架⑹；

所述固定架⑹用于固位导向架⑺和支架⒀，其上部开有一个平行于传动轴⑷轴线的矩形通槽，槽中铰制一个横向销孔，用于放置导向架⑺，用销轴B⑿通过导向架⑺的导向槽及固定架⑹的横向销孔，将导向架⑺与固定架⑹联接；导向架⑺在固定架⑹的矩形槽内受销轴B⑿约束，但可沿导向架⑺的导向槽滑动；固定架⑹下部通过螺钉B⒃安装支架⒀，支架⒀上装有激光头⑻，用于照射钻具台肩面；其中心开有圆形通孔用于装配传动轴⑷，在内孔上开有一个轴向键槽，用于装配短键⑸，并通过短键⑸与传动轴⑷周向固位；在其端面通过螺钉D⒅与传动轴⑷固联；

所述导向架⑺用于安装激光头⑻并随固定架⑹同步回转时前进或后退，以实现激光头绕待加工钻具锥螺纹旋转前进或后退照射；其中部开有与待加工钻具锥螺纹长度及锥度相匹配的导向槽，槽宽与销轴B⑿直径相匹配；其一端安装在移动架⑼的矩形槽内，通过销轴A⑾铰接，受销轴A⑾约束，但可绕销轴A⑾回转；另一端安装在固定架⑹的矩形槽内，通过销轴B⑿联接，受销轴B⑿约束，但可沿导向槽滑动；在其受销轴B⑿约束的端部装有激光头⑻，用于照射钻具锥螺纹；

所述激光头⑻用于照射钻具锥螺纹或台肩面；

所述移动架⑼用于固位支撑导向架⑺一端，并随导向架⑺转动实现沿固定螺套⑽的轴向旋动；在其上部开有一个平行于传动轴⑷轴线的矩形通槽，槽中铰制一个横向销孔，用于放置导向架⑺，通过该矩形槽，用销轴A⑾与导向架⑺铰接；在其中心开有圆形螺孔，螺孔内螺纹与固定螺套⑽的外螺纹动配合为螺纹副；

所述固定螺套⑽用于轴向固位传动轴⑷以及提供移动架⑼的移动位置支撑；其中心开有圆形通孔用于传动轴⑷穿过，该内孔与传动轴⑷外圆为动配合，固定螺套⑽的端面止口与传动轴⑷的台肩面为动配合，传动轴⑷可在固定螺套⑽的孔内转动而不能轴向移动，固定螺套⑽的外螺纹与移动架⑼内螺纹为动配合螺纹副；固定螺套⑽用圆周均布的多个螺钉A⒂固定联接在架体⑴的端部立板上；

所述销轴A⑾用于铰接导向架⑺与移动架⑼；

所述销轴B⑿用于联接固定架⑹与导向架⑺；

所述支架⒀用于安装激光头⑻，回转时实现照射钻具台肩面；

所述螺栓⒁用于联接架体⑴与伺服电机⑵；

所述螺钉A⒂用于联接架体⑴与固定螺套⑽；

所述螺钉B⒃用于联接固定架⑹与支架⒀；

所述螺钉C⒄用于联接和调节激光头⑻；

所述螺钉D⒅用于联接传动轴⑷与固定架⑹；

连接关系：

伺服电机⑵通过螺栓⒁固位于架体⑴上，伺服电机⑵的输出轴上键槽内置入长键⑶，传动轴⑷左端置于架体⑴端部立板环形槽内，长键⑶置于其内孔键槽内，其外套入固定螺套⑽，使用螺钉A⒂将固定螺套⑽与架体⑴端部立板固定连接，从而限制传动轴⑷沿轴向的窜动，伺服电机⑵的输出轴旋转输出时即可带动传动轴⑷转动；在固定螺套⑽外螺纹上套入移动架⑼；传动轴⑷外圆上键槽内置入短键⑸，固定架⑹套于传动轴⑷外圆上，内孔键槽内置入短键⑸，传动轴⑷与固定架⑹间通过短键⑸周向固位，固定架⑹一端通过传动轴⑷圆柱轴向固位，另一端通过螺钉D⒅与传动轴⑷轴向固位，防止固定架⑹沿传动轴⑷轴向窜动；导向架⑺一端安装在移动架⑼的矩形槽内，通过销轴A⑾铰接；另一端安装在固定架⑹的矩形槽内，通过销轴B⑿联接，受销轴B⑿约束，但可沿导向槽滑动；在其受销轴B⑿约束的端部安装激光头⑻，用于照射钻具锥螺纹；在固定架⑹下部通过螺钉B⒃安装支架⒀，在支架⒀上通过螺钉C⒄安装激光头⑻，用于照射钻具台肩面。

2.根据权利要求1所述的一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，其特征在于：为使所述激光头能够顺畅绕钻具照射锥螺纹以及台肩面，使导光光缆沿伺服电机⑵端轴线进入，从固定架⑹端穿出后接入激光头，避免在所述激光头工作时光缆产生缠绕。

3.根据权利要求1所述的一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，其特征在于：所述移动架⑼与固定螺套⑽相配合的螺纹副的螺距及旋向与待加工钻具锥螺纹的螺距及旋向相匹配，该螺纹副的轴向长度与待加工钻具锥螺纹轴向长度相匹配并略有富裕，导向架⑺内导向槽长度根据螺纹锥度确定并略有富裕，以实现同步。

4.根据权利要求3所述的一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，其特征在于：所述移动架⑼与固定螺套⑽相配合的螺纹副的螺距及旋向与待加工钻具锥螺纹的螺距及旋向一致，该螺纹副的轴向长度略长于待加工钻具锥螺纹轴向长度，导向架⑺内导向槽长度略长于待加工锥螺纹照射起点与终点间距离，斜率与待加工锥螺纹锥度一致。

5.根据权利要求1所述的一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，其特征在于：所述导向架⑺的厚度与固定架⑹、移动架⑼的矩形槽宽度不低于4mm，以保证刚度满足工作要求。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种钻具锥螺纹及台肩面激光热处理装置，其特征在于：所述移动架⑼与固定螺套⑽相配合的螺纹副以及导向架⑺为多套，加工不同规格钻具锥螺纹时，只要根据螺纹参数更换合适的导向架、移动架及固定螺套即可。