CN107350809A - 一种铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备装置及制备方法 - Google Patents

一种铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备装置及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了一种铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备装置及制备方法，该装置包括电极运动系统、辊子装夹系统、激光加工系统、电解液循环系统、电源和工作台，电极运动系统主要由多孔喷射电极、电机、滑移架、导轨、法兰组成；辊子装夹系统包括夹具体、分度盘、分度盘底座、活动顶针；激光加工系统主要由激光器、全反射镜和聚焦透镜组成；电解液循环系统主要由电解液、电解液池、耐蚀泵、球阀、输液管和回流管组成，利用激光对辊子整个外圆表面进行轴向激光刻蚀，再用多孔喷射电解光整凹坑表面，实现辊子结构化表面的制备，提高了加工精度和效率，使得辊子的耐磨损性和使用寿命都得到了提高，对提高铁钻工操作的稳定性和安全性有重要作用。

Description

一种铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备装置及制备方法
技术领域
本发明涉及一种铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备装置和制备方法，尤其涉及一种利用激光刻蚀和多孔喷射电解加工复合制备阵列凹坑的装置。
背景技术
随着人类对石油需求量的日趋增大，石油机械也在蓬勃发展，在开采石油钻井过程中，井口机器人铁钻工是重要的设备，在高频大扭矩工况条件下，冲扣钳辊子表面极易磨损，由于冲扣钳辊子的磨损会导致铁钻工夹紧钻杆、套管时打滑，严重影响了整体的工作效率和质量。故而对辊子表面采取结构化处理，可以提高其耐磨损性能，延长使用寿命，以提高铁钻工操作的稳定性和安全性。
目前在金属材质表面进行结构化表面制备的方法主要有：电火花加工、激光加工、喷射电解加工等，电火花加工虽然成型电极的电极损耗小，但是电极制作困难；激光加工具有加工效率高等优点，对于微坑的加工，其加工表面还需要更进一步的光整加工处理；电解喷射加工可达性好，并且不需要制作成型阴极。但是也存在单孔加工效率低、重复精度差、定域性差等工艺缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够对铁钻工冲扣钳辊子外圆表面进行有效、高效的结构化处理的装置及其制备方法。本发明的另一目的是提供一种对工件多个位置同时进行电化学腐蚀的新型的多孔喷射电极。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备装置，包括电极运动系统、辊子装夹系统、激光加工系统和电解液循环系统，所述电极运动系统包括多孔喷射电极、电极基座、绝缘套、电机、滑移架、直线导轨、滚珠丝杠、立柱和法兰，所述多孔喷射电极安装在电极基座上，所述电极基座通过法兰与滑移架连接固定，所述直线导轨固定在立柱上，所述电机固定在立柱上端，与滚珠丝杠连接，所述滑移架与滚珠丝杠连接，所述绝缘套套装在多孔喷射电极上；所述辊子装夹系统包括夹具体、分度盘、分度盘底座、活动顶针，所述分度盘安装在分度盘底座上，所述分度盘底座装在夹具体左侧，所述活动顶针固定在夹具体右侧；所述激光加工系统主要由激光器、全反射镜和聚焦透镜组成，所述激光器固定在立柱上端，所述全反射镜固定在工件上方，所述聚焦透镜垂直固定在全反射镜和辊子之间；所述电解液循环系统主要由电解液池、电解液、过滤装置、输液管、回流管、球阀和水泵组成，所述电解液池底座固定在工作台上，所述输液管一端与法兰端口连接，另一端接入电解液池中。
进一步地，所述多孔喷射电极与电极基座装配后形成内外两层流道，内外两层流道之间通过电极基座的侧壁通孔相连通；所述多孔喷射电极和绝缘套沿着周向一侧都设有微小群孔，通过销钉定位，使多孔喷射电极的周向一侧群孔和绝缘套群孔位置相对应；所述多孔喷射电极与法兰连接处有凹槽，用于安装密封垫圈，形成封闭空间。
进一步地，所述夹具体固定于工作台，所述分度盘通过轴承和分度盘底座进行固定，所述分度盘带动辊子的转动，将销子插到分度定位孔和底座上的凹槽中可实现分度定位。
进一步地，所述全反射镜将激光器发出的激光束反射至聚焦透镜上，再由聚焦透镜将激光束聚焦到工件表面。
进一步地，所述水泵在电解喷射加工过程中提供电解液，通过调节球阀来控制电解液的流速；电解液池中安装有过滤装置。
为了实现上述发明目的，借助发明的装置，铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备方法包括如下步骤： 1)将辊子安装在夹具体上，利用夹具体左右两侧的分度盘与活动顶针固定，辊子与电源正极连接；2)将多孔喷射电极安装在电极基座上，再将绝缘套对位安装在多孔喷射电解外侧，多孔喷射电极与电源负极连接；3)启动激光器，调整聚焦透镜将激光聚焦于辊子表面；4)通过工作台与分度盘的结合运动，利用脉冲激光对辊子外圆表面进行阵列刻蚀，形成结构化初始表面；5)启动电机，调整多孔电极的高度，控制工作台，调整辊子与多孔喷射电极的相对位置和距离；6)同时启动水泵和电源，调整电解液压力与电源电压，多孔喷射电极喷射出电解液，实现辊子激光刻蚀表面的电化学抛光，获得最终的结构化表面。
上述制备方法中，所述脉冲激光单脉冲能量50-100mJ，脉宽为12-16ms，频率为1-5Hz；所述电解液为中性NaNO3溶液，浓度为20-30％，电解液压力为0.5-1MPa；所述电源电压为50-80V；所述辊子与多孔喷射电极的距离为0.5-1mm；所述分度盘的分度精度为±0.05度。
与现有技术相比，本发明优点：1.针对轴对称的辊子零件，在外圆实现结构化表面高效制备；2.多孔喷射电极不需要制作成型电极，减少了制作成型电极带来的误差，提高了工件表面微坑加工精度；3.制备的辊子结构化表面耐磨损性能强，寿命长。
附图说明
图1为本发明装置示意图；
图2为多孔喷射电极的安装结构示意图；
图3制备了结构化表面的辊子样件图；
图4为辊子光滑表面摩擦试验结果图；
图5为辊子结构化表面摩擦试验结果图；
图1内标号为：
1、多孔喷射电极，2、电极基座，3、绝缘套，4、反光镜，5、聚焦透镜，6、电机，7、激光器，8、滑移架，9、直线导轨，10、滚珠丝杠，11、立柱，12、电流表，13、稳压电源，14、电压表，15、球阀，16、输液管，17、水泵，18、电解液池，19、电解液，20、过滤装置，21、回流管，22、工作箱，23、活动顶针，24、夹具体，25、辊子，26、工作台，27、分度定位孔，28、分度盘，29、轴承，30、分度盘底座， 31、法兰，32、螺钉，33、销钉，34、密封垫圈，35、螺栓，36、激光加工系统，37、电解液循环系统， 38、电极运动系统，39、辊子装夹系统。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明
本发明提供了一种铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备装置，包括电极运动系统38、辊子装夹系统39、激光加工系统36和电解液循环系统37，如图1所示。
电极运动系统包括多孔喷射电极1、电极基座2、绝缘套3、电机6、滑移架8、直线导轨9、滚珠丝杠10、立柱11和法兰31。多孔喷射电极1安装在电极基座2上，电极基座2通过法兰31与滑移架8连接固定，直线导轨9固定在立柱11上，电机6固定在立柱11上端，与滚珠丝杠10连接，滑移架8与滚珠丝杠10连接，绝缘套3套装在多孔喷射电极1上。电机带动滚珠丝杆旋转带动滑移架沿着导轨作上下垂直运动，实现多空喷射电极的上下移动。
图2中，多孔喷射电极1内设有内外两层流道，内外两层流道之间有多个小孔相连通；多孔喷射电极 1和绝缘套3周向一侧都设有微小群孔，通过销钉定位，使多孔喷射电极1的周向一侧群孔和绝缘套3群孔位置相对应。电解液先进入内流道，然后进入外流道，再从周向一侧群孔喷射出去形成稳定射流，此时接通电源，此时由多孔喷射电极小孔喷射出来的电解液带负电被阴极化，然后射向工件的待加工部位，再喷射点上产生电化学阳极溶解。绝缘套3孔对孔紧贴多孔喷射电极1可以防止电解液溅射到工件表面其他位置。
辊子装夹系统39包括夹具体24、分度盘28、分度盘底座30、活动顶针23，分度盘28安装在分度盘底座30上，分度盘底座30装在夹具体24左侧，活动顶针23固定在夹具体24右侧。夹具体固定于工作台，分度盘28通过轴承29和分度盘底座30进行固定，分度盘28带动辊子25的转动，将销子插到分度定位孔27和底座上的凹槽中可实现分度定位。工件辊子通过左侧分度盘与右侧的活动顶针固定在夹具中，并且跟随分度盘作旋转，实现转动分度。
下面根据本发明装置来说明本发明方法：
1)将工件固定夹紧在夹具体上，通过调整聚焦透镜的位置，使激光聚焦点聚焦于工件待加工表面上，激光束初始位置在工件外圆表面-X方向最右端；光班沿待加工点扫描，对工件表面进行定点微坑加工，激光每刻蚀完一处微坑，工作台都会沿-X轴方向移动到下一处待加工处等待激光刻蚀。使得聚焦激光束对辊子外圆表面进行轴向扫描刻蚀，每加工完一列，转动分度盘，重复以上操作，直至工件外圆表面全部被激光刻蚀。
2)通过驱动电机带动滚珠丝杠，带动滑移架上的多孔喷射电极慢慢靠近工件表面至0.5mm～1mm处停止，电解喷射小孔对准工件表面上经激光刻蚀过的凹坑，多孔喷射电极对一列凹坑表面电化学腐蚀后，转动分度盘，重复以上操作直至光整加工完所有阵列微坑表面。
3)本方法中使用的激光为脉冲激光，激光单脉冲能量50-100mJ，脉宽为12-16ms，频率为1-5Hz；电解液为中性NaNO3溶液，浓度为20-30％，电解液压力为0.5-1MPa；电源电压为50-80V；辊子与多孔喷射电极的距离为0.5-1mm；分度盘的分度精度为±0.05度。
图3是利用本发明装置及方法制备的辊子结构化表面的试件，该试件直径为20mm，长度为30mm，制备的结构化表面是阵列凹坑，单个凹坑直径为0.8mm，轴向间距为1mm，周向分度间隔为10度。
图4-图5是利用本发明装置及方法制备的辊子结构化表面的试件摩擦试验结果图。从图中可以看，。在相同摩擦条件下，结构化表面的耐磨损性能高，磨损量少。

Claims (7)

1.一种铁钻工冲扣钳辊子结构化表面制备装置，其特征在于，该装置包括电极运动系统(38)、辊子装夹系统(39)、激光加工系统(36)和电解液循环系统(37)，所述电极运动系统包括多孔喷射电极(1)、电极基座(2)、绝缘套(3)、电机(6)、滑移架(8)、直线导轨(9)、滚珠丝杠(10)、立柱(11)和法兰(31)，所述多孔喷射电极(1)安装在电极基座(2)上，所述电极基座(2)通过法兰(31)与滑移架(8)连接固定，所述直线导轨(9)固定在立柱(11)上，所述电机(6)固定在立柱(11)上端，与滚珠丝杠(10)连接，所述滑移架(8)与滚珠丝杠(10)连接，所述绝缘套(3)套装在多孔喷射电极(1)上；所述辊子装夹系统(39)包括夹具体(24)、分度盘(28)、分度盘底座(30)、活动顶针(23)，所述分度盘(28)安装在分度盘底座(30)上，所述分度盘底座(30)装在夹具体(24)左侧，所述活动顶针(23)固定在夹具体(24)右侧；所述激光加工系统(36)主要由激光器(7)、全反射镜(4)和聚焦透镜(5)组成，所述激光器(7)固定在立柱(11)上端，所述全反射镜(4)固定在工件(25)上方，所述聚焦透镜(5)垂直固定在全反射镜(4)和辊子(25)之间；所述电解液循环系统(37)主要由电解液池(18)、电解液(19)、过滤装置(20)、输液管(16)、回流管(21)、球阀(15)和水泵(17)组成，所述电解液池(18)底座固定在工作台(26)上，所述输液管(16)一端与法兰(31)端口连接，另一端接入电解液池(18)中。
2.根据权利要求1所述的铁钻工冲扣钳辊子结构化表面制备装置，其特征在于，所述多孔喷射电极(1)与电极基座(2)装配后形成内外两层流道，内外两层流道之间通过电极基座(2)的侧壁通孔相连通；所述多孔喷射电极(1)和绝缘套(3)沿着周向一侧都设有微小群孔，通过销钉定位，使多孔喷射电极(1)的周向一侧群孔和绝缘套(3)群孔位置相对应；所述多孔喷射电极(1)与法兰(31)连接处有凹槽，用于安装密封垫圈(34)，形成封闭空间。
3.根据权利要求1所述的铁钻工冲扣钳辊子结构化表面制备装置，其特征在于，所述夹具体固定于工作台，所述分度盘(28)通过轴承(29)和分度盘底座(30)进行固定，所述分度盘(28)带动辊子(25)的转动，将销子插到分度定位孔(27)和底座上的凹槽中可实现分度定位。
4.根据权利要求1所述的铁钻工冲扣钳辊子结构化表面制备装置，其特征在于，所述全反射镜(4)将激光器(7)发出的激光束反射至聚焦透镜(5)上，再由聚焦透镜(5)将激光束聚焦到工件(25)表面。
5.根据权利要求1所述的铁钻工冲扣钳辊子结构化表面制备装置，其特征在于，所述水泵(17)在电解喷射加工过程中提供电解液，通过调节球阀(15)来控制电解液的压力；电解液池(18)中安装有过滤装置(20)。
6.一种铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
1)将辊子安装在夹具体上，利用夹具体左右两侧的分度盘与活动顶针固定，辊子与电源正极连接；
2)将多孔喷射电极安装在电极基座上，再将绝缘套对位安装在多孔喷射电解外侧，多孔喷射电极与电源负极连接；
3)启动激光器，调整聚焦透镜将激光聚焦于辊子表面；
4)通过工作台与分度盘的结合运动，利用脉冲激光对辊子外圆表面进行阵列刻蚀，完成结构化初始表面制备；
5)启动电机，调整多孔电极的高度，控制工作台，调整辊子与多孔喷射电极的相对位置和距离；
6)同时启动水泵和电源，调整电解液压力与电源电压，多孔喷射电极喷射出电解液，实现辊子激光刻蚀表面的电化学抛光，获得最终的结构化表面。
7.根据权利要求6所述的铁钻工冲扣钳辊子结构化表面的制备方法，其特征在于所述脉冲激光单脉冲能量50-100mJ，脉宽为12-16ms，频率为1-5Hz；所述电解液为中性NaNO3溶液，浓度为20-30％，电解液压力为0.5-1Mpa；所述电源电压为50-80V；所述辊子与多孔喷射电极的距离为0.5-1mm；所述分度盘的分度精度为±0.05度。
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