CN107571022B - 采油螺杆泵转子车铣复合加工方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种采油螺杆泵转子车铣复合加工方法及装置。主要目的在于提供一种易加工、周期短、操作简单的采油螺杆泵双头转子加工方法和专用装置。其特征在于：将三头定子的一条边作为刀具的切削线，可用圆柱铣刀作为切削刀具，通过刀具对转子外周进行切削加工，转子的驱动装置为可实现行星运动的驱动装置；以待加工转子横截面的短轴、长轴建立直角坐标系，将采油螺杆泵在变幅系数为0.5时的三头短幅内摆线平行于与转子长轴的坐标轴的一条直线作为立铣刀，利用工装夹具实现待加工转子棒料的行星运动，通过所述立铣刀沿着待加工转子棒料的径向和轴向运动,控制转子截面的大小和截面旋转位置实现对转子的加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于机械加工技术领域中的方法和实现装置，特别涉及一种用于采油螺杆泵转子的加工方法及装置。
背景技术
螺杆泵采油作为一种新兴的人工举升方式，采用容积泵结构，利用转子在定子内腔中的行星运动使密封腔上移实现石油的举升，它具有操作方便、节能效果明显、投资少、设备结构简单以及适应性强等特点，可以有效降低采油成本，提高采油的效益，因为其拥有潜油电泵、水力活塞泵、抽油机柱塞泵等机采方式无法比拟的优点，所以倍受国内外油田重视，使之成为油田主要的机采方式之一。随着科技的迅猛发展，主要的螺旋曲面铣削加工技术有成形铣削法、圆环形盘铣刀外旋风包络铣削法、法截面插补加工、内旋风包络铣削法。但是，这些方法各有不足，成形铣削法加工的螺旋面表面质量难于进一步提高，加工效率低、加工精度差；圆环形盘铣刀外旋风包络铣削法在实际应用中只限于大导程螺杆的加工；法截面插补加工法不太适用于采油单螺杆泵转子法截面廓形求解过程比较复杂的情况；内旋风包络铣削法的工艺参数配置复杂、数控编程难度大。但是，内旋风包络铣削法在加工螺杆泵转子、双头或三头凸螺杆零件仍具有独特的优势，是目前国际上比较先进的螺杆加工方式。
随着采油螺杆泵的广泛应用，其需求量也不断地增加，其加工方法也是与时俱进。申请号201610846488.9一种定子加工方法及设备和转子加工方法及设备，它利用多轴联动系统和特制的具有定子径向截面形状的盘状多刃刀具加工螺旋转子，它的多轴联动系统控制轴数越多，控制系统就越复杂，编程也越困难，联动轴数要求的插补计算越多，指令输出也越多，位置控制要求的动作越复杂。它的加工刀具是具有定子径向截面形状的盘状多刃刀具，需要根据定子径向截面参数编制铣刀廓形的专用计算程序辅助设计铣刀，特制加工刀具的加工制造过程较复杂。
发明内容
为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供了一种新的加工方法及用于实施该方法的装置，应用该种方法制造出一种机械式的行星运动装置，用普通铣刀就可加工采油螺杆泵转子，从而解决了目前加工双头采油螺杆泵转子时存在的问题，具有生产效率高、加工周期短和生产成本低等优点。
本发明的技术方案是：该种采油螺杆泵转子车铣复合加工方法为：将三头定子的一条边作为刀具的切削线，可用圆柱铣刀作为切削刀具，通过刀具对转子外周进行切削加工，转子的驱动装置为可实现行星运动的驱动装置，使转子在做切削运动的过程中，既绕转子自身的轴线进行自转运动，也绕与转子轴线相距一个偏心距的固定轴线进行公转运动。
所述的将三头定子的一条边作为刀具的切削线，可用圆柱铣刀作为切削刀具，通过刀具对转子外周进行切削加工，通过如下步骤实现：即以待加工转子截面的短、长轴建立直角坐标系，将采油螺杆泵在变幅系数为0.5时的三头短幅内摆线平行于与转子长轴的坐标轴的一条直线作为立铣刀，利用工装夹具实现待加工转子棒料的行星运动，通过所述立铣刀沿着待加工转子棒料的径向和轴向运动,控制转子截面的大小和截面旋转位置实现对转子的加工。
用于实现上述方法的加工装置，包括机座和十字滑台，其独特之处在于：
所述装置还包括行星运动驱动装置、立铣刀和刀具驱动装置；
所述行星运动驱动装置设于机座上，包括第一步进电机、自转卡盘、可伸缩万向节、公转齿轮、卡簧、第二步进电机、第二联轴器、第一传动齿轮、第二传动齿轮、第一传动轴和第二传动轴；
其中，在自转卡盘的内腔中置有锁紧螺栓，通过旋入所述锁紧螺栓实现对转子棒料的固定；
公转齿轮上开有通孔，所述通孔的轴心与公转齿轮的轴心存在一个偏心距，以实现公转齿轮上的通孔可绕公转齿轮的轴心转动；公转齿轮通过齿数比为1比1的齿轮系传动顺时针转动，所述齿轮系包括第一传动齿轮和第二传动齿轮；自转卡盘尾轴穿过公转齿轮上的通孔后与可伸缩万向节的一端相连接，公转齿轮尾轴穿过机座上的机座通孔，通过配置在所述机座通孔上的限位螺栓锁紧；可伸缩万向节的另一端与第一步进电机的转动轴相连接，用以实现自转卡盘可绕公转齿轮的中心轴做偏心运动；第一步进电机通过可伸缩万向节带动自转卡盘转动，从而实现转子自转；第二步进电机通过联轴器和传动轴与第一传动齿轮相连接，从而带动第一传动齿轮转动，第一传动齿轮与第二传动齿轮相配合以实现第一传动齿轮带动第二传动齿轮转动，第二传动齿轮与公转齿轮相配合以实现带动公转齿轮后实现自转卡盘的公转；所述第二步进电机的转速是第一步进电机转速的二倍,且两步进电机的转向相反。
所述刀具驱动装置包括刀具电机、第一联轴器、刀具电机支架、刀具轴、转夹和刀具架，刀具电机的输出端通过第一联轴器与刀具驱动轴连接，刀具驱动轴的输出端安装转夹，转夹上夹有立铣刀；所述刀具驱动装置与十字滑台连接，其中，通过螺栓与十字滑台上层滑台的滑块连接，从而实现旋转上层滑台的手柄带动丝杠旋转，丝杠推动上层滑台的滑块带动所述刀具驱动装置径向进给或后退；所述十字滑台中的上层滑台通过螺栓与下层滑台的滑块连接，下层滑台的驱动步进电机带动丝杠旋转，丝杠推动下层滑台的滑块带动上层滑台及刀具驱动装置轴向进给或后退；自转卡盘的轴线与立铣刀的轴线之间相互垂直。立铣刀为具有多刃的通用立铣刀。
本发明具有如下有益效果：
本发明的采油螺杆泵转子加工方法是利用定子和转子的相对运动原理，以代加工转子截面的短长轴为基础建立直角坐标系，将采油螺杆泵在变幅系数为0.5时的三头短幅内摆线平行于与转子长轴的坐标轴的一条直线作为立铣刀，将所述三头短幅内摆线的另外两条近似直线作为所述立铣刀的支架，利用工装夹具实现转子棒料的行星运动，通过所述立铣刀沿着转子棒料的径向和轴向运动控制转子截面的大小和截面旋转位置实现对转子的加工。该种转子加工方法，利用三头短幅内摆线和双头转子的相对运动原理，将三头短幅内摆线的一条边制作成切削转子的立铣刀，通过立铣刀对转子外周进行切削加工，转子棒料的驱动装置为具有实现行星运动的工装夹具，使转子棒料在做切削运动的过程中，自转卡盘夹持的转子棒料既绕转子自身的中心轴线进行自转运动，也通过带有偏心孔的公转齿轮绕公转齿轮的中心轴进行公转运动。
本发明所述装置在加工转子时将三头定子的一条边作为刀具的切削线，可用圆柱铣刀作为切削刀具，具有生产效率高、加工周期短、生产成本低等优点。本发明的加工方法及设备使用时，可通过调整加工刀具的进给速度和位置来实现转子不同导程段螺旋段的加工。本发明中，通用刀具均采用多刃刀具，与单刃刀具相比较，可有效提高生产效率，缩短加工周期，且通用刀具可换成磨具进一步实现对采油螺杆泵转子的精加工。本发明中所采用的行星驱动装置为自主设计制造的专用工装夹具，其公转偏心距不可调节，因此要在同一台机床上生产多种不同规格的螺旋转子，换不同的工装夹具就可以实现。
附图说明：
图1为本发明所述装置的整体结构分解示意图。
图2为本发明所述行星驱动装置结构分解示意图。
图3为本发明所述行星驱动装置结构剖视图。
图4为本发明所述刀具驱动装置结构分解示意图。
图5为本发明所述装置的主视图
图中1-第一步进电机，2-可伸缩万向节，3-第一步进电机支架，4-自转卡盘尾轴，5-公转齿轮尾轴，6-公转齿轮通孔，7-公转齿轮，8-转子棒料，9-刀具电机，10-第一联轴器，11-刀具电机支架，12-刀具轴，13-转夹，14-立铣刀， 15-刀具架，16-十字滑台， 17-机座，18-自转卡盘，19a-第一传动齿轮，19b-第二传动齿轮，20a-第一传动轴，20b-第二支撑轴，21-第二联轴器，22-第二步进电机支架，23-第二步进电机，24-机座通孔。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
本发明提供了一种采油螺杆泵转子车铣复合加工方法，其独特之处在于：将三头定子的一条边作为刀具的切削线，可用圆柱铣刀作为切削刀具，通过刀具对转子外周进行切削加工，转子的驱动装置为可实现行星运动的驱动装置，使转子在做切削运动的过程中，既绕转子自身的轴线进行自转运动，也绕与转子轴线相距一个偏心距的固定轴线进行公转运动。
所述的将三头定子的一条边作为刀具的切削线，可用圆柱铣刀作为切削刀具，通过刀具对转子外周进行切削加工的操作，可以通过如下步骤实现：即以待加工转子截面的短长轴建立直角坐标系，将采油螺杆泵在变幅系数为0.5时的三头短幅内摆线平行于与转子长轴的坐标轴的一条直线作为立铣刀，将所述三头短幅内摆线的另外两条近似直线作为所述立铣刀的支架，利用工装夹具实现待加工转子棒料的行星运动，通过所述立铣刀沿着待加工转子棒料的径向和轴向运动,控制转子截面的大小和截面旋转位置实现对转子的加工。
概括的说，本种转子加工方法，就是利用三头短幅内摆线和双头转子的相对运动原理，将三头短幅内摆线的一条边制作成切削转子的立铣刀，通过立铣刀对转子外周进行切削加工，转子棒料的驱动装置为具有实现行星运动的工装夹具，使转子棒料在做切削运动的过程中，自转卡盘夹持的转子棒料既绕转子自身的中心轴线进行自转运动，也通过带有偏心孔的公转齿轮绕公转齿轮的中心轴进行公转运动。
当然，本方法的应用目前还是有一定限制范围的，因为三头内摆线也就是定子的一条边作为刀具的切削线，还要满足共轭副要求，所以应用本方法的加工装置目前只能加工双头采油螺杆泵转子，转子的长轴短轴分别为立铣刀的母线到公转中心的距离加减偏心距，转子导程为转子截面自转一周刀具移动的轴向距离，导程与转子的行星自转速度和刀具轴向速度有关。
下面给出用于实施本方法的采油螺杆泵转子车铣复合加工装置的结构。如图1至图5所示，该种采油螺杆泵转子车铣复合加工装置包括机座17和十字滑台16，其独特之处在于：
所述装置还包括行星运动驱动装置、立铣刀14和刀具驱动装置；
所述行星运动驱动装置设于机座17上，包括第一步进电机1、自转卡盘18、可伸缩万向节2、公转齿轮7、卡簧、第二步进电机、第二联轴器21、第一传动齿轮19a、第二传动齿轮19b、第一传动轴20a和第二传动轴20b。第一步进电机作为驱动电机，其输出端与减速器连接，减速器的输出端作为第一步进电机的输出转动轴。
其中，在自转卡盘18的内腔中置有锁紧螺栓，通过旋入所述锁紧螺栓实现对转子棒料8的固定；
公转齿轮7上开有通孔，所述通孔的轴心与公转齿轮7的轴心存在一个偏心距，以实现公转齿轮7上的通孔可绕公转齿轮7的轴心转动；公转齿轮7通过齿数比为1比1的齿轮系传动顺时针转动，所述齿轮系包括第一传动齿轮19a和第二传动齿轮19b；自转卡盘尾轴4穿过公转齿轮7上的通孔后与可伸缩万向节2的一端相连接，公转齿轮尾轴5穿过机座17上的机座通孔24，通过配置在所述机座通孔上的限位螺栓锁紧；可伸缩万向节2的另一端与第一步进电机1的转动轴相连接，用以实现自转卡盘15可绕公转齿轮7的中心轴做偏心运动；第一步进电机1通过可伸缩万向节2带动自转卡盘18转动，从而实现转子自转；第二步进电机23通过传动轴20a与第一传动齿轮19a相连接，从而带动第一传动齿轮19a转动，第一传动齿轮19a与第二传动齿轮19b相配合以实现第一传动齿轮19a带动第二传动齿轮19b转动，第二传动齿轮19b与公转齿轮7相配合以实现带动公转齿轮7后实现自转卡盘18的公转；所述第二步进电机的转速是第一步进电机转速的二倍,且两步进电机的转向相反；
所述刀具驱动装置包括刀具电机9、第一联轴器10、刀具电机支架11、刀具轴12、转夹13和刀具架15，刀具电机9的输出端通过第一联轴器10与刀具驱动轴12连接，刀具驱动轴12的输出端安装转夹13，转夹13上夹有立铣刀14；所述刀具驱动装置与十字滑台16连接，其中，通过螺栓与十字滑台16上层滑台的滑块连接，从而实现旋转上层滑台的手柄带动丝杠旋转，丝杠推动上层滑台的滑块带动所述刀具驱动装置径向进给或后退；所述十字滑台中的上层滑台通过螺栓与下层滑台的滑块连接，下层滑台的驱动步进电机带动丝杠旋转； 自转卡盘18的轴线与立铣刀14的轴线之间相互垂直。
在加工过程中，行星驱动装置驱动转子棒料进行行星运动，同时刀具驱动轴两端由于通过驱动电机与转夹连接，刀具驱动轴也可实现自转，从而带动立铣刀旋转。刀具对转子进行加工时，由于刀具驱动装置通过螺栓与十字滑台上层滑台的滑块连接，旋转上层滑台的手柄带动丝杠旋转，丝杠推动上层滑台的滑块带动刀具驱动装置径向进给或后退，上层滑台通过螺栓与十字滑台下层滑台的滑块连接，下层滑台的步进电机带动丝杠旋转，丝杠推动下层滑台的滑块带动上层滑台及刀具驱动装置轴向进给或后退，进而实现普通立铣刀对采油螺杆泵转子的切削加工。
在本装置中，所述转子棒料自转轴线与公转轴线之间存在的距离就是采油螺杆泵转子的偏心距，立铣刀的轴线与刀具驱动轴的轴线相重叠;转子棒料的自转运动与公转运动速度相差两倍，转向相反，即转子可随着自转卡盘进行自转和自转卡盘在公转齿轮偏心通孔的两倍速度反向公转。
本装置在应用时，将转子棒料8用固定螺栓夹在自转卡盘18上，步进电机1带动自转卡盘18转动，从而实现转子自转，步进电机2带动齿轮19a转动，齿轮19a带动齿轮19b，齿轮19b带动公转齿轮7实现自转卡盘18的公转，这样就模拟了转子在定子中的行星运动。刀具电机9带动刀具轴12转动，刀具轴12上安有立铣刀14的转夹13，从而实现立铣刀14的旋转，而立铣刀14的母线相当于三头内摆线的一条边，通过转子棒料的行星运动和立铣刀14沿着转子棒料轴向运动就相当于三头短幅内摆线与双头转子的啮合运动实现立铣刀14对转子棒料8的加工。
下面给出一个本发明的具体实施例：
本实施例一种转子加工方法，利用三头短幅内摆线和双头转子的相对运动原理，将采油螺杆泵在变幅系数为0.5时的三头短幅内摆线平行于与转子长轴的坐标轴的一条直线作为立铣刀，利用工装夹具实现转子棒料的行星运动，通过所述立铣刀沿着转子棒料的径向和轴向运动控制转子截面的大小和截面旋转位置实现对转子的加工，现将直径为90mm的转子棒料加工出长轴短轴分别为80mm、50mm，导程为80mm的双头采油螺杆泵转子。
已知步进电机1转速120r/min，
刀具电机9转速300r/min，
每次径向切削厚度2mm，
转子自转一周转子截面的偏角，
所以偏心距就是长半轴减去短半轴的一半，,所以公转齿轮7的通孔6的轴心与公转齿轮7的轴心距离就是7.5mm，步进电机1转速给定为逆时针120r/min，因此步进电机1带动转子棒料8逆时针转速为120r/min，转子棒料8的自转运动于公转运动速度相差两倍，转向相反，所以步进电机2通过模数相同齿数比为1：1的齿轮系带动公转齿轮顺时针转速240r/min，这样就实现了转子棒料8逆时针120r/min自转和顺时针240r/min公转的行星运动。
刀具电机9转速给定为300r/min，因此刀具电机9带动立铣刀14转速为300r/min，切削厚度给定为2mm，立铣刀14沿着转子棒料8的径向进给量就为2mm，而十字滑台的丝杠导程为4mm，所以每次径向进给时手柄转动半周。立铣刀14沿着转子棒料8的轴向进给速度。
—立铣刀沿着转子棒料8的轴向进给速度，m/s；
—转子自转一周转子截面的偏角，rad；
T—采油螺杆泵转子导程，m;
—转子棒料自转一周所需的时间,s。
90mm的转子棒料直径为90mm，转子短轴50mm，每次切削厚度给定为2mm，切削次数次。
所以300r/min的立铣刀，每次径向切削2mm厚度，立铣刀沿着棒料的轴向进给速度2/9000m/s，加工转子棒料循环走10次刀，就可以加工出长轴短轴分别为80mm、50mm，导程为80mm的双头采油螺杆泵转子。
Claims (2)
1.一种采油螺杆泵转子车铣复合加工装置，包括机座(17)和十字滑台(16)，其特征在于：
所述装置还包括行星运动驱动装置、立铣刀(14)和刀具驱动装置；
所述行星运动驱动装置设于机座(17)上，行星运动驱动装置包括第一步进电机(1)、自转卡盘(18)、可伸缩万向节(2)、公转齿轮(7)、卡簧、第二步进电机(23)、第二联轴器(21)、第一传动齿轮(19a)、第二传动齿轮(19b)、第一传动轴(20a)和第二传动轴(20b)；
其中，在自转卡盘(18)的内腔中置有锁紧螺栓，通过旋入所述锁紧螺栓实现对转子棒料(8)的固定；
公转齿轮(7)上开有通孔，所述通孔的轴心与公转齿轮(7)的轴心存在一个偏心距，以实现公转齿轮(7)上的通孔可绕公转齿轮的轴心转动；公转齿轮(7)通过齿数比为1比1的齿轮系传动顺时针转动，所述齿轮系包括第一传动齿轮(19a)和第二传动齿轮(19b)；自转卡盘尾轴(4)穿过公转齿轮(7)上的通孔后与可伸缩万向节(2)的一端相连接，公转齿轮尾轴(5)穿过机座(17)上的机座通孔(24)，通过配置在所述机座通孔上的限位螺栓锁紧；可伸缩万向节(2)的另一端与第一步进电机(1)的转动轴相连接，用以实现自转卡盘(18)可绕公转齿轮(7)的中心轴做偏心运动；第一步进电机(1)通过可伸缩万向节(2)带动自转卡盘(18)转动，从而实现转子自转；第二步进电机(23)通过第二联轴器(21)和第一传动轴(20a)与第一传动齿轮(19a)相连接，从而带动第一传动齿轮(19a)转动，第一传动齿轮(19a)与第二传动齿轮(19b)相配合以实现第一传动齿轮(19a)带动第二传动齿轮(19b)转动，第二传动齿轮(19b)与公转齿轮(7)相配合以带动公转齿轮(7)后实现自转卡盘(18)的公转；所述第二步进电机的转速是第一步进电机转速的二倍,且两步进电机的转向相反；
所述刀具驱动装置包括刀具电机(9)、第一联轴器(10)、刀具电机支架(11)、刀具轴(12)、转夹(13)和刀具架(15)，刀具电机(9)的输出端通过第一联轴器(10)与刀具轴(12)连接，刀具轴(12)的输出端安装转夹(13)，转夹(13)上夹有立铣刀(14)；所述刀具驱动装置与十字滑台(16)连接，其中，通过螺栓与十字滑台(16)上层滑台的滑块连接，从而实现旋转上层滑台的手柄带动丝杠旋转，丝杠推动上层滑台的滑块带动所述刀具驱动装置径向进给或后退；所述十字滑台中的上层滑台通过螺栓与下层滑台的滑块连接，下层滑台的驱动步进电机带动丝杠旋转，丝杠推动下层滑台的滑块带动上层滑台及刀具驱动装置轴向进给或后退；自转卡盘(18)的轴线与立铣刀(14)的轴线之间相互垂直；立铣刀(14)为具有多刃的通用立铣刀。
2.一种采用权利要求1所述装置进行采油螺杆泵转子车铣复合加工的方法，步骤包括：
将三头定子的一条边作为刀具的切削线，采用圆柱铣刀作为切削刀具，通过刀具对转子外周进行切削加工；本步骤通过如下路径实现：即以待加工转子截面的短长轴建立直角坐标系，将采油螺杆泵在变幅系数为0.5时的三头短幅内摆线平行于与转子长轴的坐标轴的一条直线作为立铣刀，利用工装夹具实现待加工转子棒料的行星运动，通过所述立铣刀沿着待加工转子棒料的径向和轴向运动,控制转子截面的大小和截面旋转位置实现对转子的加工；
转子的驱动装置为可实现行星运动的驱动装置，使转子在做切削运动的过程中，既绕转子自身的轴线进行自转运动，也绕与转子轴线相距一个偏心距的固定轴线进行公转运动。
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- 2017-10-23 CN CN201710993272.XA patent/CN107571022B/zh not_active Expired - Fee Related
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