CN108788238A - 一种带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于先进深孔加工技术领域，为了改善钻杆振动、提高钻杆旋转精度、降低温升，本发明提供了一种带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，包括钻杆、与钻杆连接的输油器以及安装于钻杆端头的深孔刀具，靠近深孔刀具端的钻杆与已加工工件孔孔壁之间设有供切削液流动的连续变间隙，连续变间隙内的流动切削液形成用于夹紧钻杆的动油膜压力。该钻杆系统可由控制计算机调节可倾瓦块的倾斜角度，从而可以实时调整径向可倾瓦块钻杆的工作状态，实现实时控制钻杆的工作状态的目的。

Description

一种带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统
技术领域
本发明属于先进深孔加工技术领域，具体涉及一种带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统。
背景技术
通常情况下，深孔加工系统有刀具回转工件进给的运动方式，刀具回转进给工件静止和刀具静止工件回转进给三种方式，本发明应用于刀具回转工件进给的加工方式。
深孔加工难度高，加工工作量大，已成为机械加工中的关键性工序。以BTA刀具系统为例，BTA刀具系统属于内排屑系统，主要由授油器、钻杆系统、刀具系统及抽屑器等结构组成，工作时，切削液通过授油器从刀具外部输油通道到达刀具头部进行冷却润滑，并将切屑经钻杆内部通过切削液向外冲出，由于刀具腔体内部压力很高同时刀具旋转速度很快，保证了切屑的排出和工件的加工精度。
径向可倾滑动轴承是靠相对运动表面之间形成的楔形动压油膜来进行径向承载的。形成动压油膜必须具有三个必要条件：1.两工件之间的间隙必须有楔形间隙；2.两工件表面之间必须连续充满润滑油或其它液体；3.两工件表面必须有相对滑动速度。其运动方向必须保证润滑油从大截面流进，从小截面出来。工程上，为提高轴的旋转精度和稳定性，常用多油楔轴承。
在BTA深孔加工过程中，钻杆的高速进动，既有流体动压润滑的特点又有转子动力学的特性，所以，利用多油楔轴承的特性，来提高钻杆的旋转精度和稳定性，是切实可行的。同时，可倾角楔形瓦块的摆角特性，会对流体楔形间隙产生重要影响，进而影响可倾楔形瓦块的压力分布、油膜厚度分布，合理选择钻杆可倾瓦块的倾斜角度对提高钻杆的稳定性及旋转精度有着重要影响。
发明内容
本发明的目的是提出一种带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，这种钻杆可通过改变可倾瓦块角度的倾斜角度，改变切屑液压力分布，进而使钻杆类似四爪卡盘一样，被切削液压力卡紧，达到改善钻杆振动、提高钻杆旋转精度、降低温升的目的，从而更好的提高深孔加工的直线度，圆度，粗糙度等形位公差及加工精度。
本发明是通过以下技术方案来解决的：一种带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，包括钻杆、与钻杆连接的输油器以及安装于钻杆端头的深孔刀具，靠近深孔刀具端的钻杆与已加工工件孔孔壁之间设有供切削液流动的连续变间隙，连续变间隙内的流动切削液形成用于夹紧钻杆的动油膜压力。
所述连续变间隙为楔形间隙，是由沿径向均布安装于钻杆与工件孔之间的若干可倾瓦块形成；可倾瓦块呈瓦片状，由头部向尾部沿径向厚度逐渐增大，呈扇叶放射状，与已加工工件孔孔壁之间形成楔形间隙，切削液从楔形间隙大端流进、间隙小端流出。
所述可倾瓦块的径向角度可调节，钻杆上对应每个可倾瓦块的位置均布设有若干支撑孔，各支撑孔内分别安装有实现可倾瓦块径向角度调节的执行组件；所述执行组件包括沿径向与钻杆上的支撑孔螺纹连接的空心螺杆套筒，空心螺杆套筒内安装有支撑关节，支撑关节能在空心螺杆套筒沿径向运动正对接触支撑可倾瓦块的内侧。
所述支撑关节连接有实现支撑关节运动的控制系统，控制系统包括压电陶瓷、形状记忆合金、开关选择电路组件、控制计算机、形状记忆合金控制系统和压电陶瓷控制电源，压电陶瓷和形状记忆合金安装于空心螺杆套筒内，压电陶瓷设于支撑关节和形状记忆合金之间，控制计算机的输出端连接形状记忆合金控制系统和压电陶瓷控制电源的输入端，形状记忆合金控制系统和压电陶瓷控制电源的输出端通过开关选择电路组件连接形状记忆合金。形状记忆合金控制系统的相关原理可以参见华中理工大学辜承林的文章形状记忆合金的研究与应用。开关选择电路组件的连接线路埋藏在钻杆内壁，沿着钻杆轴向从内壁引出。
控制计算机的输入端外接有检测回路，控制回路包括竖直振动传感器、水平振动传感器、流量计和压力计，竖直振动传感器和水平振动传感器在钻杆的周向成90°相对安装；流量计和压力计连接安装于输油器的进油口处。
支撑关节为杆状，杆状支撑关节插入套接于空心螺杆套筒内并能相对空心螺杆套筒运动，杆状支撑关节的接触支撑端头为球形状。
所述可倾瓦块绕钻杆周向均布设有四块。
即该钻杆包括角度可调节的可倾瓦块、检测回路、控制系统、执行组件及BTA钻头组成；其中径向可倾瓦块智能钻杆系统由角度可调的径向可倾瓦块、支撑组件和钻杆组成；在检测回路中，高精度压力传感器安装在角度可调节的可倾瓦块附近，其输出端与控制计算机连接；控制系统包括控制计算机、压电陶瓷控制电源、形状记忆合金控制组件及开关选择电路组件；执行组件由支撑关节、压电陶瓷、垫铁、形状记忆合金和空心螺杆套筒组成。该钻杆可由控制计算机调节可倾瓦块的倾斜角度，从而可以实时调整径向可倾瓦块钻杆的工作状态，实现实时控制钻杆的工作状态的目的。相对于现有技术本发明具有如下效果：
1）采用的径向可倾瓦块钻杆结构可以有效的降低振动和温度，应用于较广阔的工作状况下；
2）本发明的可倾瓦块智能钻杆的工作状态可以通过控制系统执行组件的伸缩来实现可倾瓦块与已加工孔壁之间的楔形间隙；
3）本发明在可倾瓦块上安装有高精度振动传感器，可对钻杆的工作状态进行实施监测，若达不到工作要求对其工作状态进行相应的调整。
4）智能钻杆具有负反馈，可根据工作条件的改变改变瓦块倾角，进而调整瓦块与已加工孔壁之间的间隙，从而减小振动及温升，改善钻杆的旋转精度及稳定性。
附图说明
图1为 可倾瓦块结构示意图；
图2为各零件连接示意图；
图3为深孔加工智能钻杆系统示意图；
图中：可倾瓦块1、钻杆2、工件孔3、支撑关节4、压电陶瓷5、垫铁6、形状记忆合金7、空心螺杆套筒8、开关选择电路组件9、竖直振动传感器10、水平振动传感器11、控制计算机12、形状记忆合金控制系统13、压电陶瓷控制电源14、深孔刀具15、密封圈16、轴承17、输油器18、流量计19、压力计20。
具体实施方式
结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步说明：
如图3所示的带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，包括角度可调节的径向可倾瓦块、执行组件、检测系统、控制系统及BTA深孔刀具；所述角度可调节的径向可倾瓦块1，共4组，每组瓦块通过均布于其上的三个执行组件，实现可倾角度调节。加工过程中钻杆2在工件孔3内部，钻杆2与工件孔3之间均匀设置有四组径向角度可调节的可倾瓦块1；钻杆2上对应每个径向可调节的可倾瓦块1的内部，均匀有三个支撑孔，每个支撑孔内对应安装有执行组件。所述的执行组件从上到下依次安有支撑关节4，压电陶瓷5、垫铁6、形状记忆合金7和空心螺杆套筒8。所述执行组件由所述支撑关节4正对径向可调的可倾瓦块1的内部。所述的开关选择电路组件9，其连接线路埋藏在钻杆2内壁，沿着钻杆2轴向从内壁引出。所述形状记忆合金控制系统13的输出端通过开关选择电路组件9连接形状记忆合金7；所述压电陶瓷控制电源14的输出端通过开关选择电路组件9连接压电陶瓷5。空心螺杆套筒8的外周与所述支撑孔螺纹连接；所述的压力计19和节流计20共同控制输油器18的输入压力。
所述检测回路包括竖直振动传感器和水平振动传感器，且呈90度安装在钻杆径向及轴向方向同处于同一圆周平面内。所述控制系统包括计算机12、记忆合金控制系统13、压电陶瓷控制电源14和开关选择电路组件9。所述刀具为BTA刀具等。竖直振动传感器10和水平振动传感器11的输出端连接控制计算机12的输入端；控制计算机12的输出端连接形状记忆合金控制系统13和压电陶瓷控制电源14的输入端，形状记忆合金控制系统13和压电陶瓷控制电源14的输出端通过开关选择电路组件9连接执行组件。
可倾瓦块1结构呈瓦片状，从头部向尾部沿周向宽度逐渐增大，呈扇叶放射状，与已加工工件孔之间形成楔形间隙，有4片结构，通过转动副与支撑关节4相连接，每片可倾瓦块在圆周方向均匀分布3个螺纹通孔，每个螺纹孔内均装有执行组件；所述钻杆通过节流器20，与流量计19，控制可倾瓦块与加工孔径之间有连续充足的切削液，根据外载的变化自动调节各油腔内的压力。钻杆3与已加工孔壁之间以顺时针方向相对运动，保证切削液从间隙大端流进间隙小端流出。可倾瓦块与已加工孔壁之间形成多个动压油膜。
通过实时调节可倾瓦块1与钻杆3之间的倾斜角度，调整切削液进出口的之间的楔形间隙，进而来调节切削液的油膜压力，通过4个油膜压力的调整，类似机床实时可调节的四爪卡盘来控制钻杆的振动，提高钻杆的旋转精度和稳定性。
如果外界环境发生改变，钻杆的运动状况可由水平和竖直传感器进行采集，控制计算机12会对采集得到的钻杆的振动信号进行分析，但状态不满足工作要求时，控制计算机会发出指令给执行组件，通过执行组件的伸缩改变径向可调节瓦块的倾斜角度，从而改变钻杆的状态。
参见图1，钻杆2上对应每个径向可调的可倾瓦块1的内部，均设计有3个支撑孔，3个支撑孔以对应角度可调的可倾瓦块1的轴线对称排布；每个支撑孔对应一个独立的执行组件，控制计算机12可通过记忆合金控制系统13和压电陶瓷控制电源14好开关选择电路对执行组件分别实施控制。
本发明的工作过程：
当外部条件发生变化时，竖直振动传感器10和水平振动传感器11会采集钻杆3的振动信号并传递给控制计算就12，控制计算机12根据所得到的振动信号，分析目前钻杆的运行状态，若达不到要求，便会对形状记忆合金控制系统13和压电陶瓷控制电源14打出指令，通过开关选择电路组件9控制支撑单元中形状记忆合金7和压电陶瓷5发生伸缩变形，进而控制关节4的伸缩量。改变径角度可倾瓦块的倾斜角度，改善钻杆的运行状态，直到满意为止。

Claims (7)

1.一种带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，包括钻杆（2）、与钻杆（2）连接的输油器（18）以及安装于钻杆（2）端头的深孔刀具（15），其特征在于：靠近深孔刀具（15）端的钻杆（2）与已加工工件孔孔壁之间设有供切削液流动的连续变间隙，连续变间隙内的流动切削液形成用于夹紧钻杆（2）的动油膜压力。
2.根据权利要求1所述的带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，其特征在于：所述连续变间隙为楔形间隙，是由沿径向均布安装于钻杆（2）与工件孔（3）之间的若干可倾瓦块（1）形成；可倾瓦块（1）呈瓦片状，从头部向尾部沿径向厚度逐渐增大，呈扇叶放射状，与已加工工件孔孔壁之间形成楔形间隙，切削液从楔形间隙大端流进、间隙小端流出。
3.根据权利要求2所述的带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，其特征在于：所述可倾瓦块（1）的径向角度可调节，钻杆（2）上对应每个可倾瓦块（1）的位置均布设有若干支撑孔，各支撑孔内分别安装有实现可倾瓦块（1）径向角度调节的执行组件；所述执行组件包括沿径向与钻杆上的支撑孔螺纹连接的空心螺杆套筒（8），空心螺杆套筒（8）内安装有支撑关节（4），支撑关节（4）能在空心螺杆套筒（8）沿径向运动正对接触支撑可倾瓦块（1）的内侧。
4.根据权利要求3所述的带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，其特征在于：所述支撑关节（4）连接有实现支撑关节（4）运动的控制系统，控制系统包括压电陶瓷（5）、形状记忆合金（7）、开关选择电路组件（9）、控制计算机（12）、形状记忆合金控制系统（13）和压电陶瓷控制电源（14），压电陶瓷（5）和形状记忆合金（7）安装于空心螺杆套筒（8）内，压电陶瓷（5）设于支撑关节（4）和形状记忆合金（7）之间，控制计算机（12）的输出端连接形状记忆合金控制系统（13）和压电陶瓷控制电源（14）的输入端，形状记忆合金控制系统（13）和压电陶瓷控制电源（14）的输出端通过开关选择电路组件（9）连接形状记忆合金（7）。
5.根据权利要求4所述的带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，其特征在于：控制计算机（12）的输入端外接有检测回路，控制回路包括竖直振动传感器（10）、水平振动传感器（11）、流量计（19）和压力计（20），竖直振动传感器（10）和水平振动传感器（11）在钻杆（3）的周向成90°相对安装；流量计（19）和压力计（20）连接安装于输油器（18）的进油口处。
6.根据权利要求5所述的带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，其特征在于：支撑关节（4）为杆状，杆状支撑关节（4）插入套接于空心螺杆套筒（8）内并能相对空心螺杆套筒（8）运动，杆状支撑关节（4）的接触支撑端头为球形状。
7.根据权利要求6所述的带有径向可倾瓦块的深孔加工智能钻杆系统，其特征在于：所述可倾瓦块（1）绕钻杆（2）周向均布设有四块。
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