CN112404533B - 铣床和用于在管材中切削凹口的方法 - Google Patents

Abstract

公开了铣床和用于在管材中切削凹口的方法。一种铣床包括：滑车，该滑车被构造为接收管材；轴向驱动器，该轴向驱动器被构造为啮合滑车并使滑车移动；以及多个切削头，该多个切削头各被构造为在管材的外直径表面中镗出凹口。轴向驱动器被构造为使滑车和在内部接收的管材沿与管材的纵轴平行的方向，相对于多个切削头移动。轴向驱动器被构造为感测管材相对于多个切削头的轴向位置。

Description

铣床和用于在管材中切削凹口的方法

背景技术

射孔枪在油气田中用于在套管和水泥中产生开口，例如，以便发起井中的生产、水力压裂操作或其他操作。通常，射孔枪采用定位在井中的管材中的聚能射孔弹。管材具有切削到它中的凹口，这形成将弹药的力引导到井中的特定位置的弱点。

铣削设备用于在射孔枪管材中形成凹口。铣削设备包括驱动器，该驱动器使管材相对于铣床的一个或多个(例如，两个或四个)切削头轴向移动。这种轴向移动驱动器通常包括齿条和小齿轮以及长滚珠丝杠。切削头然后在特定位置处形成孔，并且轴向移动管材并(例如，使用旋转致动器)将其旋转到位中，以便形成下一孔或下一组孔。

因为在管材中钻潜在许多的凹口以形成单个射孔枪，所以可以使该过程自动化。这种自动化引起许多挑战。例如，系统可以依赖用于管材的轴向位置的轴向移动驱动器，例如，使用编码器。然而，这些装置的位置经受误差(例如，在存在与其他设备的碰撞或者轴向移动驱动器不向预期位置递送管材时)，系统将“意识不到”它，并且将继续指通过参考编码器位置报告的位置，直到它被重新校准为止。即，轴向移动系统是开环的。类似地，管材的厚度、平直度以及圆度可能沿着其长度不是精确均匀的，因此在具有多个切削头的系统中，切削头的端位置可能为了维持形成凹口的期望壁厚或切削深度而稍微不同。另外，这些系统的覆盖区可能较大，切削油控制和处理以及其他挑战存在。

发明内容

本发明内容被提供为引入下面在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。该发明内容不旨在识别所要求保护主题的关键或必要特征，也不旨在用作宣布自古所要求保护主题的范围的帮助。

本公开的实施方式可以提供一种铣床，该铣床包括：滑车，该滑车被构造为接收管材；轴向驱动器，该轴向驱动器被构造为啮合滑车并使滑车移动；以及多个切削头，该多个切削头各被构造为在管材的外直径表面中镗出凹口。轴向驱动器被构造为使滑车和在其内部接收的管材沿与管材的纵轴平行的方向，相对于多个切削头移动。轴向驱动器被构造为感测管材相对于多个切削头的轴向位置。

本公开的实施方式还可以提供一种用于在管材中切削凹口的方法。方法包括以下步骤：使用轴向驱动器使管材轴向地前进到包括切削头的切削组件中；使用轴向驱动器感测管材相对于切削组件的位置；将切削组件的切削头降低为与管材的外直径切削啮合，以形成凹口；将切削头升高为不与管材的外直径啮合；以及在升高切削头之后使管材相对于切削组件轴向地前进。

附图说明

本公开在与附图一起阅读时从以下具体实施方式来最佳地理解。强调的是，根据行业中的标准实践，各种特征未等比例绘制。实际上，为了讨论清楚起见，可以任意增大或减小各种特征的维数。

图1例示了根据实施方式的铣床的立体图。

图2A例示了根据实施方式的线性马达的立体图。

图2B例示了根据实施方式的线性马达的示意图。

图3A例示了根据实施方式的铣床的立体图，为了描述其内部件的目的，去除其外壳。

图3B例示了根据实施方式的、再次没有外壳的切削组件的侧视图。

图4例示了根据实施方式的、包括用于向管材涂覆耐腐蚀材料的喷嘴的切削组件的示意图。

图5例示了根据实施方式的、用于在管材(例如，用于射孔枪)中切削凹口的方法的流程图。

具体实施方式

现在将公开下面要求保护的主题的例示性示例。为了清楚起见，不是实际实现的所有特征都在该说明书中描述。将理解，在任意这种实际实现的开发中，可以进行大量的实现特定决策，以实现开发者的具体目标，诸如符合将从一个实现到另一个实现变化的系统相关和商业相关约束。而且，将理解，这种开发努力即使复杂且耗时，也将是具有本公开权益的本领域普通技术人员的日常任务。

图1例示了根据实施方式的射孔枪铣床100的立体图。机床100通常包括细长的水平(即，大体平行于地面)轨道102和切削组件104。切削组件104可以沿着轨道102定位，例如，大体接近轨道102的中央；然而，预期其他位置。轨道102可以被构造为在上面接收管材105，并且可以由切削组件104切削管材105。例如，滑车106可以可移动地定位在轨道102上。滑车106可以被构造为接收管材105，例如，其轴向端。

进一步地，滑车106可以耦合到轴向驱动器，如下面将更详细描述的，该轴向驱动器可以被构造为使滑车106沿着轨道102朝向和远离切削组件104移动，从而将管材105送入到切削组件104中。滑车106还可以包括旋转致动器110，该旋转致动器可以被构造为使管材105围绕其中心轴线旋转。在具体实施方式中，旋转致动器110可以被形成为卡盘(chuck)，该卡盘如图所示被构造为紧抓管材105的外直径表面，并且使用这种啮合(engagement)使管材105旋转。一个或多个支架(例如，辊)112可以耦合到轨道102，以支撑管材105。

切削组件104可以包括外壳120。外壳120可以在其相对侧中限定开口122、124，这些开口可以与轨道102大体对齐，以便允许管材105前进到切削组件104中并穿过切削组件104。另外，外壳120在一些实施方式中可以包括一个或多个窗口(示出三个：126、128、130)，这些窗口可以允许操作员查看外壳120内的切削。由此，外壳120可以完全封闭切削组件104。因此，外壳120可以防止切屑从切削组件104飞走。进一步地，外壳120可以捕捉切削流体雾。

图2A例示了根据实施方式的线性马达200的立体图。图2B例示了根据实施方式的线性马达200的示意图。如图所示，线性马达200可以包括转子202和定子204。转子202可以被构造为沿着定子204旋转并从而线性移动。磁栅尺可以沿着定子204定位，并且可以测量其位置。

线性马达200可以作为轴向驱动器的实施方式实现在铣床100(图1)中，滑车106形成为转子202的一部分或附接到转子202，并且轨道102形成定子204的一部分或耦合到定子。因此，随着转子202旋转并由此沿着定子204移动，滑车106沿着轨道102移动，从而使管材105相对于切削组件104前进。而且，使用磁栅尺(magnetic grating ruler)，轴向驱动器能够直接测量沿着轨道102的滑车106的位置，而不是测量转子202的旋转位移并基于这种旋转位置外推滑车106的位置。由此可见，机床100的轴向驱动器形成闭环系统，该闭环系统提供关于滑车106并由此关于管材105的实际位置的反馈。

图3A例示了根据实施方式的机床100的立体图，去除外壳120，以允许查看可定位在内部的切削组件104的部件。图3B例示了根据实施方式的、没有外壳120的切削组件104的侧视图。参照图3A和图3B，切削组件104可以包括多个切削头(示出了五个：301、302、303、304、305)。切削头301-305可以垂直定向，使得管材105定位在切削头301-305与轨道102(和地面)之间。因此，切削头301-305能够朝向和远离管材105垂直独立移动，以便在管材105中形成凹口。在具体实施方式中，切削组件104可以包括底座306，该底座耦合到轨道102并从轨道102向上延伸。切削头301-305可以耦合到底座306，并且可以被构造为相对于底座垂直移动。

进一步地，切削头301-305可以横向(例如，沿与管材105的中心纵轴平行的方向)隔开。多个基准夹具(datum clamp)(示出五个：311、312、313、314、315)可以耦合到底座306，例如，与相邻的切削头301-305相邻和/或在其间。各个基准夹具311-315可以与用于控制切削头301-305的位置的引导物关联并用作引导物。例如，如上面提及的，管材105的几何结构可以具有公差，使得管材105的壁厚、平直度以及圆度可以沿着其轴向长度和/或圆周轻微变化。因此，将切口形成到管材105中的精确深度可能会要求精确测量独立切削头301-305处的管材105的位置。管材105可以延伸穿过夹具311-315，这些夹具可以垂直和/或水平可移动。由此，夹具311-315的位置可以允许精确确定接近独立切削头301-305的管材105的外直径的位置。转而，切削头301-305可以在切削过程期间至少部分基于如由关联的夹具311-315的位置确定的管材105的位置来独立控制。

图4例示了根据实施方式的切削组件104的概念示意图。如图所示且如上所述，多个切削头(在该实施方式中示出四个：301-304)被提供为切削组件104的一部分，并且用于在管材105的外直径中镗出凹口400。随着镗出凹口400，可以使管材105轴向前进(相对于切削头301-304横向地)，并且可以旋转管材105，这产生管材105上的凹口400的螺旋图案。将理解，可以采用任意合适图案的凹口400，所例示的螺旋图案仅是示例。

另外，可以在切削组件104中包括一个或多个喷嘴(示出四个：401、402、403、404)。喷嘴401-404可以用于将耐腐蚀流体喷射到管材105上。因为管材105可以由钢制成，所以它们可能经受生锈；因此，可以采用各种不同耐腐蚀流体来避免发生在凹口400中的腐蚀。进一步地，喷嘴401-404还可以被构造为借助喷嘴喷射清洁溶液，该清洁溶液可以用来清洁喷嘴401-404，以避免其阻塞。这种流体可以从储存器提供给喷嘴401-404，这些储存器经由适当的管道系统、阀等连接到喷嘴401-405。

喷嘴401-405可以彼此横向隔开与切削头301-304之间的距离大致相等(即，在合理的公差内相等)的距离。由此可见，当管材105轴向移动并旋转时，可以切削一组凹口400，并且已经切削的一组凹口可以与喷嘴401-404对齐。由此可见，喷嘴401-404可以与切削凹口400同时地向凹口400涂覆耐腐蚀流体。在一些实施方式中，喷嘴401-404可以定位在切削头301-304的一侧上，使得管材105首先前进穿过切削头301-304，然后与喷嘴401-404对齐。在其他实施方式中，喷嘴401-404中的一个或多个可以定位在两个相邻的切削头301-304之间(例如，切削头301-304和喷嘴401-404可以随着横向前进交替)。

图5例示了根据实施方式的、用于在管材105中形成凹口400的方法500的流程图。方法500的一些实施方式可以由上面讨论的机床100的操作前进，由此这里可以通过参考该操作来描述。然而，其他实施方式可以使用其他机床。方法500可以包括以下步骤：如在502处，使用轴向驱动器将管材105轴向地前进到切削组件105中。例如，切削组件104可以包括一个或多个(例如，四个或五个)切削头301-305，并且管材105可以前进为使得管材105与切削头301-305中的一个或多个对齐，即，使得管材105在轨道102与一个或多个切削头301-305之间。

方法500还可以包括以下步骤：例如，在502处使管材105前进之前、期间或之后，如在504处，使用轴向驱动器感测管材105相对于切削组件104的位置。例如，轴向驱动器可以包括线性马达和磁栅尺，由此，如上面说明的，可以由轴向驱动器直接测量转子204/滑车106沿着轨道102的移动。

在实施方式中，方法500还可以包括以下步骤：如在505处，将管材105接收到一个或多个基准夹具311-315中。方法500还可以包括以下步骤：如在506处，基于夹具311-315的所感测位置，确定管材105的外直径相对于切削头301-305的位置。如上面说明的，切削头301-305可以定位为紧密接近对应的夹具311-314(例如，与其相邻)。因此，夹具311-315可以定位在与独立切削头301-305紧邻的位置处的管材105周围，从而提供管材105的定位位置。这可以考虑可能另外影响凹口400的切削的精度的管材105的几何结构的公差，例如，在假设管材105沿着最远隔开的切削头(例如，切削头301和305)之间的跨度沿着其轴线一致时。

方法500还可以包括以下步骤：如在507处，将切削组件104的切削头301-305中的一个或多个降低为与管材105的外直径切削啮合(cutting engagement)，以在内部形成一个或多个切口400。例如，可以基于如使用夹具311-314确定的管材105的位置建立在管材105的外直径表面下面的切削深度的位置。然后可以将切削头301-305的远端降低到与切削深度对应的位置。

方法500还可以包括以下步骤：如在508处，将切削头301-305中的一个或多个升高为不与管材105的外直径啮合。例如，降低切削头301-305可以使得切削头301-305切削到管材105中。例如，在达到期望的切削深度之后，可以通过升高切削头301-305来远离管材105缩回切削头301-305。

方法500还可以包括以下步骤：如在510处，在508处升高切削头之后，使管材105相对于切削组件104轴向前进。管材105还可以在轴向移动的同时旋转。这可以定位管材105，以便将下一组凹口400切削到管材105中，例如，通过再次降低和升高切削头301-305。

在一些实施方式中，方法500还可以包括以下步骤：如在512处，使用一个或多个喷嘴401-404向管材105涂覆耐腐蚀流体。在各种实施方式中，512处的这种涂覆可以在切削头301-405中的一个或多个与管材切削啮合的同时执行。在其他实施方式中，喷嘴401-404可以在将切削头301-305升高为不与管材105切削啮合之后并且在将切削头301-305降低返回为与管材105切削啮合之前涂覆耐腐蚀流体。

前面的描述为了说明的目的使用特定术语来提供本公开的彻底理解。然而，将对本领域技术人员显而易见的是，不为了实践这里描述的系统和方法而需要特定细节。为了例示和描述的目的而提出了具体示例的前面描述。它们并非旨在对本公开进行穷尽，或者将本公开限于所描述的精确形式。许多修改例和变型例鉴于上述示教而是可以的。示出并描述示例，以最好地解释本公开的原理及其实际应用，以使本领域其它技术人员能够最佳使用本公开和各种示例，以及适合于所设想的具体用途的各种变型。预期的是本公开的范围由权利要求及其下面的等同物来限定。

Claims (15)

1.一种铣床，该铣床包括：

滑车，该滑车被构造为接收管材；

轴向驱动器，该轴向驱动器被构造为啮合所述滑车并使所述滑车移动，其中，所述轴向驱动器包括转子和定子，其中，所述转子旋转并沿定子轴向移动，并且其中，滑车连接到所述转子，并且轨道连接到所述定子，并且其中，所述滑车被配置为沿着所述轨道移动，并且其中，磁栅尺定位在所述定子上以测量转子的位置，其中轴向驱动直接形成了所述滑车沿着所述轨道的位置；以及

多个切削头，该多个切削头各被构造为向所述管材的外直径表面中镗出凹口，其中，所述轴向驱动器被构造为使所述滑车和在内部接收的所述管材沿与所述管材的纵轴平行的方向，相对于所述多个切削头移动，其中，多个夹具定位在紧邻所述多个切削头中的每个切削头的位置处的所述管材周围，从而提供所述管材的定位位置，

其中，所述轴向驱动器被构造为感测所述管材相对于所述多个切削头的轴向位置。

2.根据权利要求1所述的铣床，还包括外壳，所述多个切削头定位在所述外壳内，并且其中，所述滑车被构造为使所述管材移动到所述外壳中。

3.根据权利要求1所述的铣床，还包括被构造为使所述管材旋转的旋转致动器。

4.根据权利要求1所述的铣床，其中，所述多个切削头垂直定向，使得所述多个切削头可朝向上面定位所述铣床的地面延伸和可远离该地面缩回。

5.根据权利要求1所述的铣床，还包括多个基准夹具，该多个基准夹具各被构造为接收在接近所述多个切削头中的各切削头的所述管材周围，其中，所述多个基准夹具被构造为表示接近所述各切削头的所述接收在的外直径表面的位置。

6.根据权利要求1所述的铣床，还包括多个喷嘴，该多个喷嘴被构造为在所述管材与所述多个切削头至少部分对齐的同时向所述管材涂覆耐腐蚀流体。

7.根据权利要求6所述的铣床，其中，所述多个切削头横向隔开第一距离，并且其中，所述多个喷嘴横向隔开第二距离，所述第一和第二距离大致相等。

8.根据权利要求6所述的铣床，其中，所述多个喷嘴定位在所述多个切削头的一个侧面上。

9.一种用于向管材中切削凹口的方法，该方法包括以下步骤：

使用轴向驱动器使管材轴向地前进到包括切削头的切削组件中，其中，所述轴向驱动器包括转子和定子，其中，所述转子旋转并沿定子轴向移动，并且其中，滑车连接到所述转子，并且轨道连接到所述定子，并且其中，所述滑车被配置为沿着所述轨道移动，并且其中，磁栅尺定位在所述定子上以测量转子的位置，其中轴向驱动直接形成了所述滑车沿着所述轨道的位置；

使用所述轴向驱动器感测所述管材相对于所述切削组件的位置；

将所述切削组件的所述切削头降为与所述管材的外直径切削啮合，以形成凹口，其中，多个夹具定位在紧邻所述多个切削头中的每个切削头的位置处的所述管材周围，从而提供所述管材的定位位置；

将所述切削头升高为不与所述管材的所述外直径啮合；以及

在升高所述切削头之后使所述管材相对于所述切削组件轴向地前进。

10.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：

将所述管材接收到被定位为与所述切削头相邻的基准夹具中；以及

通过测量所述基准夹具的位置确定所述切削头处的所述管材的位置。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：基于所述管材的所述位置确定用于所述切削头的切削深度，其中，降低所述切削头包括将所述切削头降低到所述切削深度。

12.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：在所述切削头与所述管材切削啮合的同时，或者在将所述切削头升高为不与所述管材啮合之后，使用喷嘴向所述管材涂覆耐腐蚀流体。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述切削组件包括多个切削头，该多个切削头包括所述切削头，并且横向隔开第一距离，并且其中，所述切削组件包括多个喷嘴，该多个喷嘴包括所述喷嘴，分开第二距离，所述第一和第二距离大致相等。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多个喷嘴定位在所述多个切削头的一个侧面上。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括多个基准夹具，其中，所述多个基准夹具中的各夹具被定位为与所述多个切削头中的各切削头相邻，所述方法还包括以下步骤：基于所述各夹具的位置确定接近所述各切削头的所述管材的位置。