CN113319381A - 精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了种高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置，包括超声震动装置，超声震动装置包括超声振动变幅杆，振动变幅杆通过连接件连接有环形的支撑件，支撑件内表面固定有若干刀具，所述连接件与振动变幅杆的一端成形有球面状的球面部，振动变幅杆上成形有与球面部配合的球面状凹槽，刀具与支撑件的连接处安装有应变感应片。本发明降低了z向振动对连接件z向振动激励响应，从而进一步降低了连接件的z向振动及其连接的支撑件的振动，提高了加工精度，且通过切割方式的控制快速高效的加工得到了扬矿管的变槽宽与变槽深螺纹。

Description

精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置及其使用方法
【技术领域】
本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置。
【背景技术】
深海采矿系统是开采海底矿产资源必不可少的装备，其中扬矿管由管体和管接头组成。其中管体两端的外螺纹与管接头的内螺纹连接。为满足深海工况中高压高频冲击下的高密封性能及耐冲击性能要求，连接外螺纹通常采用变槽宽与变槽深螺纹结构，其几何结构复杂。车削作为现有常用的螺纹加工工艺，其加工精度与加工效率均难以满足深海扬矿管体外螺纹的加工。
名词解释：
进给量：扬矿管每旋转一圈，进给系统(通常为刀具端)向前的长度。这与机床的进给量的意思一致。
接入螺纹：螺纹在杨矿管上开始点。
出口螺纹：螺纹在扬矿管上的结束点。
【发明内容】
本发明公开了一种高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置及其使用方法。本发明降低了z向振动对连接件z向振动激励响应，从而进一步降低了连接件的z向振动及其连接的支撑件的振动，提高了加工精度，且通过切割方式的控制快速高效的加工得到了扬矿管的变槽宽与变槽深螺纹。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置，包括超声震动装置1，超声震动装置1包括超声振动变幅杆2，振动变幅杆2通过连接件3连接有环形的支撑件4，支撑件4内表面固定有若干刀具5，所述连接件2与振动变幅杆2的一端成形有球面状的球面部，振动变幅杆2上成形有与球面部配合的球面状凹槽，刀具5与支撑件4的连接处安装有应变感应片。
进一步的改进，设球面部的最宽处直径S1，S1为超声振动变幅杆2输出端直径的4/5；设球面部的长度a，连接件3的长度为b，S2＝b-a，限定S2＝2/3*S1；球面部所在球面的半径为超声振动变幅杆输出端截面直径的1/3。
进一步的改进，所述扬矿管的螺纹曲面的精度要求为cμm，则支撑件4内表面固定的刀具5的数量N＝b1/c；所述深海扬矿管的外螺纹为变槽宽与变槽深螺纹，所述刀具5的切削刃的宽度和长度对应深海扬矿管的外螺纹成线性分布，b1表示最窄的切削刃的宽度或者螺纹底端的宽度。
进一步的改进，所述振动变幅杆2通过紧固螺栓与连接件3连接，连接件3通过螺栓与支撑件4紧密连接，所述连接件3为高锰钢垫片。
一种上述的高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、得到深海扬矿管的待加工外螺纹的变化规律：
Figure BDA0003089134940000021
Figure BDA0003089134940000022
其中，L(x)表示距离扬矿管接口螺纹接入口距离为x处的螺纹深度，h(x)表示距离扬矿管接口螺纹接入口距离为x处的螺纹宽度，x表示距离扬矿管接口螺纹接入口的距离，L1表示深海扬矿管待加工外螺纹的接入螺纹宽度，h1表示深海扬矿管待加工外螺纹的接入螺纹深度；L2表示深海扬矿管待加工外螺纹的出口螺纹宽度，h2表示深海扬矿管待加工外螺纹的出口螺纹深度；r1为扬矿管的半径，φ1表示待加工螺纹在扬矿管上的倾斜角度；
步骤二、若螺纹截面法向与切削速度方向一致，则进行如下步骤：
2.1通过试切，确定刀具与扬矿管工件表面的相对位置，深海扬矿管待加工外螺纹的出口的深度为h2,则在加工中先切出h2的螺纹深度，通过机床控制杨矿管的进击量与旋转速度，形成螺纹；
2.2通过机床控制杨矿管6，使刀具5开始切削杨矿管6，加工外螺纹，由于末端是出口螺纹，宽度与深度较小，若切削到出口螺纹，则出口螺纹损坏；因此控制切削长度：若总螺纹长度为D，则第1个刀具5切削的长度为D，第2个刀具的切削长度为
Figure BDA0003089134940000023
然后采用第3个刀具切削，切削长度为
Figure BDA0003089134940000031
依次得到第N个刀具的且切削长度，完成外螺纹加工；其中第1个刀具到第N个刀具的切削刃的宽度和长度逐渐增加，且各个刀具的切削终端均为出口螺纹处。
进一步的改进，还包括步骤三、若螺纹截面法向与切削速度方向不一致，则进行如下步骤：
在步骤二的基础上，增加机床控制扬矿管道在x-z平面的偏转角度，在切削过程中的随着切削长度上不同位置的偏转角度为
Figure BDA0003089134940000032
其中，φ2表示支撑件4相对于扬矿管6的倾斜角度，x表示距离螺纹接入处的距离。
与相关技术相比，本发明提供的一种高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置具有如下优点：
本发明降低了z向振动对连接件z向振动激励响应，从而进一步降低了连接件的z向振动及其连接的支撑件的振动，提高了加工精度，且通过切割方式的控制快速高效的加工得到了扬矿管的变槽宽与变槽深螺纹。
【附图说明】
附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明一种高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置整体结构示意图；
图2为连接件的剖面结构示意图；
图3为刀具与扬矿管相对位置示意图；
图4为刀具的切削刃线性分布示意图。
需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明提供了一种用于高效加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置与使用方法，其主要由机床，超声振动装置，支撑件，刀具，驱动装置，连接件组成。本发明专利能够有效提高深海扬矿管的加工效率与精度。
超声振动装置安装在机床上，超声振动装置中的振动变幅杆末端输出超声振动，机床上的驱动装置驱动扬矿管高速旋转运动并调节扬矿管与刀具之间的距离。超声振动装置与通过紧固螺栓与连接件连接，连接件通过螺栓与支撑件紧密连接，在超声振动变幅杆振动输出端增加连接件，是为了防止振动变幅杆由于直接与支撑件连接传递振动，受到直接冲击力而损坏，连接件为高锰钢垫片，为可更换件。
超声振动装置产生x方向超声振动，其主要由超声振动变幅杆，压电激励器，超声电源，特殊结构的连接件，特殊结构的刀具，垫片组成。连接件如图2所示。连接件与超声变幅杆以球面接触，其中球面的半径为超声振动变幅杆输出端截面直径的1/3,且S1长度为超声变幅杆截面圆直径的4/5，首先球面增加接触面积，减低接触应力，提高寿命，其次，在压电激励器的激励下，超声振动变幅杆在产生轴向(x向)超声振动的同时，还会产生低幅值的弯曲振动，超声振动变幅杆输出弯曲振动与连接件的球面接触后，降低了其弯曲振动激励连接件倾斜振动幅值，从而降低弯曲振动造成的轴向振动对加工精度的影响。S2的长度为S1的2/3，以上距离关系，通过控制弯曲振动造成z向振动不经过连接件质心的位置，经过其旋转中心，压电激励器造成的z向振动驱动连接件摆动，降低了z向振动对连接件z向振动激励响应，从而进一步降低了连接件的z向振动及其连接的支撑件的振动，提高了加工精度。
支撑件，刀具与扬矿管相对位置如图3所示。其中l1,l2,φ1,φ2,r1分别为螺纹在杨矿管左侧，杨矿管右侧的宽度，待加工螺纹在扬矿管上的倾斜角度，支撑件相对于扬矿管的倾斜角度，扬矿管道的半径。其中刀具截面形状与杨矿管螺纹的截面形状一致。由于螺纹为变槽宽，变深度的，其变化过程遵循线性规律。
由于螺纹为变槽宽，变深度的，其变化过程遵循沿着螺纹长度线性规律。设定一段螺纹的接入螺纹宽度为L1,其深度为h1,出口的螺纹宽度为L2,深度为h2。由于螺纹连接中只能从小螺纹牙拧入大螺纹槽，接入螺纹必然大于出口螺纹。螺纹尺寸单位为um,则螺纹宽度的变化规律为：
Figure BDA0003089134940000051
Figure BDA0003089134940000052
在支撑装置上布置多个刀具(示意图中只画了一个)，若扬矿管螺纹曲面的精度要求为10um,则布置刀具的数量为N，其中N为
Figure BDA0003089134940000053
则刀具切削刃与连接螺纹截面一致，其刀具的切削刃也线性分布，如图4所示。
则在螺纹加工中，先加工螺纹深度与槽宽较小的部分，即从宽度为b2螺纹开始加工。
一、若螺纹截面法向与切削速度方向一致，则按照以下步骤进行
(1)通过试切，确定刀具1与扬矿管工件表面的相对位置，连接螺的出口的深度为h2,则在加工中需要先切出h2的螺纹深度，通过机床控制杨矿管的进击量与旋转速度，形成螺纹，进击量一般为0.1-0.5mm/转,通过工件试切，通过在支撑件与刀具连接处布置应变片，计算其应变，在确保变形量低于加工精度10um的要求下，尽可能旋转大进给量，确保加工精度与效率。由于增加了超声装置，同等条件下，切削力降低许多，可提高切削参数，提高材料去除效率与工件表面质量。需要多次走刀加工完成出口螺纹的形状。螺纹的长度为D，则刀具1切削的长度为D。
(2)通过机床控制杨矿管，使其与刀具2开始切削，开始加工连接螺纹。由于末端是出口螺纹，其宽度与深度较小，若切削到出口螺纹，则出口螺纹损坏。控制切削长度，若总螺纹长度为D，则刀具2切削的长度
Figure BDA0003089134940000054
经过这一步，刀具2加工变槽宽变深度螺纹完成。
然后以此采用刀具3，切削长度为
Figure BDA0003089134940000055
直至连接螺纹加工完成。
二、若螺纹截面法向与切削速度方向不一致，即待加工螺纹在扬矿管上的倾斜角度与支撑件相对于扬矿管的倾斜角度不同时，则需要在(一)的基础上，增加机床控制扬矿管道在x-z平面的偏转角度，则在切削过程中的随着切削长度上不同位置的偏转角度为
Figure BDA0003089134940000061
经过以上加工工序，每处的不同深度与宽度的连接螺纹一次精密加工完成，由于少了一个方向的切削参数变化，对机床的要求降低，提高了可加工性，比在加工过程变化切削深度的加工方法提高很多。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (6)

1.一种高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置，其特征在于，包括超声震动装置(1)，超声震动装置(1)包括超声振动变幅杆(2)，振动变幅杆(2)通过连接件(3)连接有环形的支撑件(4)，支撑件(4)内表面固定有若干刀具(5)，所述连接件(2)与振动变幅杆(2)的一端成形有球面状的球面部，振动变幅杆(2)上成形有与球面部配合的球面状凹槽，刀具(5)与支撑件(4)的连接处安装有应变感应片。
2.如权利要求1所述的高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置，其特征在于，设球面部的最宽处直径S1，S1为超声振动变幅杆(2)输出端直径的4/5；设球面部的长度a，连接件(3)的长度为b，S2＝b-a，限定S2＝(2/3)*S1；球面部所在球面的半径为超声振动变幅杆输出端截面直径的1/3。
3.如权利要求2所述的高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置，其特征在于，所述扬矿管的螺纹曲面的精度要求为cμm，则支撑件(4)内表面固定的刀具(5)的数量N＝b1/c；所述深海扬矿管的外螺纹为变槽宽与变槽深螺纹，所述刀具(5)的切削刃的宽度和长度对应深海扬矿管的外螺纹成线性分布，b1表示最窄的切削刃的宽度或者螺纹底端的宽度。
4.如权利要求1所述的高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置，其特征在于，所述振动变幅杆(2)通过紧固螺栓与连接件(3)连接，连接件(3)通过螺栓与支撑件(4)紧密连接，所述连接件(3)为高锰钢垫片。
5.一种权利要求3所述的高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、得到深海扬矿管的待加工外螺纹的变化规律：
Figure FDA0003089134930000011
Figure FDA0003089134930000012
其中，L(x)表示距离扬矿管接口螺纹接入口距离为x处的螺纹深度，h(x)表示距离扬矿管接口螺纹接入口距离为x处的螺纹宽度，x表示距离扬矿管接口螺纹接入口的距离，L1表示深海扬矿管待加工外螺纹的接入螺纹宽度，h1表示深海扬矿管待加工外螺纹的接入螺纹深度；L2表示深海扬矿管待加工外螺纹的出口螺纹宽度，h2表示深海扬矿管待加工外螺纹的出口螺纹深度；r1为扬矿管的半径，φ1表示待加工螺纹在扬矿管上的倾斜角度；
步骤二、若螺纹截面法向与切削速度方向一致，则进行如下步骤：
2.1通过试切，确定刀具与扬矿管工件表面的相对位置，深海扬矿管待加工外螺纹的出口的深度为h2,则在加工中先切出h2的螺纹深度，通过机床控制杨矿管的进击量与旋转速度，形成螺纹；
2.2通过机床控制杨矿管(6)，使刀具(5)开始切削杨矿管(6)，加工外螺纹，由于末端是出口螺纹，宽度与深度较小，若切削到出口螺纹，则出口螺纹损坏；因此控制切削长度：若总螺纹长度为D，则第1个刀具(5)切削的长度为D，第2个刀具的切削长度为
Figure FDA0003089134930000021
然后采用第3个刀具切削，切削长度为
Figure FDA0003089134930000022
依次得到第N个刀具的且切削长度，完成外螺纹加工；其中第1个刀具到第N个刀具的切削刃的宽度和长度逐渐增加，且各个刀具的切削终端均为出口螺纹处。
6.如权利要求5所述的高效精密加工深海扬矿管特殊连接外螺纹的装置的使用方法，其特征在于，还包括步骤三、若螺纹截面法向与切削速度方向不一致，则进行如下步骤：
在步骤二的基础上，增加机床控制扬矿管道在x-z平面的偏转角度，在切削过程中的随着切削长度上不同位置的偏转角度为
Figure FDA0003089134930000023
其中，φ2表示支撑件(4)相对于扬矿管(6)的倾斜角度，x表示距离螺纹接入处的距离。
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