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螺杆钻具马达定子内螺旋曲面铣削加工技术研究

王贺  
【摘要】:螺杆钻具(PDM drill),是一种以钻井液为动力,把液体压力能转化为机械能的容积式井下动力钻具,其马达由转子和定子两大核心部件构成。转子是一根外层表面镀有耐磨材料的钢制外螺旋曲面螺杆,其制造工艺水平已经很高;传统的定子是内壁粘着有内螺旋曲面橡胶衬套的薄壁钢管。经过多次使用后发现传统螺杆钻具有很多不足之处,如经常有因定子橡胶衬套热量集中、受热不均而最终导致橡胶衬套过早失效而损坏,还有因定子衬套粘着不固造成脱胶而最终导致螺杆钻具失效等现象的发生。针对传统螺杆钻具所存在的诸多问题,一种新型的等壁厚螺杆钻具马达定子出现了,该种定子通过改变传统定子内表面的形状,最终能有效地使传统螺杆钻具所存在的问题得以改善,从而使螺杆钻具出现故障的几率大大降低,使用寿命得到提高。但该种新型钢制等壁厚定子内螺旋曲面的制造技术水平还不能够满足当前市场要求,主要表现在制造费用高、生产效率低等方面。所以为了能够实现低成本、高效率的加工等壁厚螺杆钻具马达定子,本文提出了利用成形铣削方法加工内螺旋曲面的实现方式,并对其铣削加工的相关技术进行了研究。 首先,根据螺杆钻具的工作原理,建立了螺杆钻具马达定子内螺旋曲面理论廓形的数学模型,为后续曲面的加工方法提供依据。其次,通过对国内外定子内螺旋曲面的诸多加工方法进行分析对比,提出了本课题所研究的加工方法并论述其优越性。然后,对利用圆弧替代离散点拟合廓形刀具铣削内螺旋曲面进行分析,验证利用圆弧替代廓形刀具加工内螺旋曲面的可行性。再后,对内螺旋曲面铣削机床的铣削刀杆进行动态特性分析,提出可靠、有效的刀杆辅助支撑形式。最后,在自主研发的加工设备上进行了铣削实验,结果证明了所加工的定子满足使用要求。本文用事实证明了加工方法的可行性和铣削过程的稳定性及可靠性,从而也为利用成形铣削方法加工内螺旋曲面的成功实现奠定了坚实的理论与实验基础。


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