專利名稱：采油篩管的電化學與機械復合加工方法及設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于電化學與機械復合加工方法，涉及加工采油篩管的專用設備。
油田用采油篩管現(xiàn)在國內(nèi)還沿用七十年代的不銹鋼絲徑向纏繞，形成徑向間斷篩孔。這種篩孔幾何形狀不好，積砂嚴重，采油效果極差，而且造價還高。
目前，世界上石油鉆采技術先進的國家采用新型鉆并技術，一并多管，擴延橫井，斜井從而降低鉆井成本，擴大采油面，提高采油量，為適應橫井，斜井需求，新設計出的篩管既能滿足井管機械強度要求又有防砂滲油的顯著效果。(參見圖1)，新設計的篩管是在鋼管壁上開出寬0.3×深0.3×長150毫米的槽口，接下去拓寬管內(nèi)壁口至寬3.2毫米的成梯形篩孔，篩管直徑φ88.9毫米，內(nèi)徑φ75毫米，每節(jié)篩管長4520毫米，管上每個篩孔間隔60°，軸向交錯間斷分布。為保證防砂滲油耐摩效果對篩孔精確度和光潔度要求很高，因此用常規(guī)的機械加工、線切割放電加工，電火花放電等工藝均無法滿足工件型腔如此窄小，加工區(qū)外小里大，加工點多，精度要求高這樣苛刻的要求。
本發(fā)明的目的是提供一種腐蝕放電的電化學方法加工篩管內(nèi)壁孔槽，機械銑出外壁篩孔的復合加工方法及專用設備。
本發(fā)明采油篩管電化學與機械復合加工方法及設備的技術解決方案是;它利用電化學腐蝕原理，采用與孔槽尺寸相同的陰極板在電解液中放電，使作為陽極的篩管內(nèi)壁加工區(qū)發(fā)生電化學反應，溶解脫落形成需要尺寸的孔槽;在篩管外壁利用超聲測厚儀不接觸地測定出槽的中心線，為銑床加工定位，接著用多組銑刀加工出軸向交錯分布的長150×寬0.3×深0.3毫米的外壁孔。
具體措施是實施上述方案的設備包括電化學設備、傳動系統(tǒng)、定位機加設備。實施電化學腐蝕放電的裝置包括陰極板和與之相應固定的噴射器和電解液系統(tǒng)(參見圖二)。噴射器14連通電解液供給管路12、管路12上串接著閥門11、高壓泵10控制液體流量、調(diào)正壓力。作業(yè)狀態(tài)液體壓力為0.5～2MPa，流速為5～50m/s，泵10端接電解槽5，槽中裝有鹽加酸的電解液，如氯化鈉加硼酸，濃度為10～25%，從噴射口14′落下的電解液9經(jīng)過回液槽15，回液閥17、回液管13返回電解液槽5，通過其中的過濾器16使電解液循環(huán)使用。為保證電解液的濃度還應配有鹽、酸濃度分析儀及補液容器。在工件2與支撐陰極板4的滑套18之間連接著整流器1，并配有電壓表和電流表。整流器1的陽板2+接在工件2上，陰極端接在滑套18上，0～24伏低壓脈沖式直流電經(jīng)支撐件6傳到陰極板端4，工件2與陰極板4之間有一定間隔，當電解液9噴射到工件2上時，有電流接通到作為陽極的工件2上從而構成放電回路。
電化學腐蝕放電裝置的特征在于噴射器14(見圖三)。根據(jù)電化學腐蝕放電加工的“薄膜理論”，電解液噴射壓力大，對加工部位噴射準確、才能使該部位的金屬成薄膜狀脫落并快速流走，從而達到加工型體的要求。噴射器14的任務是控制電解液的壓力、流量、加工區(qū)的幾何尺寸，表面光潔度以及加工速度。本發(fā)明中的噴射器14制作成彎曲管狀，在彎折的較長斜面管的側壁上留出與加工尺寸相近的噴射口14′，斜面的傾斜角度要保證噴射出的電解液體準確地噴射在電解加工部位上，傾斜角α可以是25～30°，三個噴射口14′共同噴射出的液面長度相當于陰極板的長度，噴射器14用高強度，剛性好的絕緣材料制作，若用金屬材料需經(jīng)過絕緣處理，以免增加放電電位點。噴射器14一端連接高壓進液管12，另一端是盲端，其特征是噴射器開口14和尺寸與陰極板4的尖端成β角(見圖四所示)，β角的大小與加工區(qū)孔槽的寬度與深度有關，計算公式;
tgβ＝ (D)/(2L)D加工區(qū)寬度L加工區(qū)深度針對加工篩管而言，噴射口14′與陰極板4的β角取12～15°，噴射口14′的開口寬度為0.10～0.5毫米窄于加工區(qū)的寬度，這樣噴射出的電解液射流帶較薄，以保證加工出高精度的孔槽。
與噴射器同等重要的陰極板4，其形狀、尺寸及安裝位置是按照加工工件型腔允許的電解放電間隙而確定的。陰極板4的寬度應小于加工區(qū)寬度1～1.5毫米，高度h尺寸要考慮加工濃度及安裝導液管12后不產(chǎn)生額外放電電位點為準來確定。陰極板的長度L尺寸比加工區(qū)的尺寸小1～2毫米，陰極板4以角型滑鍵方式安裝在支撐座18′上，支撐座18′用螺釘固定或焊接在滑套18上，滑套18通過定位鍵3安裝在支撐導桿6上，支撐桿6的長度要大于工件長度，適于安裝工作臺架21上(見圖四)，支撐座18′，滑套18，定位鍵3和支撐導桿6都是用黃銅或其它鋼材制成的，它們構成陰極支撐系統(tǒng)同時又作為導體形成放電回路。滑套18接近工件部位涂復絕緣材料，以免增加放電電位點，在滑套18與支撐桿6外面要包一層可折疊的絕緣薄膜套管19，解決非加工區(qū)絕緣問題。(見圖四)傳動系統(tǒng)包括底座、陰極支撐系統(tǒng)、陽極工件軸及相應驅(qū)動裝置。進給系統(tǒng)能夠執(zhí)行三種方式的運動。(一)固定陰極板4的滑套18沿支撐桿6作軸向移動，滑套18的兩端有牽引釣22，釣22上拴結著牽引繩24，繩24的另一端固定在陰極軸向手動滑輪23上(見圖六、三)，當陰極噴射系統(tǒng)每加工完一周，使用手輪23牽引使陰極4連同噴射器14一同軸向移動。移動距離由固定在繩24上的標尺示出。(二)陽極工件2旋轉(zhuǎn)，工件2架在回液槽15的軸承25上，軸承25′支座26都固定在槽15上，由步進電機傳動，每加工完一個孔槽，軸承25便旋轉(zhuǎn)帶動工件2轉(zhuǎn)動60°時停止，準備進行第二個孔槽的加工;(三)陽極工件2能夠徑向移，這是用兩臺步進電機7-4通過回液槽15下面的滾珠絲杠帶7-3通過帶動滑動副7-1在滑軌7-2上平移，這種工件12平移的任務是，在陰極板4固定不動的情況下，調(diào)正放電腐蝕加工區(qū)孔槽的加工深度。因此，平移速度由放電電流、電壓、電解液壓力與濃度等因素來決定，通過電化學加工控制器控制速度，加工篩管時為0.01～1.00毫米/分。
本發(fā)明的篩管電化學與機械復合加工方法及設備，當篩管經(jīng)腐蝕放電加工出管內(nèi)倒梯形孔槽后;再用銑床加工出篩管表面的0.30毫米直口篩孔(見圖六、一)。機加時須對準倒梯形中間部，共兩側厚度對稱于中間，因此采用超聲測厚定位法。本發(fā)明采用普通超聲測厚儀，選用窄于加工區(qū)的探頭以便提高定位精度，刀具采用多組0.20～0.30毫米的鋸片銑刀，轉(zhuǎn)速為300～1000rpm時，進給量小于1.00毫米，這樣既保證加工直口寬和深要求又降低銑刀片的損耗。篩管完成兩種加工后，要進行磷化清洗處理，使工件鈍化、以防存入時生銹。
本發(fā)明涉及的這種篩管加工難度在于內(nèi)外孔形狀不同，要求精度高，管長口徑小L4520×φ75毫米，無法實施常規(guī)的各種機加工，而本發(fā)明的復合加工工藝和設備的優(yōu)點是(1)加工出的篩孔形位公差小，精度高、孔表面粗糙度Ra可達3.2umm篩管無燃點，保持原管材質(zhì)、性能;(2)設備結構緊湊，在篩管工件較小的空間內(nèi)，利用固定陰極的滑套、支撐桿形成傳動工裝與導電系統(tǒng)一體化，陰極系統(tǒng)可手動、陽極工件平移自動化，操作簡便，造價低，工件陰極都可移動，內(nèi)外復合加工效率高，成本低。
下面結合


工藝過程及設備作業(yè)狀態(tài);
圖1篩管結構，1A是篩孔外形尺寸長150mm，外徑φ88.9mm，內(nèi)徑φ75mm，圖2是篩管剖面圖，內(nèi)壁孔寬3.2mm，外孔寬0.3±0.05，深0.3～0.5mm，孔距60°。
圖2是篩管的剖面圖。
圖3是篩管電化學腐蝕放電設備總體圖。
圖4是篩管電化學腐蝕放電設備的頂視圖。
圖5是篩管復合加工工藝示意圖。
圖6是噴射管開口14′與陰極板4尖端成角度β角的電解液噴射展示圖。
圖7是電解液噴射器14′，α角為噴射器14彎曲部分的傾斜角。
圖8是噴射器14的剖面圖，圖中W為為噴射口14′的寬度。
圖9是篩管復合加工中機加的示意圖。
圖10是陰極板裝配圖。
圖11是陰極系統(tǒng)移動示意圖。
實施例對篩管實施電化學加工前要進行電解工藝中常規(guī)的除銹，然后將篩管(即工件)2放置于回液槽15中的軸承托架25上。
用定位鍵3把帶陰極板4的滑套18緊固在支撐桿6上，支撐桿6套上具有伸縮性、可隨滑套18移動的絕緣滑套19，接好噴射器14和導液管12，把支撐桿6穿入工件2內(nèi)并將兩端固定在陰極系統(tǒng)支撐座28上，把座28上的接線柱連接在系統(tǒng)器的直流電源陰極板上，把陽極接在工件2上，把牽引釣22掛在陰板滑套18牽引釣22上，系好牽引繩24并固定在手動滑輪23上。
電解加工開始時，(一)將電源的陰、陽極分別接陰極系統(tǒng)支撐座28和工件2+處。(二)當電解液的壓力達0.5MPa以上時，啟動閥門11，使液體沿管路12通過噴射器14噴射到電解加2區(qū)域內(nèi)。(三)啟動系統(tǒng)器1的電源開關，使電流沿電源的陽極2+到達工件2，再通過電解液9回到陰極板4、座18、滑套18及6(即陰極系統(tǒng))，陰極系統(tǒng)支撐座28，最后回到電源的負極，構成回路。(四)啟動徑向進給系統(tǒng)7，使槽15及其中的工件2開始電解加工。當控制器上的數(shù)顯表顯示出所需要的徑向進給深度時。先停止徑向進給，再斷電源，最后停止噴液。把陰極板4退出所加2出的型腔內(nèi)，成初始狀態(tài)。(五)通過陰極傳動系統(tǒng)的手輪23使陰極系統(tǒng)作軸向移動，觀察固定在繩24上標尺所示的陰極軸向移動距離，重復電解加工軸各篩孔的過程，至工作終端，待篩管全部加工完后，再對其進行銑床機加工作軸向移動。銑床加工前湎先采用超聲波定位，定好位后再用多組銑刀片同時機械加工。(六)旋轉(zhuǎn)分度盤27，60度重復上述加工過程(即對第二個槽孔進行電解電27，當將園周上的六個槽孔全部電解加工完畢后。整個篩管全部(復合)加工完畢后，在存放其間不銹蝕，須對其進行鈍化(磷化)處理。
權利要求
1.一種采油篩管的電化學與機械復合加工方法，包括篩管內(nèi)孔電化學腐蝕放電，超聲定位及管外孔機加工方法，其特征是陰極作為內(nèi)孔槽的模具在電解液中放電，使作為陽極的篩管內(nèi)壁加工區(qū)腐蝕成所需孔槽；利用超聲測厚儀在工件外側檢測出電化學腐蝕過的部位，為銑床加工定位，再用銑刀加工出篩管外孔；
2.一種采油篩管的電化學與機械復合加工設備，包括支撐與傳動系統(tǒng)，電化學腐蝕放電機構，定位機加系統(tǒng)，其特征是(a)支撐與陰極傳動系統(tǒng)有固定陰極系統(tǒng)支撐座28的底座21，陰極系統(tǒng)通過定位鍵3固定在支撐桿6上，桿6穿過工件2的孔徑將其兩端固定在陰極系統(tǒng)支撐座28上;(b)支撐座28上還有手動滑輪23，固定著牽引繩24，繩的另一端有牽引釣22釣住滑套18，使陰極系統(tǒng)沿支撐桿6軸向移動;
3.根據(jù)權利要求2所述的復合加工設備，其傳動系統(tǒng)的兩個底座7上有帶動陽極工件2的徑向平移機構，其特征是(a)支撐、傳動陽極工件2的滾動托架25安置在回液槽15內(nèi)，槽15通過滾珠絲杠7-5帶動滑動副7-1、7-2作徑向平移。(b)平移是通過電化學加工控制器控制兩臺步進電機7-4，加工篩管時移動速度為0.01～10毫米/分;同步移動控制精度為0.01毫米;(c)工件2可隨槽5一起，由軸向移動機構7-3帶動作軸向移動。(d)通過在槽15端部的分度定位銷27使?jié)L動托架25帶動工件2轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)角度，加工篩管時為60°;(e)回液槽15由高強度絕緣材料制成。
4.按照權利要求2所述的電化學與機械復合加工設備，其電化學腐蝕放電機構包括陰極系統(tǒng)，電解液供給系統(tǒng)，其特征在于;(a)陰極系統(tǒng)有固定在滑套18上的陰極板4，整流器1和與其相接的電流表，電壓表，整流器1的陽極接在工件2上，陰極接在滑套18上，滑套18與支撐桿6，固定陰極板4的板支座18′，都固定成一體作為陰極系統(tǒng)，整流器1產(chǎn)生的0～24伏低壓脈沖直流電經(jīng)工件2通過電解液與陰極系統(tǒng)構成回路;(b)電解液系統(tǒng)有電解槽5，導液管12，串接在管12上的高壓泵10，閥門11，管12的端頭連接噴射器14，噴射器14與陰極板4固定在一起，從噴射口14′射出的電解液流出工件2經(jīng)回液槽15、回液管13、回液閥17返回電解液槽5，經(jīng)槽5中的過濾器16使電解液循環(huán)使用，為保證電解液的濃度還配有濃度分析儀;(c)作業(yè)狀態(tài)的電解液壓力為0.5～2MPa，流速為5～50m/s(d)電解液是氯化鈉一般濃度10～25%
5.按照權利要求2或4所述的電化學腐蝕放電機構，陰極系統(tǒng)中陰極板4與噴射器14固定在一起，其特征是;(a)陰極板4的形狀，尺寸及安裝位置是按照加工工件型腔允許的電解放電間隙而確定的，陰極板4的寬度應小于加工區(qū)寬度1～1.5mm，板4的高度根據(jù)加工深度及安裝導液管12后不產(chǎn)生額外放電電位點為準而定，其長度比加工區(qū)的長度要小1～2毫米;(b)陰極板4以角型滑鍵方式安裝在支撐座18上，支撐座18用螺釘固定或焊接在滑套18上，滑套18通過定位鍵3安裝在支撐導桿6上;(c)支撐座18′，滑套18，定位鍵3是用黃銅制成，支撐導桿6用不銹鋼制成，既起支撐作用又構成放電回路，導桿6與支撐座28之間有絕緣層;(d)在支撐桿6與定位鍵3外面套一層可折疊、伸縮的絕緣膜套管19，給滑套18外側涂絕緣漆。
6.按照權利要求2或4所述的電化學腐蝕放電機構，其陰極系統(tǒng)噴射器14的特征是(a)制成彎曲管狀的噴射器14，在彎折較長斜面的管的側壁上留出小于加工寬度的縫隙為噴射口14′，噴射口14′的寬度W為0.10～0.5mm，彎折斜面的傾斜角度要保證噴射出的電解液體準確地噴射在電解加工部位上，傾斜角α可以是25～30°，噴射口14′的長度要保證噴射出的液體在加工區(qū)能重合相接，共同噴射出的液面長度相當于陰極板長度。(b)噴射器14一端接高壓導液管12，另一端是盲端，它采用高強度、剛性好的絕緣材料制作，可以是聚四氟乙烯，若用金屬材料需作絕緣處理。(c)噴射器14與陰極板4固定時要必須使噴射口14′與陰極板4的尖端成β角，β角與加工區(qū)的寬度與深度的計算公式是tgβ＝ (D)/(2L)D加工區(qū)寬度L加工區(qū)深度加工篩管時β角取12～15°
7.按照權利要求1或2所述的采油篩管電化學與機械復合加工方法、設備，其特征是(a)利用普通超聲測厚儀測定出工件已加工完的孔槽梯形的中心部位，采用小于加工寬度的窄控頭以提高定位精度。(b)在確定加工區(qū)的工件外壁用銑床加工出長150×寬0.3±0.05×深0.3～0.5的篩孔。(c)銑刀片采用多組鋸片銑刀，銑刀厚度是0.20～0.30毫米，轉(zhuǎn)速為300～1000rpm時，進給量小于1.00毫米。
全文摘要
本發(fā)明的篩管電化學與機械復合加工方法和設備，采用與加工區(qū)尺寸相近的陰極板在電解液中對準管內(nèi)壁的加工內(nèi)放電，溶解脫落形成所要求的孔槽，然后在篩管外壁利用超聲測厚儀不接觸地測定出槽的中心線，用多組銑刀加工出沿管軸向交錯分布的長150×寬0.3×深0.3(毫米)的外壁孔，形成外窄里寬倒梯形的長孔。電化學腐蝕設備的特點是電解液噴射器與陰極板，滑套，導桿構成可軸向移動的陰極系統(tǒng)，噴射口與陰極板的裝配角度為12～15°。
文檔編號B23P13/00GK1073387SQ9111098
公開日1993年6月23日 申請日期1991年12月17日 優(yōu)先權日1991年12月17日
發(fā)明者譚作仁, 蘆旭, 張守忠, 孫宏博, 商瑞林 申請人:沈陽市火炬科技開發(fā)公司