CN113210761B - 一种深海扬矿管接头内螺纹的加工装置的使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深海扬矿管接头内螺纹的加工装置的使用方法，包括安装在机床上的超声振动装置，超声振动装置通过紧固螺栓连接有第一连接件，第一连接件通过螺栓紧密连接有圆筒状的支撑件，支撑件内安装有电机，电机通过传动轴连接有刀盘，刀盘连接有刀片；电机通过第二连接件与支撑件固定连接，刀盘通过第三连接件与支撑件固定连接。本发明提供了能够普通车床上实现特殊内螺纹的高效加工装置与方法，提高外螺纹的加工精度与效率，提高扬矿管连接件的使用性能。

Description

一种深海扬矿管接头内螺纹的加工装置的使用方法

【技术领域】

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种深海扬矿管接头内螺纹的高效加工装置。

【背景技术】

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接头外螺纹的加工。与此同时，扬矿管的专用机床生产周期长，成本高。

【发明内容】

本发明公开了一种深海扬矿管接头内螺纹的高效加工装置及其使用方法。本发明提供了能够普通车床上实现特殊内螺纹的高效加工装置与方法，提高外螺纹的加工精度与效率，提高扬矿管连接件的使用性能。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种深海扬矿管接头内螺纹的高效加工装置，包括安装在机床上的超声振动装置1，超声振动装置1通过紧固螺栓连接有第一连接件2，第一连接件2通过螺栓紧密连接有圆筒状的支撑件3，支撑件3内安装有电机4，电机4通过传动轴9连接有刀盘5，刀盘5连接有刀片6；电机4通过第二连接件7与支撑件3固定连接，刀盘5通过第三连接件8与支撑件3固定连接。

进一步的改进，所述第一连接件2为高锰钢垫片；所述第二连接件7和第三连接件8均为连接杆。

进一步的改进，所述机床的工作台和刀盘5中心均安装有非接触式传感器，两个非接触式传感器组成一对非接触式传感器以检测工件与刀具中心的相对位置。

一种深海扬矿管接头内螺纹的高效加工装置的使用方法，包括如下步骤：

步骤一、在机床的工作台和刀盘5中心均安装非接触式传感器，测得机床安装超声装置及扬矿管接头前两个非接触式传感器的相对x,y,z向位置；然后机床驱动装置驱动机床主轴移动和偏转预设距离，在平面x-y，y-z,x-z内的偏转角度α₁，β₁，γ₁，机床主轴在x-y-z坐标系下沿x、y、z轴的位移分别为x₁，y₁，z₁；

步骤二、机床安装超声振动装置(1)及扬矿管接头(10)，测得刀具与工作台的相对x，y，z向位置，然后机床驱动装置驱动机床主轴移动和偏转预设距离，在平面x-y，y-z，x-z内的偏转角度分别为α₂，β₂，γ₂机床主轴在x-y-z坐标系下沿x、y、z轴的位移分别为x₂，y₂，z₂；

步骤三、得到安装超声振动装置(1)和扬矿管接头后机床的误差影响量：

Δx＝x₂-x₁

Δy＝y₂-y₁

Δz＝z₂-z₁

Δα＝α₂-α₁

Δβ＝β₂-β₁

Δγ＝γ₂-γ₁

其中，Δx为机床主轴在x轴方向位移误差；Δy为机床主轴在y轴方向位移误差；Δz为机床主轴在z轴方向的位移误差；Δα为在机床主轴在x-y平面内偏转运动的角度误差；Δβ为在机床主轴在y-z平面内偏转运动的角度误差；Δγ为在机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差；

则偏转误差沿着扬矿管接头末端向驱动装置夹紧处逐渐降低，则沿着管接头轴线长度，x，y，z方向的误差分别为：

φ(l)＝Δx+l tanΔα

ω(l)＝Δy+l tanΔβ

ψ(l)＝Δz+l tanΔγ

其中，l为扬矿管接头的离夹紧处的轴线距离；φ(l)、ω(l)、ψ(l)分别表示距离扬矿管接头末端距离为1处的x轴、y轴、z轴方向的误差；Δx、Δy和Δz分别为扬矿管接头的离夹紧处在x轴、y轴、z轴方向的位移误差；

步骤四、由于扬矿管接头的内螺纹为变槽宽，变深度的，变化过程遵循沿着螺纹长度线性规律，设定内螺纹的接入螺纹宽度为L₁，深度为h₁，出口螺纹宽度为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，则螺纹宽度与深度的变化规律为：

其中D为内螺纹的长度，L表示切削点距离螺纹末端的距离)，L(D-l)表示距离螺纹拧入点距离为D-l的螺纹宽度，r₁表示扬矿管的半径，φ₁表示扬矿管螺纹的旋转角度，即扬矿管径向与螺纹切向的角度；h表示螺纹深度，h(D-l)表示距离螺纹拧入点距离为D-l的螺纹深度；

设加工内螺纹螺纹中的进给量，切削深度与扬矿管接头的转速分别为别为f_z，a_p；由于刀片的切削刃与内螺纹截面形状完全一致，并且成比例缩小，则只需要控制切削深度就可以控制整个内螺纹截面形状；

则误差补偿后，加工变槽宽，变深度的内螺纹时，刀具的进给量，切削深度为：

A_z(D-l)＝a_p+ψ(l)

F_z(D-l)表示加工距离螺纹拧入点距离为D-l的进给量，φ表示x方向误差，ω表示y方向误差，A_z(D-l)表示加工距离螺纹拧入点距离为D-l的切削深度，a_p表示误差补偿前的切削深度，ψ(l)表示z方向误差；

步骤五、在刀盘上布置N个刀片，电机驱动刀盘旋转，旋转速度为r转/分钟，则电机驱动刀盘旋转切削，其激励频率为

刀盘的直径为d，则切削速度为

超声振动的幅值为B，频率为刀盘振动的谐振频率f，则最大振动速度v为2πfB，为确保加工有效，则须确保切削速度低于超声振动速度，即

其中R为扬矿管接头的半径；

通过模态测试获得安装扬矿管接头后，机床在扬矿管接头端的固有频率为ω₁，机床在刀盘处的固有频率为ω₂，则激励频率不能接近固有频率，即：

(

或

)且(

或

)

得到符合条件的激励频率作为超声振动装置(1)的激励频率，完成内螺纹的加工。

进一步的改进，f为20000，单位为Hz。

进一步的改进，依据步骤5中的确定的合适的激励频率，选择匹配刀片数目N与转速r。比如选择的激励频率为K，10000Hz，则Nr＝60k若电机最高转速为5000转/分钟，则转速可以为2000，刀片数目为5

进一步的改进，依据步骤5中的确定的合适的激励频率，选择匹配刀片数目N与转速r。比如选择的激励频率为K，10000Hz，则Nr＝60k若电机最高转速为5000转/分钟，则转速可以为2000，刀片数目为5。

与相关技术相比，本发明提供的一种深海扬矿管接头内螺纹的高效加工装置具有如下优点：

本发明提供了能够普通车床上实现特殊内螺纹的高效加工装置与方法，提高外螺纹的加工精度与效率，提高扬矿管连接件的使用性能。

【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为深海扬矿管螺纹加工装置示意图。

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，高速电机，特殊刀盘，刀片，传动轴，连接件组成。本发明专利能够有效提高深海扬管接头的加工效率与精度。如图1所示。

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片之间的距离。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，特殊结构的刀片，垫片组成。连接件与超声变幅杆通过紧固螺栓与支撑件连接

机床误差影响量测量，通过传感器测试得出安装车轴、夹具和超声振动装置前后的位置差别，以此得出安装车轴的机床误差影响量。

刀具与工件之间的实际位置由非接触式的一对传感器检测，一个传感器布置在工作台上，另一个传感器布置在刀具中心，用于检测工件与刀具中心的相对位置；测得安装超声装置及扬矿管接头前刀具与工件的相对x,y,z位置、机床驱动装置驱动管接头在平面x-y，y-z,x-z内的偏转角度分别为x₁，y₁，z₁，α₁，β₁，γ₁。机床安装超声装置及扬矿管接头后，刀具与工件的相对x,y,z位置、机床驱动装置驱动管接头后在平面x-y，y-z,x-z内的偏转角度分别为x₂，y₂，z₂，α₂，β₂，γ₂；可得误差影响量为

Δx＝x₂-x₁

Δy＝y₂-y₁

Δz＝z₂-z₁

Δα＝α₂-α₁

Δβ＝β₂-β₁

Δγ＝γ₂-γ₁

其中Δx为x方向位移误差；

Δy为y方向位移误差；

Δz为z方向的位移误差；

Δα为在机床主轴在x-y平面内偏转运动的角度误差；

Δβ为在机床主轴在y-z平面内偏转运动的角度误差；

Δγ为在机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差；

则偏转误差沿着管接头末端向驱动装置夹紧处逐渐降低，则沿着管接头轴线长度，x,y,z方向的误差分别为：

φ(l)＝Δx+ltanα

ω(l)＝Δy+ltanβ

ψ(l)＝Δz+ltanγ

其中l为离夹紧处的轴线距离。

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：

其中D为整个螺纹的长度。

设加工此标准螺纹(固定宽度与深度，以最大的切削深度与宽度值)中的进给量(刀具控制)，切削深度(刀具控制)与转速(管结构旋转转速)为别为f_z，a_p，n，由于刀具切削刃与特殊连接螺纹截面完全一致，并且成比例缩小，则只需要控制切削深度就可以控制整个特殊螺纹的截面形状。

则误差补偿后，加工特殊变槽宽，变深度的刀具的进给量，切削深度为：

A_z(D-l)＝a_p+ψ(l)

由于螺纹为变槽宽，变深度的，其变化过程遵循线性规律。

在刀盘上布置N个刀片，驱动电机驱动刀盘高速旋转r(转/分钟)，则高速电机驱动刀盘旋转切削，其激励频率为

刀盘的直径为d，则切削速度为

超声振动的幅值为B，频率为刀盘振动的谐振频率f，约为20000，单位为Hz，则最大振动速度v为2πfB，为确保加工有效，则须确保切削速度低于超声振动速度。即

其中R为扬矿管接头半径。

通过模态测试获得安装扬矿管接头后，机床在扬矿管接头端的固有频率为ω₁，机床在刀盘处的固有频率为ω₂，则激励频率不能接近固有频率，即：

(

或

)且(

或

)

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 (2)

1.一种深海扬矿管接头内螺纹的加工装置的使用方法，其特征在于，所述深海扬矿管接头内螺纹的高效加工装置包括安装在机床上的超声振动装置(1)，超声振动装置(1)通过紧固螺栓连接有第一连接件(2)，第一连接件(2)通过螺栓紧密连接有圆筒状的支撑件(3)，支撑件(3)内安装有电机(4)，电机(4)通过传动轴(9)连接有刀盘(5)，刀盘(5)连接有刀片(6)；电机(4)通过第二连接件(7)与支撑件(3)固定连接；所述第一连接件(2)为高锰钢垫片；所述第二连接件(7)为连接杆；所述机床的工作台和刀盘(5)中心均安装有非接触式传感器，两个非接触式传感器组成一对非接触式传感器以检测工件与刀具中心的相对位置；

包括如下步骤：

步骤一、在机床的工作台和刀盘(5)中心均安装非接触式传感器，测得机床安装超声装置及扬矿管接头前两个非接触式传感器的相对x,y,z向位置；然后机床驱动装置驱动机床主轴移动和偏转预设距离，在平面x-y，y-z,x-z内的偏转角度α₁，β₁，γ₁，机床主轴在x-y-z坐标系下沿x、y、z轴的位移分别为x₁，y₁，z₁；

步骤二、机床安装超声振动装置(1)及扬矿管接头(10)，测得刀具与工作台的相对x,y,z向位置，然后机床驱动装置驱动机床主轴移动和偏转预设距离，在平面x-y，y-z,x-z内的偏转角度分别为α₂，β₂，γ₂；机床主轴在x-y-z坐标系下沿x、y、z轴的位移分别为x₂，y₂，z₂；

步骤三、得到安装超声振动装置(1)和扬矿管接头后机床的误差影响量：

Δx＝x₂-x₁

Δy＝y₂-y₁

Δz＝z₂-z₁

Δα＝α₂-α₁

Δβ＝β₂-β₁

Δγ＝γ₂-γ₁

其中，Δx为机床主轴在x轴方向位移误差；Δy为机床主轴在y轴方向位移误差；Δz为机床主轴在z轴方向的位移误差；Δα为在机床主轴在x-y平面内偏转运动的角度误差；Δβ为在机床主轴在y-z平面内偏转运动的角度误差；Δγ为在机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差；

则偏转误差沿着扬矿管接头末端向驱动装置夹紧处逐渐降低，则沿着管接头轴线长度，x,y,z方向的误差分别为：

φ(l)＝Δx+ltanΔα

ω(l)＝Δy+ltanΔβ

Ψ(l)＝Δz+ltanΔγ

其中，l为扬矿管接头的离夹紧处的轴线距离；φ(l)、ω(l)、Ψ(l)分别表示距离扬矿管接头末端距离为l处的x轴、y轴、z轴方向的误差；Δx、Δy和Δz分别为扬矿管接头的离夹紧处在x轴、y轴、z轴方向的位移误差；

步骤四、由于扬矿管接头的内螺纹为变槽宽，变深度的，变化过程遵循沿着螺纹长度线性规律，设定内螺纹的接入螺纹宽度为L₁,深度为h₁,出口螺纹宽度为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,则螺纹宽度与深度的变化规律为：

其中D为内螺纹的长度，l表示切削点距离螺纹末端的距离，L(D-l)表示距离螺纹拧入点距离为D-l的螺纹宽度，r₁表示扬矿管的半径，φ₁表示扬矿管螺纹的旋转角度，即扬矿管径向与螺纹切向的角度；h表示螺纹深度，h(D-l)表示距离螺纹拧入点距离为D-l的螺纹深度；

设加工内螺纹螺纹中的进给量，切削深度与扬矿管接头的转速分别为f_z，a_p，n；由于刀片的切削刃与内螺纹截面形状完全一致，并且成比例缩小，则只需要控制切削深度就可以控制整个内螺纹截面形状；

则误差补偿后，加工变槽宽，变深度的内螺纹时，刀具的进给量，切削深度为：

A_z(D-l)＝a_p+Ψ(l)

F_z(D-l)表示加工距离螺纹拧入点距离为D-l的进给量，φ表示x方向误差，ω表示y方向误差，A_z(D-l)表示加工距离螺纹拧入点距离为D-l的切削深度，a_p表示误差补偿前的切削深度，Ψ(l)表示z方向误差；

步骤五、在刀盘上布置N个刀片，电机驱动刀盘旋转，旋转速度为r转/分钟，则电机驱动刀盘旋转切削，其激励频率为

刀盘的直径为d，则切削速度为

超声振动的幅值为B，频率为刀盘振动的谐振频率f，则最大振动速度v为2πfB，为确保加工有效，则须确保切削速度低于超声振动速度，即

其中R为扬矿管接头的半径；

通过模态测试获得安装扬矿管接头后，机床在扬矿管接头端的固有频率为ω₁，机床在刀盘处的固有频率为ω₂，则激励频率不能接近固有频率，即：

(

或

)且(

或

)

得到符合条件的激励频率作为超声振动装置(1)的激励频率，完成内螺纹的加工。

2.如权利要求1所述的深海扬矿管接头内螺纹的加工装置的使用方法，其特征在于，f为20000，单位为Hz。

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