一種鐵鑽工衝扣鉗輥子結構化表面的製備裝置及製備方法與流程
2023-12-08 08:43:36
本發明涉及一種鐵鑽工衝扣鉗輥子結構化表面的製備裝置和製備方法，尤其涉及一種利用雷射刻蝕和多孔噴射電解加工複合製備陣列凹坑的裝置。
背景技術：
隨著人類對石油需求量的日趨增大，石油機械也在蓬勃發展，在開採石油鑽井過程中，井口機器人鐵鑽工是重要的設備，在高頻大扭矩工況條件下，衝扣鉗輥子表面極易磨損，由於衝扣鉗輥子的磨損會導致鐵鑽工夾緊鑽杆、套管時打滑，嚴重影響了整體的工作效率和質量。故而對輥子表面採取結構化處理，可以提高其耐磨損性能，延長使用壽命，以提高鐵鑽工操作的穩定性和安全性。
目前在金屬材質表面進行結構化表面製備的方法主要有：電火花加工、雷射加工、噴射電解加工等，電火花加工雖然成型電極的電極損耗小，但是電極製作困難；雷射加工具有加工效率高等優點，對於微坑的加工，其加工表面還需要更進一步的光整加工處理；電解噴射加工可達性好，並且不需要製作成型陰極。但是也存在單孔加工效率低、重複精度差、定域性差等工藝缺陷。
技術實現要素：
本發明的目的是提供一種能夠對鐵鑽工衝扣鉗輥子外圓表面進行有效、高效的結構化處理的裝置及其製備方法。本發明的另一目的是提供一種對工件多個位置同時進行電化學腐蝕的新型的多孔噴射電極。
為了實現上述發明目的，本發明提供了一種鐵鑽工衝扣鉗輥子結構化表面的製備裝置，包括電極運動系統、輥子裝夾系統、雷射加工系統和電解液循環系統，所述電極運動系統包括多孔噴射電極、電極基座、絕緣套、電機、滑移架、直線導軌、滾珠絲槓、立柱和法蘭，所述多孔噴射電極安裝在電極基座上，所述電極基座通過法蘭與滑移架連接固定，所述直線導軌固定在立柱上，所述電機固定在立柱上端，與滾珠絲槓連接，所述滑移架與滾珠絲槓連接，所述絕緣套套裝在多孔噴射電極上；所述輥子裝夾系統包括夾具體、分度盤、分度盤底座、活動頂針，所述分度盤安裝在分度盤底座上，所述分度盤底座裝在夾具體左側，所述活動頂針固定在夾具體右側；所述雷射加工系統主要由雷射器、全反射鏡和聚焦透鏡組成，所述雷射器固定在立柱上端，所述全反射鏡固定在工件上方，所述聚焦透鏡垂直固定在全反射鏡和輥子之間；所述電解液循環系統主要由電解液池、電解液、過濾裝置、輸液管、回流管、球閥和水泵組成，所述電解液池底座固定在工作檯上，所述輸液管一端與法蘭埠連接，另一端接入電解液池中。
進一步地，所述多孔噴射電極與電極基座裝配後形成內外兩層流道，內外兩層流道之間通過電極基座的側壁通孔相連通；所述多孔噴射電極和絕緣套沿著周向一側都設有微小群孔，通過銷釘定位，使多孔噴射電極的周向一側群孔和絕緣套群孔位置相對應；所述多孔噴射電極與法蘭連接處有凹槽，用於安裝密封墊圈，形成封閉空間。
進一步地，所述夾具體固定於工作檯，所述分度盤通過軸承和分度盤底座進行固定，所述分度盤帶動輥子的轉動，將銷子插到分度定位孔和底座上的凹槽中可實現分度定位。
進一步地，所述全反射鏡將雷射器發出的雷射束反射至聚焦透鏡上，再由聚焦透鏡將雷射束聚焦到工件表面。
進一步地，所述水泵在電解噴射加工過程中提供電解液，通過調節球閥來控制電解液的流速；電解液池中安裝有過濾裝置。
為了實現上述發明目的，藉助發明的裝置，鐵鑽工衝扣鉗輥子結構化表面的製備方法包括如下步驟：1)將輥子安裝在夾具體上，利用夾具體左右兩側的分度盤與活動頂針固定，輥子與電源正極連接；2)將多孔噴射電極安裝在電極基座上，再將絕緣套對位安裝在多孔噴射電解外側，多孔噴射電極與電源負極連接；3)啟動雷射器，調整聚焦透鏡將雷射聚焦於輥子表面；4)通過工作檯與分度盤的結合運動，利用脈衝雷射對輥子外圓表面進行陣列刻蝕，形成結構化初始表面；5)啟動電機，調整多孔電極的高度，控制工作檯，調整輥子與多孔噴射電極的相對位置和距離；6)同時啟動水泵和電源，調整電解液壓力與電源電壓，多孔噴射電極噴射出電解液，實現輥子雷射刻蝕表面的電化學拋光，獲得最終的結構化表面。
上述製備方法中，所述脈衝雷射單脈衝能量50-100mj，脈寬為12-16ms，頻率為1-5hz；所述電解液為中性nano3溶液，濃度為20-30％，電解液壓力為0.5-1mpa；所述電源電壓為50-80v；所述輥子與多孔噴射電極的距離為0.5-1mm；所述分度盤的分度精度為±0.05度。
與現有技術相比，本發明優點：1.針對軸對稱的輥子零件，在外圓實現結構化表面高效製備；2.多孔噴射電極不需要製作成型電極，減少了製作成型電極帶來的誤差，提高了工件表面微坑加工精度；3.製備的輥子結構化表面耐磨損性能強，壽命長。
附圖說明
圖1為本發明裝置示意圖；
圖2為多孔噴射電極的安裝結構示意圖；
圖3製備了結構化表面的輥子樣件圖；
圖4為輥子光滑表面摩擦試驗結果圖；
圖5為輥子結構化表面摩擦試驗結果圖；
圖1內標號為：
1、多孔噴射電極，2、電極基座，3、絕緣套，4、反光鏡，5、聚焦透鏡，6、電機，7、雷射器，8、滑移架，9、直線導軌，10、滾珠絲槓，11、立柱，12、電流表，13、穩壓電源，14、電壓表，15、球閥，16、輸液管，17、水泵，18、電解液池，19、電解液，20、過濾裝置，21、回流管，22、工作箱，23、活動頂針，24、夾具體，25、輥子，26、工作檯，27、分度定位孔，28、分度盤，29、軸承，30、分度盤底座，31、法蘭，32、螺釘，33、銷釘，34、密封墊圈，35、螺栓，36、雷射加工系統，37、電解液循環系統，38、電極運動系統，39、輥子裝夾系統。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明
本發明提供了一種鐵鑽工衝扣鉗輥子結構化表面的製備裝置，包括電極運動系統38、輥子裝夾系統39、雷射加工系統36和電解液循環系統37，如圖1所示。
電極運動系統包括多孔噴射電極1、電極基座2、絕緣套3、電機6、滑移架8、直線導軌9、滾珠絲槓10、立柱11和法蘭31。多孔噴射電極1安裝在電極基座2上，電極基座2通過法蘭31與滑移架8連接固定，直線導軌9固定在立柱11上，電機6固定在立柱11上端，與滾珠絲槓10連接，滑移架8與滾珠絲槓10連接，絕緣套3套裝在多孔噴射電極1上。電機帶動滾珠絲杆旋轉帶動滑移架沿著導軌作上下垂直運動，實現多空噴射電極的上下移動。
圖2中，多孔噴射電極1內設有內外兩層流道，內外兩層流道之間有多個小孔相連通；多孔噴射電極1和絕緣套3周向一側都設有微小群孔，通過銷釘定位，使多孔噴射電極1的周向一側群孔和絕緣套3群孔位置相對應。電解液先進入內流道，然後進入外流道，再從周向一側群孔噴射出去形成穩定射流，此時接通電源，此時由多孔噴射電極小孔噴射出來的電解液帶負電被陰極化，然後射向工件的待加工部位，再噴射點上產生電化學陽極溶解。絕緣套3孔對孔緊貼多孔噴射電極1可以防止電解液濺射到工件表面其他位置。
輥子裝夾系統39包括夾具體24、分度盤28、分度盤底座30、活動頂針23，分度盤28安裝在分度盤底座30上，分度盤底座30裝在夾具體24左側，活動頂針23固定在夾具體24右側。夾具體固定於工作檯，分度盤28通過軸承29和分度盤底座30進行固定，分度盤28帶動輥子25的轉動，將銷子插到分度定位孔27和底座上的凹槽中可實現分度定位。工件輥子通過左側分度盤與右側的活動頂針固定在夾具中，並且跟隨分度盤作旋轉，實現轉動分度。
下面根據本發明裝置來說明本發明方法：
1)將工件固定夾緊在夾具體上，通過調整聚焦透鏡的位置，使雷射聚焦點聚焦於工件待加工表面上，雷射束初始位置在工件外圓表面-x方向最右端；光班沿待加工點掃描，對工件表面進行定點微坑加工，雷射每刻蝕完一處微坑，工作檯都會沿-x軸方向移動到下一處待加工處等待雷射刻蝕。使得聚焦雷射束對輥子外圓表面進行軸向掃描刻蝕，每加工完一列，轉動分度盤，重複以上操作，直至工件外圓表面全部被雷射刻蝕。
2)通過驅動電機帶動滾珠絲槓，帶動滑移架上的多孔噴射電極慢慢靠近工件表面至0.5mm～1mm處停止，電解噴射小孔對準工件表面上經雷射刻蝕過的凹坑，多孔噴射電極對一列凹坑表面電化學腐蝕後，轉動分度盤，重複以上操作直至光整加工完所有陣列微坑表面。
3)本方法中使用的雷射為脈衝雷射，雷射單脈衝能量50-100mj，脈寬為12-16ms，頻率為1-5hz；電解液為中性nano3溶液，濃度為20-30％，電解液壓力為0.5-1mpa；電源電壓為50-80v；輥子與多孔噴射電極的距離為0.5-1mm；分度盤的分度精度為±0.05度。
圖3是利用本發明裝置及方法製備的輥子結構化表面的試件，該試件直徑為20mm，長度為30mm，製備的結構化表面是陣列凹坑，單個凹坑直徑為0.8mm，軸向間距為1mm，周向分度間隔為10度。
圖4-圖5是利用本發明裝置及方法製備的輥子結構化表面的試件摩擦試驗結果圖。從圖中可以看，。在相同摩擦條件下，結構化表面的耐磨損性能高，磨損量少。