CN109538112B - 一种套装拼接式全金属螺杆定子加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种套装拼接式全金属螺杆定子及其加工方法，定子包括将一根长度为两个定子导程的半圆柱金属定子胚料经切削加工形成内螺旋后再切割成两段半圆柱拼接件，两个半圆柱拼接件的平面贴合后向配合间隙内压入焊锡进行焊接，形成一个圆柱形金属定子内芯；在定子内芯两端铣削旋向相同的公螺纹线后将定子内芯插入到一金属管件内；在金属管件的两端内壁对应定子内芯的位置铣削出母螺纹线，定子内芯通过与金属管件相互啮合的螺纹固定在金属管件内。本发明采用螺纹锁接固定、金属定子分体加工的方法，定子内螺旋面加工更方便和精确，可大大降低定子的加工难度，提高配合精度，进而提高全金属螺杆钻具的工作性能和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及定子加工领域，尤其涉及一种套装拼接式全金属螺杆定子及其加工方法。
背景技术
当前，螺杆钻具一般为橡胶定子和金属转子，两者之间采用过盈配合，但这种常规螺杆钻具仅可应用于180℃及以下的井下环境。当钻遇高温地层时，橡胶定子发生老化、变形，甚至碳化等问题，导致定子、转子之间的配合失效，使得以静压容积式原理工作的螺杆钻具无法正常工作。
全金属螺杆钻具采用金属定子和金属转子，两者之间为间隙配合，定子因其为内螺旋曲面结构，加工精度决定了螺杆钻具的工作性能和使用寿命。当前，国内外螺杆定子多采用圆棒了内拉刀成形、电解腐蚀加工、薄壁定子套外压成形等方法，但普遍存在加工控制难度大、精度低，难以表面强化等问题，使得研制的金属螺杆钻具工作性能低、寿命短。
发明内容
针对上述现有技术中的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种能极大降低全金属定子加工难度的套装拼接式定子以及该定子的加工方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种套装拼接式全金属螺杆定子，包括一根长度为两个马达定子导程的半圆柱金属定子胚料，在所述半圆柱金属定子胚料的平面加工有两个导程的内螺旋，所述半圆柱金属定子胚料从中间分割形成两个长度为一个导程的半圆柱金属马达定子拼接件；
两个半圆柱金属马达定子拼接件的平面贴合后向配合间隙内压入焊锡进行焊接，形成一个圆柱形金属马达定子内芯；
在圆柱形金属马达定子内芯两端铣削有公螺纹线，且两端的螺纹旋向相同；
将所述圆柱形金属马达定子内芯插入到一金属管件内，在金属管件的两端内壁对应圆柱形金属马达定子内芯的位置铣削出母螺纹线，所述圆柱形金属马达定子内芯通过与金属管件相互啮合的螺纹固定在金属管件内。
优选地，所述半圆柱金属定子胚料通过熔融态的金属液体在模具中冷却凝固形成，所述半圆柱金属定子胚料成型过程在强磁场中完成。
一种套装拼接式全金属螺杆定子加工方法，包括如下步骤：
S1，确定马达定子的初始参数；
S2，根据马达定子骨线方程生成马达定子骨线图；
S3，对马达定子骨线做等距曲线，将马达定子骨线向外作等距半径的等距曲线，得到马达定子的端面型线；
S4，依据马达定子初始参数值，计算马达定子的外廓圆半径和导程；
S5，由马达定子端面型线、外廓圆半径、导程和马达定子的初始参数生成马达定子三维模型；
S6，订做两个导程的半圆柱金属定子胚料；
S7，将两个导程的半圆柱金属定子胚料放置在夹具上固定；
S8，使用切削工具从半圆柱金属定子胚料首端至尾端连续切削完成马达定子内螺旋加工；
S9，使用切削工具将半圆柱金属定子胚料中部截开，形成两段一个导程的半圆柱金属马达定子拼接件，将两段半圆柱金属马达定子拼接件首尾相对扣合在一起，在其缝隙处压入熔点较高的焊锡，形成圆柱形金属马达定子内芯；
S10，在圆柱形金属马达定子内芯两端铣削出公螺纹线，将其拧入一个导程长度的两端含有内母螺纹的金属管件中，组合成一个导程长度的马达定子。
优选地，在步骤S1中，所述马达定子的初始参数包括马达定子的头数N、偏心距e、等距半径系数r0和螺距h。
优选地，在步骤S2中，所述马达定子骨线方程为：
其中：N为马达定子头数，R2＝e，R2为滚圆半径；
将所述马达定子骨线方程编程导入MATLAB软件生成马达定子骨线图。
优选地，在步骤S3中，对马达定子骨线做等距曲线，已知等距半径系数r0和滚圆半径R2，则等距半径为：
r＝r0×R2；
将马达定子骨线的等距半径向外作等距曲线，得马达定子的端面型线。
优选地，在步骤S4中，根据下列公式获得马达定子外廓圆半径：
L2＝(N+r0)×R2
马达定子的导程Ts可由下列公式获得：
Ts＝Nh。
优选地，在步骤S5中，通过马达定子端面型线、外廓圆半径和导程结合螺距在三维制图软件中生成马达定子三维图。
优选地，在步骤S6中，所述半圆柱金属定子胚料订做过程如下：将熔化的钢水倒入胚料的模具中，然后将所述模具放入强磁场中冷却，随着金属冷却变硬，形成外表面有磁性的半圆柱金属定子胚料。
优选地，在步骤S8和步骤9中，所述夹具上开有与两个导程的定子胚料轮廓相应的凹槽，在所述凹槽开口两侧的水平端面上均安装有挡边；所述凹槽对应两个导程的半圆柱金属定子胚料中间位置开有缺口，所述缺口垂直于凹槽的走向开设；当两个导程的半圆柱金属定子胚料放入凹槽后，通过螺栓将所述挡边固定，两条挡边相对的边沿通过螺栓悬设在凹槽的开口上方，将凹槽内的两个导程的半圆柱金属定子胚料卡在凹槽内，切削刀具从两个挡边之间对两个导程的半圆柱金属定子胚料的内螺旋加工；内螺旋加工完毕后，通过切削刀具沿凹槽上的缺口将两个导程的半圆柱金属定子胚料分割成两个等长的半圆柱金属定子胚料。
与现有技术相比，本发明实施例至少具有以下优点：
本发明采用磁力拼接、螺纹锁接固定、金属定子分体加工的方法，定子内螺旋面加工更方便和精确，磁性拼接更合理，可大大降低定子的加工难度，提高配合精度，进而提高全金属螺杆钻具的工作性能和使用寿命。具体的：
(1)采用半圆柱金属定子胚料加工，使用自主设计的夹具夹持定子胚料，一刀切削加工定子内螺旋面，着重解决了马达定子加工难度大问题，也提高了加工的精度。
(2)在定子胚料成型过程中对其进行磁化，将磁化后再切割形成的两段马达定子的异性磁极对应扣合，在配合间隙内压入熔点高的焊锡，可以较好的解决马达定子密封问题，同时，转子在旋转的时候，马达定子周围磁力吸合，起到很好的围护作用。
(3)通过在马达定子两端铣削公螺纹,拧入两端配套母螺纹的钢套筒中，该设计解决了马达定子固定问题，同时消除了转子在运转过程中给马达定子带来的横纵向力问题，螺纹配合使得马达定子使用中更为牢固，也使得钻具在使用中更为稳定。
附图说明
图1为本发明套装拼接式全金属螺杆定子的结构示意图；
图2为本发明套装拼接式全金属螺杆定子的圆柱形金属马达定子内芯的结构示意图；
图3为本发明套装拼接式全金属螺杆定子的半圆柱金属马达定子拼接件的结构示意图；
图4为本发明套装拼接式全金属螺杆定子的金属管件的结构示意图；
图5为本发明套装拼接式全金属螺杆定子的半圆柱金属定子胚料进行内螺纹加工时固定在夹具上的结构示意图；
图6为图5中夹具的结构示意图；
图7为图6中A处的局部放大图；
图8为本发明套装拼接式全金属螺杆定子的端面结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种套装拼接式全金属螺杆定子加工方法，包括如下步骤：
S1，确定马达定子的初始参数；
S2，根据马达定子骨线方程生成马达定子骨线图；
S3，对骨线做等距曲线，将马达定子骨线向外作等距半径的等距曲线，得到马达定子的端面型线；
S4，依据马达定子马达定子初始参数值，计算马达定子的外廓圆半径和导程；
S5，由马达定子端面型线、外廓圆半径、导程和马达定子的初始参数生成马达定子三维模型；
S6，订做两个导程的半圆柱金属定子胚料7；
S7，将两个导程的半圆柱金属定子胚料7放置在夹具4上固定；
S8，使用切削工具从半圆柱金属定子胚料7首端至尾端连续切削完成马达定子内螺旋加工；
S9，使用切削工具将半圆柱金属定子胚料7中部截开，形成两段一个导程的半圆柱金属马达定子拼接件1，将两段半圆柱金属马达定子拼接件1首尾相对扣合在一起，在其缝隙处压入熔点较高的焊锡，形成圆柱形金属马达定子内芯2；
S10，在圆柱形金属马达定子内芯2两端铣削出公螺纹线，将其拧入一个导程长度且两端含有内母螺纹的金属管件3中，组合成一个导程长度的马达定子。
在步骤S1中，所述马达定子的初始参数包括马达定子的头数N、偏心距e、等距半径系数r0和螺距h。在本实施例中，N＝4，e＝6mm，r0＝1.5，h＝114mm。
在步骤S2中，所述马达定子骨线方程为：
其中：N为马达定子头数，R2＝e，R2为滚圆半径；
将所述马达定子骨线方程编程导入MATLAB软件生成马达定子骨线图。
在步骤S3中，对马达定子骨线做等距曲线，已知等距半径系数r0和滚圆半径R2，则等距半径为：
r＝r0×R2；
将马达定子骨线的等距半径向外作等距曲线，得马达定子的端面型线。
在步骤S4中，根据下列公式获得马达定子外廓圆半径：
L2＝(N+r0)×R2
马达定子的导程Ts可由下列公式获得：
Ts＝Nh。
通过上述两个公式可得，L2＝33mm，Ts＝456mm。
在步骤S5中，通过马达定子端面型线、外廓圆半径和导程结合螺距在三维制图软件中生成马达定子三维图。
在步骤S6中，所述半圆柱金属定子胚料7订做过程如下：将熔化的钢水倒入胚料的模具中，然后将所述模具放入强磁场中冷却，随着金属冷却变硬，形成外表面有磁性的半圆柱金属定子胚料7。在本实施例中，强磁场的磁场强度不小于0.3T。
在步骤S8和步骤9中，所述夹具4上开有与两个导程的半圆柱金属定子胚料7轮廓相应的凹槽，在所述凹槽开口两侧的水平端面上均安装有挡边5；所述凹槽对应两个导程的半圆柱金属定子胚料7中间位置开有缺口6，所述缺口6垂直于凹槽的走向开设；当两个导程的半圆柱金属定子胚料7放入凹槽后，通过螺栓将所述挡边5固定，两条挡边5相对的边沿通过螺栓悬设在凹槽的开口上方，将凹槽内的两个导程的半圆柱金属定子胚料7卡在凹槽内，切削刀具从两个挡边5之间对两个导程的半圆柱金属定子胚料7的内螺旋加工；内螺旋加工完毕后，通过切削刀具沿凹槽上的缺口6将两个导程的半圆柱金属定子胚料7分割成两个等长的半圆柱金属定子胚料7。
一种套装拼接式全金属螺杆马达定子，包括一根长度为两个马达定子导程的半圆柱金属定子胚料7，在所述半圆柱金属定子胚料7的平面加工有两个导程的内螺旋，所述半圆柱金属定子胚料7从中间分割形成两个长度为一个导程的半圆柱金属马达定子拼接件1；
两个半圆柱金属马达定子拼接件1的平面贴合后向配合间隙内压入焊锡进行焊接，形成一个圆柱形金属马达定子内芯2；
在圆柱形金属马达定子内芯2两端铣削有公螺纹线，且两端的螺纹旋向相同；
将所述圆柱形金属马达定子内芯2插入到一金属管件3内，在金属管件3的两端内壁对应圆柱形金属马达定子内芯2的位置铣削出母螺纹线，所述圆柱形金属马达定子内芯2通过与金属管件3相互啮合的螺纹固定在金属管件3内。
所述半圆柱金属定子胚料7通过熔融态的金属液体在模具中冷却凝固形成，所述半圆柱金属定子胚料7成型过程在强磁场(磁场强度不小于0.3T)中完成。首先，磁化后再切割形成的两端半圆柱金属马达定子拼接件1成为两个独立的磁体，根据同性相斥、异性相吸的原理，将两个磁体的异性磁极相对，将两个半圆柱金属定子胚料7的平面扣合在一起，能够增加两个半圆柱金属定子胚料7之间的结合强度。其次，磁化后的马达定子能够提高转子旋转的效率材料磁化优选在熔融态的金属在冷却凝固的过程中完成，可以使最终成型的马达定子永久磁化，磁化后的马达定子能够提高转子的旋转效率。而对已经成型的定子胚料进行磁化只能使其暂时磁化，一段时间后马达定子本身失去磁体的特性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种套装拼接式全金属螺杆定子加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，确定马达定子的初始参数；
S2，根据马达定子骨线方程生成马达定子骨线图；
S3，对马达定子骨线做等距曲线，将马达定子骨线向外作等距半径的等距曲线，得到马达定子的端面型线；
S4，依据马达定子初始参数值，计算马达定子的外廓圆半径和导程；
S5，由马达定子端面型线、外廓圆半径、导程和马达定子的初始参数生成马达定子三维模型；
S6，订做两个导程的半圆柱金属定子胚料；
S7，将两个导程的半圆柱金属定子胚料放置在夹具上固定；
S8，使用切削工具从半圆柱金属定子胚料首端至尾端连续切削完成马达定子内螺旋加工；
S9，使用切削工具将半圆柱金属定子胚料中部截开，形成两段一个导程的半圆柱金属马达定子拼接件，将两段半圆柱金属马达定子拼接件首尾相对扣合在一起，在其缝隙处压入熔点较高的焊锡，形成圆柱形金属马达定子内芯；
S10，在圆柱形金属马达定子内芯两端铣削出公螺纹线，将其拧入一个导程长度的两端含有内母螺纹的金属管件中，组合成一个导程长度的马达定子；
在步骤S1中，所述马达定子的初始参数包括马达定子的头数N、偏心距e、等距半径系数r0和螺距h。
2.根据权利要求1所述的套装拼接式全金属螺杆定子加工方法，其特征在于，在步骤S2中，所述马达定子骨线方程为：
其中：N为马达定子头数，R2＝e，R2为滚圆半径；
将所述马达定子骨线方程编程导入MATLAB软件生成马达定子骨线图。
3.根据权利要求2所述的套装拼接式全金属螺杆定子加工方法，其特征在于，在步骤S3中，对马达定子骨线做等距曲线，已知等距半径系数r0和滚圆半径R2，则等距半径为：
r＝r0×R2；
将马达定子骨线的等距半径向外作等距曲线，得马达定子的端面型线。
4.根据权利要求3所述的套装拼接式全金属螺杆定子加工方法，其特征在于，在步骤S4中，根据下列公式获得马达定子外廓圆半径：
L2＝(N+r0)×R2
马达定子的导程Ts可由下列公式获得：
Ts＝Nh。
5.根据权利要求4所述的套装拼接式全金属螺杆定子加工方法，其特征在于，在步骤S5中，通过马达定子端面型线、外廓圆半径和导程结合螺距在三维制图软件中生成马达定子三维图。
6.根据权利要求1所述的套装拼接式全金属螺杆定子加工方法，其特征在于，在步骤S6中，所述半圆柱金属定子胚料订做过程如下：将熔化的钢水倒入胚料的模具中，然后将所述模具放入强磁场中冷却，随着金属冷却变硬，形成外表面有磁性的半圆柱金属定子胚料。
7.根据权利要求1所述的套装拼接式全金属螺杆定子加工方法，其特征在于，在步骤S8和步骤9中，所述夹具上开有与两个导程的半圆柱金属定子胚料轮廓相应的凹槽，在所述凹槽开口两侧的水平端面上均安装有挡边；所述凹槽对应两个导程的半圆柱金属定子胚料中间位置开有缺口，所述缺口垂直于凹槽的走向开设；当两个导程的半圆柱金属定子胚料放入凹槽后，通过螺栓将所述挡边固定，两条挡边相对的边沿通过螺栓悬设在凹槽的开口上方，将凹槽内的两个导程的半圆柱金属定子胚料卡在凹槽内，切削刀具从两个挡边之间对两个导程的半圆柱金属定子胚料的内螺旋加工；内螺旋加工完毕后，通过切削刀具沿凹槽上的缺口将两个导程的半圆柱金属定子胚料分割成两个等长的半圆柱金属定子胚料。
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