一种厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备

1.本发明属于钻井领域中的油气田钻井技术领域，涉及螺杆钻具，具体涉及一种厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备。


背景技术：

2.目前，钻井领域常规螺杆泵定子外金属壁较薄，采用电化学加工，其刚度未能满足特定情况下的所需的扭矩，产率较低，并且经常发生螺杆定子的断裂。另外，常规螺杆定子内壁需要填充硫化橡胶，而其中硫化橡胶需要满足外光滑内螺旋的形状，导致硫化橡胶壁厚不均匀。
3.为满足现有厚壁螺杆泵定子的使用需求，实现厚壁螺杆泵定子的加工，需要设计一种专用的加工设备。


技术实现要素：

4.本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种加工精度高、加工效率高的厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备。
5.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
6.一种厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备，包括床身、箱座、液压马达、卡盘机构、尾端辅助支撑机构、拧制终点定位机构、加热装置、冷却装置、轴向运动驱动机构、切片式内模、内模连接结构；
7.所述箱座沿前后方向滑动安装在床身上的前部位置；箱座的上部位设置有支撑立座部；在支撑立座部上设置有安装孔，在安装孔内安装有轴承，通过轴承与卡盘机构的尾部形成转动连接；在箱座上位于支撑立座部的前侧固定安装有所述液压马达，所述液压马达与卡盘机构的尾部驱动连接，卡盘机构的首端，用于卡固待加工管状管坯的首端；
8.所述尾端辅助支撑机构，用于支撑管坯的尾端，其沿前后方向滑动安装在床身上的后部位置，包括尾座及安装在尾座上端的托管辊构成；
9.所述轴向运动驱动机构与箱座和尾座均形成驱动连接；
10.所述拧制终点定位机构固定安装于床身上的中部位置，所述拧紧定位机构包括中座，在中座的上部设置有穿管孔，在穿管孔内沿圆周方向均布安装有多个径向顶柱，径向顶柱的数量与待加工管坯的外轮廓面上的凹部的数量相同；
11.所述加热装置和冷却装置分别固定于拧制终点定位机构的两侧外，加热装置设置于靠近尾端辅助支撑机构的一侧，冷却装置靠近卡盘机构的一侧；在加热装置和冷却装置的上部均设置有穿管孔；
12.所述切片式内模通过内模连接结构串连固定于待加工管坯的内部，切片式内模的外轮廓形状与管坯的内孔形状一致。
13.而且，所述卡盘机构包括卡盘体、多个活动卡爪、卡爪驱动机构；所述卡盘体为组合件，由第一卡盘体和第二卡盘体同轴固定连接构成；第一卡盘体与液压马达直接驱动连
接；所述第二卡盘体在正面设置有环形凹槽、在背面设置有圆形凹槽，并在边部沿圆周方向设置有多个径向开槽；且盘体正面的环形凹槽的内部为中心定位台，中心定位台的外轮廓形状与待加工的管坯的外孔形状一致；在每个径向卡槽处设置一活动卡爪，所述活动卡爪由内外设置的卡爪本体部及导向柄部构成，所述卡爪本体部的内轮廓面的形状与管坯的外轮廓面的形状匹配，所述导向柄部以间隙配合的方式嵌入到对应位置的径向开槽内；卡爪驱动机构包括小锥齿轮、大锥齿轮构成；小锥齿轮沿径向设置，与沿轴向设置的大锥齿轮啮合，在大锥齿轮的正设置有螺旋槽，该螺旋槽与活动卡爪背面的齿啮合。
14.而且，所述轴向采用丝杠螺母机构，包括伺服电机、驱动丝杠和导向光杠；驱动丝杠与导向光杠平行安装在床身的一侧；驱动丝杠的一端与伺服电机连接；在箱座的侧部和尾座的侧部均设置有供导向光杠穿过的导向孔及与驱动丝杠配合的螺纹孔。
15.而且，所述内模连接结构包括中心光轴、两端部锁紧螺母、轴套、端部挡盘；中心光轴穿装于全部切片式内模的中心孔中，中心光轴的首端和尾端均设置有外螺纹孔，在中心光轴的首端位于该端最外部的切片式内模的外侧套装有所述轴套，在轴套的外侧安装有一端部锁紧螺母；在中心光轴靠近尾端的位置有对切片式内模进行轴向定位的轴肩；在轴肩的外侧安装有所述端部挡盘，所述端部挡盘压装于管坯的尾端端面上，在中心光轴的尾端连接有压紧端部挡盘的另一端部锁紧螺母。
16.而且，所述加热装置包括加热支座，加热支座的下部与床身固定连接，在加热支架的上部设置有穿管孔，在穿管孔内安装有环形布置的电加热丝，电加热丝的内孔大于管坯的最大外径。
17.而且，所述冷却装置包括冷却支架，冷却支架的下部与床身固定连接，在冷却支架的上部设置有穿管孔；在冷却支架上对应于穿管孔的位置设置有多个朝向中心的喷水头，外接水管。
18.本发明具有的优点和积极效果：
19.1、本发明通过液压马达提供转矩带动管坯转动，同时伺服电机带动其轴向移动，通过转动和轴向移动的复合运动，实现对管坯自首端至尾端方向的连续拧制加工，在拧制加工的过程中，通过第二卡盘上的中心定位台及切片式内模的作用，保证定子内壁螺旋导程精度，保证了定子的成型质量，保证了产品的加工精度。相比于现有的加工方式，加工效率高。
20.2、本发明适用于厚壁螺旋管的加工，加工出的螺旋部分与管体为一体结构，壁厚相同，可保证后序填充硫化橡胶的壁厚的均匀性。
附图说明
21.图1是本发明的正视图(上部分采用剖视图状态)；
22.图2是本发明的立体图；
23.图3是本发明卡盘机构的立体图；
24.图4是本发明卡盘机构的纵向剖视图；
25.图5是图3的a向示意图；
26.图6是本发明第二卡盘体的立体图1；
27.图7是本发明第二卡盘体的立体图2；
28.图8是本发明拧制终点定位机构的侧视图；
29.图9是图8的b-b剖视图；
30.图10是本发明适用的管坯的结构示意图；
31.图11是定子成品的示意图。
32.具体施方式
33.以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
34.一种厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备，请参见图1-图11，其发明点为：包括床身1、箱座12、液压马达2、卡盘机构4、尾端辅助支撑机构11、拧制终点定位机构7、加热装置8、冷却装置6、轴向运动驱动机构13、切片式内模9、内模连接结构10。
35.所述床身为本设备的安装基础。所述箱座沿前后方向滑动安装在床身上的前部位置，箱座的下端通过左右两条v型槽与床身上端的两条v型导轨形成导向定位配合，保证了箱座在移动过程中的位置精度。箱座的上部位设置有支撑立座部。在支撑立座部上设置有安装孔，在安装孔内安装有轴承3，通过轴承与卡盘机构的尾部形成转动连接。在箱座上位于支撑立座部的前侧固定安装有所述液压马达。所述液压马达与卡盘机构的尾部驱动连接。卡盘机构的首端用于卡固待加工管状管坯5的首端。
36.所述卡盘机构包括卡盘体、多个活动卡爪4.3、卡爪驱动机构。本发明中，所述卡盘体由组合件，包括第一卡盘体4.1和第二卡盘体4.2，第一卡盘体用于与液压马达直接驱动连接，其形状采用法兰套式结构，其套体部分与上述轴承的内圈配合，并与液压马达的输出端通过花键等其他结构驱动连接。所述第二卡盘体用于为多个活动卡爪提供径向移动的导向空间，另外，还要实现对待加工多凹棱等壁厚预成型管坯(截面呈花瓣形)的首端内孔进行定位。第二卡盘体的形状为：在盘体正面设置有环形凹槽4.2.2、在盘体背面设置有圆形凹槽4.2.4，并在盘体的边部沿圆周方向设置有多个径向开槽4.2.3的盘体结构。盘体正面的环形凹槽的内部为中心定位台4.2.1，中心定位台的外轮廓形状与待加工的管坯的外孔形状一致，在管坯的首端插入到卡盘机构后，通过中心定位台对管坯首端进行定位，保证了管坯通过拧制顺利成型，而达到预定的螺旋形状。第二卡盘背面的圆形凹槽用于容纳上述的卡爪驱动机构的关键结构件。所述多个径向开槽用于分别安装多个活动卡爪。
37.在上述第一卡盘上设置有沿圆周方向均布的多个螺钉安装孔，在第二卡盘对应设置有多个沿圆周方向均布的螺纹孔，通过在螺钉安装孔和对应的螺纹孔内安装螺钉，实现第一卡盘体和第二卡盘体的同轴固定连接。
38.所述卡爪驱动机构参考现有的三爪卡盘的驱动机构，主要由小锥齿轮4.5、大锥齿轮4.4构成，小锥齿轮沿径向设置，与沿轴向设置的大锥齿轮啮合，在大锥齿轮的正设置有螺旋槽，该螺旋槽与活动卡爪背面的齿啮合。本发明中，所述大锥齿轮置于第二卡盘背面的圆形凹槽内。而在第一卡盘与第二卡盘的结合面上沿圆周方向设置四处一一相对的半圆孔，两侧半圆孔一一配合，构成四处供小锥齿轮插入的安装孔，在每处安装孔内插入一小齿轮，从而方便在各处位置对卡爪驱动机构进行操作。
39.在本发明中，所述活动卡爪为四个，在上述第二卡盘上对应设置有四个径向开槽，在每个径向卡槽处设置一活动卡爪。所述活动卡爪由内外设置的卡爪本体部及导向柄部构成，所述卡爪本体部的内轮廓面的形状与管坯的外轮廓面的形状匹配。所述导向柄部以间
隙配合的方式嵌入到对应位置的径向开槽内。
40.所述尾端辅助支撑机构，用于支撑管坯的尾端。主要包括尾座11.2和安装在尾座上端的托管辊11.1。所述尾座的下端通过左右两条v型槽与床身上端的两条v型导轨形成导向定位配合，保证了尾座在移动过程中的位置精度。
41.所述拧制终点定位机构，固定安装在床身上的中部位置，包括中座7.1，所述中座的下部与床身固定连接。在中座的上部设置有穿管孔。穿管孔的中心与上述卡盘机构的中心呈同轴设置。所述穿管孔优选由位于两侧的大直径孔和连接两侧大直径孔的中部小直径孔构成。小直径孔的孔径大于管坯的外径，而靠近卡盘机构的一侧的大直径孔的孔径大于成品定子的最大外径。在中座的中部小直径孔内沿圆周方向均布安装有多个径向顶柱7.2，定向顶柱的端头为半球形。径向顶柱的数量与待加工管坯的外轮廓面上的凹部的数量相同。径向顶柱的作用是：在对管坯的首端施加旋转力时，通过将多个径向顶柱插入到管坯上的凹部，实现对管坯的拧制终点的定位。即卡盘机构旋转带动管坯位于拧制终点定位机构位于左侧的部分旋转。
42.上述径向顶柱的外端设置外螺纹，在中部小直径孔的孔壁上设置螺纹孔，通过螺纹连接，实现将径向顶柱固定在中座内孔中。上述径向顶柱的伸出长度，以实现能对管坯在该位置进行沿圆周方向的限位，但沿管坯轴向方向，需要保证管坯可自由移动。
43.所述加热装置和冷却装置分别设置于拧制终点定位机构的两侧外，加热装置设置于靠近尾端辅助支撑机构的一侧，冷却装置靠近卡盘机构的一侧。加热装置的作用是：对即将进入拧制成型的管坯进行加热软化。加热装置包括加热支座8.1，加热支座的下部与床身固定连接，在加热支架的上部设置有穿管孔，在穿管孔内安装有环形布置的电加热丝8.2，电加热丝的内孔大于管坯的最大外径，便于管坯通过。冷却装置包括冷却支架，冷却支架的下部与床身固定连接，在冷却支架的上部设置有穿管孔，穿杆孔的孔径大于管坯的最大外径，便于管坯通过。在冷却支架上对应于穿管孔的位置设置有多个朝向中心的喷水头，外接水管，实现与供水源的连接，通过向加工成型部分的定子喷水，实现对产品的冷却。
44.所述切片式内模，安装于待加工的管坯内孔中，对定子加工起到定型和支撑作用。切片式内模的成型方法是：先加工一根通常的内模芯，然后对内模芯进行等分切片，分割为多个切片式内模。优点为：使其在具有一定形状精度的同时能够通过减少与管坯内壁的接触面积来减少摩擦力，使其在定子成型之后能够较省力取出。
45.所述切片式内模的外轮廓形状与管坯的内孔形状一致，并设左右中心孔。
46.多个切片式内模通过内模连接结构安装于管坯的内部。内模连接结构包括中心光轴10.1、端部锁紧螺母10.3、轴套10.4、端部挡盘10.2。中心光轴穿装于所有的切片式内模的中心孔中，中心光轴的首端和尾端均设置有外螺纹孔，在中心光轴的首端位于该端最部的切片式内模的外侧套装有所述轴套，在轴套的外侧安装有一端部锁紧螺母，实现中心光轴的首端的锁紧固定。在中心光轴靠近尾端的设置有轴肩，用于实现对该端最外部的切片式内模的轴向限位。在轴肩的外侧安装有所述的端部挡盘，所述端部挡盘压装于管坯的尾端端面上，在中心光轴的尾端连接有压紧端部挡盘的另一端部锁紧螺母，实现对中心光轴的尾端的锁紧固定。
47.通过上述内模连接结构，使所有的切片式内模以沿轴向被限位，但沿圆周方向可随管变形的方式支撑于管坯的内部。
48.所述轴向运动驱动机构，用于驱动箱座和尾座同时同步沿床身的前后方向移动，实现将管坯的成型加工。所述轴向运动驱动机构采用丝杠螺母机构。具体的，包括伺服电机13.1、驱动丝杠13.3、导向光杠13.2。驱动丝杠与导向光杠平行安装在床身的一侧。驱动丝杠的一端与伺服电机连接。在箱座的侧部和尾座的侧部均设置有供导向光杠穿过的导向孔及与驱动丝杠配合的螺纹孔。
49.本厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备的工作过程为：
50.1、将中心光轴放入用于加工定子的管坯内腔中，从中心光轴的首端将多个切片式内模逐个穿入，切片式内模与管坯内壁现成支撑接触：
51.2、中心光轴首端通过轴套与一端部锁紧螺母固定切片式内模，中心光轴尾端用端部挡盘与另一端部锁紧螺母限制切片式内模轴向移动；
52.3、将上述安装有切片式内模的管坯(待成型定子)穿过加热装置、拧制终点定位机构、冷却装置，并通过卡盘机构定位卡紧管坯的首端，使管坯的末端支撑于尾端辅助支撑机构上；
53.4、液压马达提供转矩带动管坯转动，同时伺服电机带动待成型定子轴向移动，通过转动和轴向移动的复合运动，实现对管坯自首端至尾端方向的拧制加工，在拧制加工的过程中，通过第二卡盘上的中心定位台及切片式内模的作用，保证了定子的成型质量；
54.5、在尾端辅助支撑机构移动至靠近加热装置的位置上，加工完成，关闭加热装置，反转液压马达与伺服电机，回退初始放置定子位置；
55.6、取下另一端部锁紧螺母和端部挡盘后，反转中心光轴抽出切片式内模；
56.7、最后，松开活动卡爪，取下成型的定子。
57.尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

技术特征：
1.一种厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备，其特征在于：包括床身、箱座、液压马达、卡盘机构、尾端辅助支撑机构、拧制终点定位机构、加热装置、冷却装置、轴向运动驱动机构、切片式内模、内模连接结构；所述箱座沿前后方向滑动安装在床身上的前部位置；箱座上部位设置有支撑立座部；在支撑立座部上设置有安装孔，在安装孔内安装有轴承，通过轴承与卡盘机构的尾部形成转动连接；在箱座上位于支撑立座部的前侧固定安装有所述液压马达，所述液压马达与卡盘机构的尾部驱动连接，卡盘机构的首端，用于卡固待加工管坯的首端；所述尾端辅助支撑机构，用于支撑管坯的尾端，其沿前后方向滑动安装在床身上的后部位置，包括尾座及安装在尾座上端的托管辊构成；所述轴向运动驱动机构与箱座和尾座均形成驱动连接；所述拧制终点定位机构固定安装于床身上的中部位置，所述拧紧定位机构包括中座，在中座的上部设置有穿管孔，在穿管孔内沿圆周方向均布安装有多个径向顶柱，径向顶柱的数量与待加工管坯的外轮廓面上的凹部的数量相同；所述加热装置和冷却装置分别固定于拧制终点定位机构的两侧外，加热装置设置于靠近尾端辅助支撑机构的一侧，冷却装置靠近卡盘机构的一侧；在加热装置和冷却装置的上部均设置有穿管孔；所述切片式内模通过内模连接结构串连固定于待加工管坯的内部，切片式内模的外轮廓形状与管坯的内孔形状一致。2.根据权利要求1所述的厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备，其特征在于：所述卡盘机构包括卡盘体、多个活动卡爪、卡爪驱动机构；所述卡盘体为组合件，由第一卡盘体和第二卡盘体同轴固定连接构成；第一卡盘体与液压马达直接驱动连接；所述第二卡盘体在正面设置有环形凹槽、在背面设置有圆形凹槽，并在边部沿圆周方向设置有多个径向开槽；且盘体正面的环形凹槽的内部为中心定位台，中心定位台的外轮廓形状与待加工的坯管的内孔形状一致；在每个径向卡槽处设置一活动卡爪，所述活动卡爪由内外设置的卡爪本体部及导向柄部构成，所述卡爪本体部的内轮廓面的形状与管坯的外轮廓面的形状匹配，所述导向柄部以间隙配合的方式嵌入到对应位置的径向开槽内；卡爪驱动机构包括小锥齿轮、大锥齿轮构成；小锥齿轮沿径向设置，与沿轴向设置的大锥齿轮啮合，在大锥齿轮的正设置有螺旋槽，该螺旋槽与活动卡爪背面的齿啮合。3.根据权利要求1所述的厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备，其特征在于，所述轴向运动驱动机构采用丝杠螺母机构；包括伺服电机、驱动丝杠和导向光杠；驱动丝杠与导向光杠平行安装在床身的一侧；驱动丝杠的一端与伺服电机连接；在箱座的侧部和尾座的侧部均设置有供导向光杠穿过的导向孔及与驱动丝杠配合的螺纹孔。4.根据权利要求1所述的厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备，其特征在于：所述内模连接结构包括中心光轴、两端部锁紧螺母、轴套、端部挡盘；中心光轴穿装于全部切片式内模的中心孔中，中心光轴的首端和尾端均设置有外螺纹孔，在中心光轴的首端位于该端最外部的切片式内模的外侧套装有所述轴套，在轴套的外侧安装有一端部锁紧螺母；在中心光轴靠近尾端的位置有对切片式内模进行轴向定位的轴肩；在轴肩的外侧安装有所述端部挡盘，所述端部挡盘压装于管坯的尾端端面上，在中心光轴的尾端连接有压紧端部挡盘的另一端部锁紧螺母。
5.根据权利要求1所述的厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备，其特征在于：所述加热装置包括加热支座，加热支座的下部与床身固定连接，在加热支架的上部设置有穿管孔，在穿管孔内安装有环形布置的电加热丝，电加热丝的内孔大于管坯的最大外径。6.根据权利要求1所述的厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备，其特征在于：所述冷却装置包括冷却支架，冷却支架的下部与床身固定连接，在冷却支架的上部设置有穿管孔；在冷却支架上对应于穿管孔的位置设置有多个朝向中心的喷水头，外接水管。

技术总结
本发明属于钻井领域中的油气田钻井技术领域，解决螺杆泵定子的高效高精度成型问题。本发明涉及一种厚壁螺旋管型螺杆泵定子的拧制成型设备，包括床身、箱座、液压马达、卡盘机构、尾端辅助支撑机构、拧制终点定位机构、加热装置、冷却装置、轴向运动驱动机构、切片式内模、内模连接结构；箱座上部的支撑立座部通过轴承与卡盘机构尾部转动连接；液压马达与卡盘机构尾部驱动连接，卡盘机构首端用于卡固待加工管坯首端；尾端辅助支撑机构用于支撑管坯尾端；轴向运动驱动机构与箱座和尾座均驱动连接；加热装置和冷却装置分别固定于拧制终点定位机构的两侧外；切片式内模通过内模连接结构串连固定于待加工管坯的内部。本发明提高了加工效率和加工质量。工效率和加工质量。工效率和加工质量。


技术研发人员：李鑫荣 姜延飞 陈学广 宋开红 江屏
受保护的技术使用者：河北工业大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/9/5