用于钻具扶正体的冲压成型设备及冲压成型方法

1.本发明涉及冲压成型领域，具体涉及用于钻具扶正体的冲压成型设备及冲压成型方法。


背景技术：

2.钻具扶正体是石油天然气钻井过程中bha（井下钻具组合）的重要组成部分，其不仅可用于保证钻具居中度，还在定向钻井作业中为井眼轨迹的导向发挥重要作用。常见的，如钻杆扶正器、螺杆马达扶正套等均属于钻具扶正器的范畴。
3.根据其上扶正翼和导流槽布置方式的不同，钻具扶正体可以分为直翼型和螺旋翼型。并且在针对硬质地层所使用的扶正体上，还需要在扶正翼外壁嵌设耐磨块以起到保径效果，常见的耐磨块如人造金刚石复合片等。对于螺旋翼型而言，其上的扶正翼和导流槽均沿轴向呈螺旋线分布，在生产制造上具有更大的难度。现有技术中，螺旋翼型钻具扶正器的制造方法主要有浇注成型方式和切削方式，其中切削方式对基体原料的浪费较大，因此浇注成型是更为经济的生产加工方式，不过无论是哪种方式均需要在扶正翼外壁开设大量用于放置耐磨块的安装小孔。
4.但是在螺旋翼型扶正体的浇注成型生产过程中，由于螺旋型扶正翼和导流槽的存在，本就具有较大的脱模难度，若再依靠模具实现前述安装小孔的成型，必然导致脱模更加困难，因此目前对于前述安装小孔的开设普遍采用后期磨削开槽的二次加工方式完成，导致耗时较长、效率低下。


技术实现要素：

5.本发明提供用于钻具扶正体的冲压成型设备及冲压成型方法，以解决现有技术中螺旋翼型扶正体的扶正翼上安装小孔开槽效率低、难度大的问题，实现提高螺旋翼型扶正体生产加工效率的目的。
6.本发明通过下述技术方案实现：用于钻具扶正体的冲压成型设备，包括冲压头、用于驱动冲压头沿轨道上下移动的动力装置，还包括位于所述冲压头下方的工作台、能够在所述工作台上升降的横向导柱、能够在所述横向导柱上升降的弧形支撑板；所述横向导柱包括悬空端，所述弧形支撑板凹面向下，横向导柱的轴线与弧形支撑板的轴线共线；所述冲压头底面设置若干圆形冲压块。
7.针对现有技术中螺旋翼型扶正体的扶正翼上安装小孔开槽效率低、难度大的问题，本案发明人在研究过程中认为，这种现象的主要原因之一在于本领域内磨削开槽的技术惯性所导致。对于扶正翼上的耐磨块而言，最常用的金刚石复合片厚度为毫米级，因此本技术采用冲压成孔方式对其进行改进，提出一种用于钻具扶正体的冲压成型设备。本设备的冲压头在底面设置若干圆形冲压块作为实际的冲压部件，与冲压头配套的轨道和动力装置等采用现有冲压技术即可，在此不做限定。横向导柱和弧形支撑板均用于插入被加工的扶正体内部，两者均高度可调，从而满足对不同尺寸扶正体的加工需求。其中，横向导柱包
括悬空端，用于使被加工的扶正体从该悬空端套入横向导柱与弧形支撑板共同的外部；而弧形支撑板凹面向下，使得其凸起的弧面能够与被加工扶正体的内壁配合。对于钻具扶正体而言，其内壁需要尽量平整以避免对钻井液管内通道的干扰或增大其自身的安装难度，本案发明人发现采用传统的冲压设备在扶正体的扶正翼上冲孔时，难以保证内壁平整。为此，本设备明确限定横向导柱的轴线与弧形支撑板的轴线共线，即是在横截面上来看，横向导柱与弧形支撑板两者同心，又由于弧形支撑板是相对于横向导柱上下升降，因此无论弧形支撑板如何升降，均能够保证两者同心或共轴，因此本设备在使用时，只需使得横向导柱与被加工扶正体的共轴分布，即可保证弧形支撑板能够与扶正体内壁顶部形成很好的贴合关系，从而在冲压时通过弧形支撑板对扶正体被冲压位置的内壁提供顶撑和限位，以此显著降低因冲压导致扶正体内壁平整度降低的风险。
8.此外，本设备一次工作可若干圆形冲压块同时工作，相较于现有技术采用后期磨削开槽的二次加工方式而言，在螺旋翼型扶正体的扶正翼开槽效率上具有明显提升。当然，本设备在具体工作时，除了工作台、横向导柱和弧形支撑板的支撑定位外，还可采用现有任意固定方式从外部对被加工的扶正体进行临时固定或夹持，这对于本领域技术任意而言是完全能够实现的。
9.进一步的，所述工作台的上表面设置凹面向上的弧形面板，弧形面板上安装第一升降装置，所述第一升降装置的顶端连接所述横向导柱，且第一升降装置连接在横向导柱远离悬空端所在方向的一端；还包括连接在横向导柱与弧形支撑板之间的若干第二升降装置。
10.弧形面板起承载功能，其凹面向上有利于与被加工的扶正体形状相匹配，从而使得扶正体放置在工作台上时更为稳定。此外，横向导柱的升降由第一升降装置驱动实现，第一升降装置连接在横向导柱远离悬空端所在方向的一端，以避免对被加工扶正体的套入过程造成干扰。弧形支撑板的升降由若干联动的第二升降装置驱动实现，由于弧形支撑板和横向导柱之间不会有物体穿过，因此第二升降装置的数量可根据需要设置多个。当第一升降装置启动时，横向导柱和弧形支撑板共同相对于工作台升降，当第二升降装置启动时，弧形支撑板相对于横向导柱升降。
11.进一步的，所述冲压头包括呈上下分布的驱动板、压板，所述压板底面嵌设若干圆形冲压块，所述驱动板用于驱动指定的圆形冲压块向下伸出。即使是对于螺旋翼型的扶正体而言，其扶正翼上耐磨块的布置方式也可能有多种，如阵列均布、或沿螺旋走向布置等。为了提高本技术的适用范围，本方案的冲压头包括位于最底部的压板、位于压板之上的驱动板，若干的圆形冲压块嵌设在压板底面，平时可收纳至压板内部，由驱动板对其逐一进行驱动，当需要何种形状的安装孔布置方式时，则由驱动板驱动指定布置方式的圆形冲压块向下伸出，以此显著提高本技术的通用性，以满足对不同耐磨块布置方式的扶正体的使用。
12.进一步的，所述压板上开设若干呈阵列分布的通孔，所述圆形冲压块滑动配合在所述通孔内。
13.所述通孔包括呈上下分布且相互连通的导向孔、容纳孔，所述容纳孔孔径大于导向孔孔径；所述圆形冲压块包括与所述导向孔滑动配合的限位部、与所述容纳孔滑动配合的冲压部；所述冲压部与容纳孔顶面孔壁之间连接第一弹性件。
14.本方案中，导向孔与容纳孔同轴连通，两者共同构成开设在压板上的通孔，其中容
纳孔孔径大于导向孔孔径，不仅可通过导向孔与限位部的配合以保证圆形冲压块只能够上下移动，还能够避免圆形冲压块进入导向孔内、对圆形冲压块起到顶部限位作用。圆形冲压块通过冲压部完成对扶正翼的冲压，冲压部与容纳孔顶面孔壁之间连接第一弹性件，其中容纳孔顶面孔壁即是容纳孔的孔底，由于容纳孔是底部开口，因此其孔底即是顶面孔壁。第一弹性件用于始终向冲压部提供向上运动的拉力，使得在无外力作用时，冲压部能够自动收纳至容纳孔内，当启动驱动板驱动对应的圆形冲压块时，对应的冲压部才能够从收纳孔内向外伸出。
15.进一步的，所述驱动板底面开设若干与所述圆形冲压块一一对应的盲孔，每个盲孔内均滑动配合一顶推件、还包括用于使所述顶推件收纳至盲孔内的第二弹性件、用于驱动所述顶推件向外运动的驱动机构。
16.由于盲孔与圆形冲压块一一对应，因此顶推件也与圆形冲压块一一对应，第二弹性件用于始终向顶推件提供向上运动的拉力。顶推件还由驱动机构控制，当驱动机构启动时，推动顶推件向外运动，即可推动与之对应的圆形冲压块伸出。此处的向外运动，是指向盲孔外侧运动，即是向下运动。当驱动机构复位时，顶推件随之复位、第二弹性件可起到辅助复位的作用。
17.进一步的，所述驱动机构包括安装在盲孔孔底的驱动器、连接在驱动器输出端的顶推块；所述顶推件顶面包括斜面部、平台部；所述顶推块位于斜面部上方，且顶推块底面与所述斜面部相匹配；所述第二弹性件连接在盲孔孔底与平台部之间。
18.本方案中，由于盲孔是底部开口，因此盲孔孔底即是盲孔内壁的顶面。本方案使得驱动器的输出端与顶推块直接连接，再由顶推块实现对顶推件的推动，可避免驱动器与顶推件之间连接的安装难题，降低本设备的生产难度。其次，顶推块与顶推件通过斜面配合，还能够增大顶推的接触面积，使得顶推件被更加稳定的快速推出，并且提高冲压过程中承受反作用力的能力。此外，第二弹性件连接在盲孔孔底与平台部之间，可避免与驱动器、顶推块等的干涉，同时在驱动机构复位后能够有效保证顶推件的复位。
19.进一步的，所述工作台的顶面开设若干阵列分布的凹槽，还包括若干与所述凹槽相匹配的定位块。
20.由于扶正体上扶正翼和导流槽的特殊结构，使得扶正体采用常规方式放置于工作台上的稳定性有限，这也是本技术需要设置横向导柱和弧形支撑板的原因之一。为了更加提高本技术对扶正体的适配性，本方案在工作台的顶面开设若干阵列分布的凹槽，定位块与凹槽相匹配，根据需要可在任意一个或多个凹槽内放置定位块。本方案使用时，在扶正体悬空于工作台之上、还未进行冲压的时候，可以根据当前扶正体底部导流槽的分布情况，对应在相应的凹槽内放置定位块，从而使得扶正体下放后，各定位块能够进入扶正体底部的导流槽内，以此更加提高冲压过程中扶正体的稳定性。
21.基于冲压成型设备的冲压成型方法，包括：调整横向导柱、弧形支撑板高度，使横向导柱和工作台之间的间距大于扶正体壁厚、横向导柱底端和弧形支撑板顶端之间的距离小于扶正体内径；将扶正体从所述悬空端套入至横向导柱和弧形支撑板外，扶正体悬挂在弧形支撑板上，转动扶正体、使待开孔的扶正翼朝上；调整弧形支撑板高度，使扶正体放置于工作台
上；调整横向导柱高度，使横向导柱的轴线与扶正体的轴线等高；调整弧形支撑板高度，使弧形支撑板的外壁再次与扶正体内壁顶部接触；启动动力装置，驱动冲压头沿轨道下行，由圆形冲压块在扶正翼外壁冲压成孔。
22.可以看出，本方法能够充分保证被加工的扶正体与横向导柱和弧形支撑板的同轴，并且扶正体底部外壁与工作台接触、顶部内壁与弧形支撑板接触，具有很好的纵向稳定性；且工作台和弧形支撑板同时实现纵向限位，可在冲压时通过弧形支撑板对扶正体被冲压位置的内壁提供顶撑，显著降低因冲压导致扶正体内壁平整度降低的风险。
23.进一步的，在启动动力装置前，采用驱动板驱动指定的圆形冲压块向下伸出。
24.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：1、本发明用于钻具扶正体的冲压成型设备及冲压成型方法，摒弃了现有技术对于螺旋翼型钻具扶正器的安装小孔所采用的后期磨削开槽的二次加工方式，提出了专用于螺旋翼型扶正体的安装小孔开孔的冲压设备，填补了现有技术的空白。
25.2、本发明用于钻具扶正体的冲压成型设备及冲压成型方法，可满足对不同尺寸扶正体的加工需求。
26.3、本发明用于钻具扶正体的冲压成型设备及冲压成型方法，可保证弧形支撑板能够与扶正体内壁顶部形成很好的贴合关系，从而在冲压时通过弧形支撑板对扶正体被冲压位置的内壁提供顶撑和限位，以此显著降低因冲压导致扶正体内壁平整度降低的风险。
27.4、本发明用于钻具扶正体的冲压成型设备及冲压成型方法，当需要何种形状的安装孔布置方式时，则由驱动板驱动指定布置方式的圆形冲压块向下伸出，以此显著提高本技术的通用性，以满足对不同耐磨块布置方式的扶正体的使用。
附图说明
28.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：图1为本发明具体实施例的主视图；图2为本发明具体实施例的局部结构示意图；图3为本发明具体实施例中压板的仰视图；图4为本发明具体实施例中通孔的剖视图；图5为本发明具体实施例中圆形冲压块的装配示意图；图6为本发明具体实施例中驱动板的仰视图；图7为本发明具体实施例中盲孔的剖视图；图8为本发明具体实施例中工作台的结构示意图。
29.附图中标记及对应的零部件名称：1-动力装置，2-轨道，3-工作台，4-横向导柱，401-悬空端，5-弧形支撑板，6-圆形冲压块，601-限位部，602-冲压部，7-弧形面板，8-第一升降装置，9-第二升降装置，10-驱动板，11-压板，12-顶推件，13-导向孔，14-容纳孔，15-盲孔，16-第二弹性件，17-驱动器，18-顶推块，19-凹槽，20-定位块，21-第一弹性件。
具体实施方式
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
31.实施例1：如图1与图2所示的用于钻具扶正体的冲压成型设备，包括冲压头、用于驱动冲压头沿轨道2上下移动的动力装置1，还包括位于冲压头下方的工作台3、能够在工作台3上升降的横向导柱4、能够在横向导柱4上升降的弧形支撑板5；横向导柱4包括悬空端401，弧形支撑板5凹面向下，横向导柱4的轴线与弧形支撑板5的轴线共线；冲压头底面设置若干圆形冲压块6。
32.工作台3的上表面设置凹面向上的弧形面板7，弧形面板7上安装第一升降装置8，第一升降装置8的顶端连接横向导柱4，且第一升降装置8连接在横向导柱4远离悬空端401所在方向的一端；还包括连接在横向导柱4与弧形支撑板5之间的若干第二升降装置9。
33.采用本设备进行冲压成型的主要过程包括：通过第一升降装置8调整横向导柱4、弧形支撑板5高度，使横向导柱4和工作台3之间的间距大于扶正体壁厚、横向导柱4底端和弧形支撑板5顶端之间的距离小于扶正体内径；将扶正体从悬空端401套入至横向导柱4和弧形支撑板5外，扶正体悬挂在弧形支撑板5上，转动扶正体、使待开孔的扶正翼朝上；通过第二升降装置9调整弧形支撑板5高度，使扶正体放置于工作台3上；再次通过第一升降装置8调整横向导柱4高度，使横向导柱4的轴线与扶正体的轴线等高；此过程中弧形支撑板5同步升降；再次通过第二升降装置9调整弧形支撑板5高度，使弧形支撑板5的外壁与扶正体内壁顶部接触；启动动力装置1，驱动冲压头沿轨道2下行，由圆形冲压块6在扶正翼外壁冲压成孔。
34.优选的，本实施例中的第一升降装置8、第二升降装置9采用电动推杆或液压缸实现，也可采用具有良好承载能力的丝杠电机、齿轮齿条等现有升降结构。
35.本领域技术人员应当理解，本实施例完成冲孔作业后，再采用现有技术将如人造金刚石复合片等耐磨块置入得到的安装孔内，再通过现有方式焊接完成固定即可。对于安装孔与金刚石复合片之间的间隙采用焊料填充即可。
36.需要说明的是，附图2中未示出轨道和动力装置，冲压设备的轨道和动力装置均可采用现有技术实现。
37.本实施例中的扶正体，可以是钻具扶正器，也可以是螺杆马达、旋转导向、随钻测斜（mwd）、随钻测井（lwd）等工具上的扶正套。
38.实施例2：一种用于钻具扶正体的冲压成型设备，在实施例1的基础上，如图1所示，冲压头包括呈上下分布的驱动板10、压板11，压板11底面设置若干圆形冲压块6，驱动板10用于驱动指定的圆形冲压块6向下伸出。
39.压板11如图3至图5所示，其上开设若干呈阵列分布的通孔，圆形冲压块6滑动配合在通孔内。通孔包括呈上下分布且相互连通的导向孔13、容纳孔14，容纳孔14孔径大于导向孔13孔径；圆形冲压块6包括与导向孔13滑动配合的限位部601、与容纳孔14滑动配合的冲压部602；冲压部602与容纳孔14顶面孔壁之间连接第一弹性件21。
40.驱动板10如图6与图7所示，驱动板10底面开设若干与圆形冲压块6一一对应的盲孔15，每个盲孔15内均滑动配合一顶推件12、还包括用于使顶推件12收纳至盲孔15内的第二弹性件16、用于驱动顶推件12向外运动的驱动机构。驱动机构包括安装在盲孔15孔底的驱动器17、连接在驱动器17输出端的顶推块18；顶推件12顶面包括斜面部、平台部；顶推块18位于斜面部上方，且顶推块18底面与斜面部相匹配；第二弹性件16连接在盲孔15孔底与平台部之间。
41.本实施例中所有的驱动器17均由控制器进行控制，控制器的信号接收端可与用户中控如电脑等相连，便于用户直接在屏幕上选择该批次冲压所需使用的圆形冲压块。
42.本实施例的设备工作过程中，在启动动力装置1前，根据具体加工需要，采用驱动板10驱动指定的圆形冲压块6向下伸出。该过程具体为：对于每个需要启动的驱动器而言，控制器控制驱动器17启动、将顶推块18向外推动设定行程，顶推块18底部的斜面与顶推件12顶部的斜面配合，推动顶推件12向下运动，顶推件12推动圆形冲压块6的限位部601在导向孔13内向下移动，从而使得冲压部602伸出至容纳孔14外部，保持驱动器17锁定即可。在此过程中，第一弹性件21、第二弹性件16均被拉长。
43.当冲压作业完成后，驱动器17复位，顶推块18在驱动器和第二弹性件16的作用下共同复位，圆形冲压块6在第一弹性件21的作用下复位，冲压部602回到容纳孔14内。
44.在更为优选的实施方式中，驱动器17采用成熟的电磁驱动实现，如电磁铁等。
45.实施例3：用于钻具扶正体的冲压成型设备，在上述任一实施例的基础上，工作台3的顶面开设若干矩形阵列分布的凹槽19，还包括若干与凹槽19相匹配的定位块20。
46.需要说明的是，无论工作台的上表面为平面或弧面，均可对应设置该凹槽19。如图8所示的示意图中，即是将工作台3的顶面设置为与实施例1或实施例2不同的平面。
47.在更为优选的实施方式中，定位块20包括位于下部的刚性部、位于上部的柔性部。在具体使用时，由刚性部置于凹槽19内起到定位作用，由柔性部直接与扶正体的螺旋槽接触，在降低磨损风险的同时可增大摩擦系数。
48.在更为优选的实施方式中，凹槽19为边长1~3cm的方槽、或直径1~3cm的圆槽；其径向高度2~4cm。可满足市面上绝大多数扶正体所对应的导流槽的使用需求。
49.以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。
50.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其它变体，意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，在本文中使用的术语“连接”在不进行特别说明的情况下，可以是直接相连，也可以是经由其他部件间接相连。