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复杂测井仪器基体MBD技术实施案例——数字化设计加工检测一体化

2018/11/11    来源:e-works    作者:张东来      
关键字:MBD技术  测井仪器  数字化设计  
随着油气勘探进程的不断深入和开发对象的日趋复杂,以高可靠性、高集成化、高精度和高温高压为主要特征的高端测井装备成为未来测井仪器发展的趋势。

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前言

    随着油气勘探进程的不断深入和开发对象的日趋复杂,以高可靠性、高集成化、高精度和高温高压为主要特征的高端测井装备成为未来测井仪器发展的趋势。

    测井仪器长期采用传统的“2D工程图+3D模型”设计制造模式,落后于数字化技术的发展,越来越不能满足高精度、高效加工需求。

    基于模型的定义(MBD)是用全三维数字化模型来完整表达产品设计和制造信息,能够实现制造过程的高度集成。以MBD技术为核心的数字化设计、加工、检测、制造模式,开展适用于石油装备产品的数字化设计制造模式对提高复杂测井仪器设计制造的精度、可靠性与效率具有重要意义。

1 复杂测井仪器基体结构及加工特点

    复杂测井仪器普遍具有较高的精度和检测要求,采用的高性能材料加工难度较大,以保证满足产品使用性能及环境的要求。基体产品是测井仪器重要组成部分。本文以中海油服地层测试器(EFDT)模块基体为例来说明复杂测井仪器基体结构和加工工艺上特点,具体如下:

    1)基体多为轴类细长零件,尺寸大,结构异常复杂。工艺特征多达上千个,且内部高压管路纵横交错。基体尺寸及位置精度要求高,工艺密封堵孔及密封面加工精度要求小于0.03mm,定位孔位置度要求一次装卡加工完成,重复定位精度0.005mm。

    2)基体产品价值高。基体多为单件、小批量生产,仅其钛合金毛坯、精锻毛坯就在几十万元至百万元。基体材料是加工难度很高的航空钛合金材料,对工艺参数及刀具的要求极高,加工风险很大。

    3)加工过程复杂。基体产品制造过程中,面临的主要问题为工艺路线长、加工工序多,工艺过程复杂、加工效率低。基体加工过程中的工件变形是影响加工质量的主要原因。基体结构因其本身结构和工艺的特殊性容易造成产品出现变形,变形影响因素既包括装夹、切削力等系统因素,也包括材料不均匀、内应力等随机因素,难以准确预测。

2 基于MBD技术的复杂测井仪器基体数字化设计

    MBD技术是用三维数字模型来完整表达产品定义信息,将设计信息和制造信息共同定义到产品的三维数字化模型中,并将其作为产品制造过程中的唯一依据,替代传统用二维图作为工程语言,描述产品尺寸公差等信息,用三维模型仅表达几何形状和装配关系的模式,更好地保证产品定义数据的唯一性,实现设计、仿真、工艺、制造等的高度集成。

    MBD模型作为唯一载体能将三维模型及工艺信息PMI等传递给企业其他下游部门,使用者可以方便地可视化浏览产品模型及理解产品几何特征和尺寸公差,比二维读图简单快速直观,改变了“2D工程图+3D模型”的传统模式。

    基于MBD和特征的测量技术可自动获取MBD模型中的检测特征和公差等检测信息,快速智能离线自动生成检测程序,测量结果可以方便的反馈到生产质量监控体系中去,实现测量数据的收集、管理,以及测量数据统计学分析与报告发布等,基于MBD的数据重用策略如图1所示:

基于MBD的数据重用策略

图1 基于MBD的数据重用策略

    NX软件提供了产品与制造信息(PMI)功能模块,使用户能够根据MBD标准完成三维数字化产品定义,同时可实现MBD数据集的分类组织与管理。NX PMI完整三维注释环境不仅可以捕捉制造需求,在这些需求与三维模型之间建立关联关系,而且还允许下游环节重用数字化数据。

    对于地层测试器EFDT基体,利用PMI工具在三维标注与几何体间建立关联,实现三维标注直接附在模型上,并通过对标注视图的合理布局,实现产品定义信息的清晰表达。

    基于MBD的EFDT泵抽模块基体数字化全三维模型如图2所示,典型截面如图2b、2c所示:

中海油服基体MBD三维标注模型

图2 中海油服基体MBD三维标注模型

3 基于MBD测井仪器基体数字化加工

    中海油服依托“十二五”国家重大专项购置了某七轴车铣复合加工中心(图3),根据该机床的配备,成功开展了石油机械产品的车铣复合关键技术及与之相适应的复合加工工艺研究,开发和定制相适应的数控程序、后置处理、切削仿真等系统,逐步实现集成化应用。

    3.1 车铣复合加工优势及现状

    测井仪器基体产品毛坯一般是棒料,传统加工工艺工序众多,采用车铣复合机床可以通过一次装卡完成除枪钻外的加工工艺。

    根据基体产品模型及加工特征,初步确定加工工艺和选配车铣钻镗铰等刀具170余把,编制了400余序的加工程序,解决加工中遇到的工艺问题,不断调整修订工艺路线,保证最终一次性完成合格产品。

中海油服七轴车铣复合加工中心

图3 中海油服七轴车铣复合加工中心

    车铣复合加工数控编程技术

    车铣复合加工技术的发展对数控编程技术提出了更高的要求,车铣复合加工程序编制难点主要体现在两个方面:

    1)工艺种类繁杂。工艺人员需要掌握数控车削、多轴铣削、钻孔等多种加工方式的编程方法。

    2)车铣复合加工的机床运动和加工功能复杂,除生成刀具轨迹外,还要处理诸如在线测量、锯断、工件交换、中心支架控制等。

    要实现车铣复合加工,需要对各个独立的加工程序进行集成和整合。以零件的工艺路线为指导,对不同工艺方法的加工顺序进行排序,给出优化的换刀、主副轴及中心支架的装卡更换、基准转换以及进退刀等。

    本文利用NX软件作为产品工艺和复合加工设备的编程系统。测井仪器基体特征加工计算机刀具轨迹如图4所示:

测井仪器基体数控特征加工计算机刀具轨迹

图4 测井仪器基体数控特征加工计算机刀具轨迹

    3.2 基于特征的测井仪器标准化工艺及数控编程模板技术

    复杂测井仪器基体含有大量工艺孔、特征孔等加工特征。此类特征组合特点是成规格系列,有些特征刀具轨迹相同、加工方法类似、切削控制参数相近。为避免加工特征重复,基于特征建立了100余种的测井仪器三维MDB标准化工艺文件库。基体电磁阀座孔、机械阀座孔标准化工艺特征MBD模型如图5所示:

中海油服EFDT基体标准化工艺特征MBD模型

图5 中海油服EFDT基体标准化工艺特征MBD模型

    同时,利用NX工艺模板技术实现特征孔组合工序的生成及相似工艺孔加工工序的继承。应用表明,加工模板包含有成套的工作流程和选项设置,便于在使用中保持一致性和集中使用,利于提高生产效率。

    3.3 机床后处理

    后置处理是数控加工中的关键技术,它是联接CAM编程与数控加工之间的纽带,有效使用后置处理技术与数控机床的高效运行是分不开的。针对中海油服车铣复合加工中心定制开发了机床专用后置处理器,充分利用控制系统连续路径、前馈控制等先进技术。

    3.4 数控加工仿真技术

    为避免加工事故发生,在机床实际加工之前,加工程序的测试和验证不可或缺。数控加工仿真是借助软件模拟加工环境、刀具路径与材料切除过程,实现切削过程模拟仿真,来检验并优化加工程序。其中切削加工仿真是数控加工程序编制与实时验证的重要工具,是提高编程效率与质量的重要措施。切削仿真验证可播放刀轨动画或刀轨及材料去除的动画,显示材料移除过程,且能够检查IPW在快速模式下是否发生碰撞以及IPW是否与夹持器发生碰撞,还可以通过比较命令检查过切。复杂测井仪器基体在NX中进行切削过程仿真如图6所示:

复杂测井仪器EFDT基体计算机切削仿真验证

图6 复杂测井仪器EFDT基体计算机切削仿真验证

    中海油服复杂测井仪器基体通过数字化制造应用,改变以纸质为主要载体进行产品制造和信息传递的工作模式,实现设计制造的电子化表达,在车间配置大液晶显示器,方便对模型和工艺卡片浏览,逐步实现全三维数字化无纸化加工。基于MBD的测井仪器基体数字化加工如图7所示:

基于MBD的测井仪器基体数字化加工

图7 基于MBD的测井仪器基体数字化加工

4 基于MBD复杂测井仪器基体数字化检测

    传统检测手段不但过程繁杂,而且很难准确地检验出细微的误差。随着检测技术和基于MBD的全三维数字化产品的发展,CMM坐标数控测量在产品制造中的应用越加普遍。基于MBD技术的三坐标测量技术,可以对比产品的加工误差和理论误差之间的关系,这对分析误差、优化设计加工过程、减少产品不合格率有着重大的意义。

    基于MBD和特征的三坐标测量技术可自动获取MBD模型中的检测特征和公差等检测信息,检测产品几何尺寸性能是否符合设计和使用要求。基体加工完成后,利用NX软件平台创建符合基体特征的检测路径和检测程序,研究快速生成无碰撞测量程序的典型方法。在实际测量运行前充分利用仿真功能,进行干涉检查并及时修正,最后输出符合要求的后处理数据,生成质量检测报告,实现加工测量一体化。基于MBD技术的测井仪器基体数字化检测如图8所示:

基于MBD的测井仪器基体数字化检测

图8 基于MBD的测井仪器基体数字化检测

5 应用效果

    以中海油服地层测试器EFDT双探针短节为例,传统方式基体上的斜孔是利用工装进行加工,过程复杂且加工精度无法保证;而采用MBD数字化加工技术可以保证在机床上一次加工完成,大大提高了生产效率和质量。另外,采用传统方式加工检测EFDT模块基体,须人工手动编程和在多台设备间变换装卡加工,加工周期大约为60天,且精度难以保证;而采用MBD数字化加工检测技术加工周期缩短至15天,生产效率较之传统模式提高了3-5倍,且基体是在一台车铣复合机床上集成加工完成,大大提高了产品加工成功率和精度,所加工的多种基体一次加工成功率为100%,产品精度提高了一个数量级。实践证明,中海油服通过开展基于MBD技术的复杂测井仪器基体数字化设计、加工制造与检测一体化技术研究与应用,改变了以纸质为主要载体进行产品制造和信息传递的工作模式,实现了设计制造的电子化表达;通过在车间配置大液晶显示,便于进行模型和工艺卡片的浏览,为全面实现数字化车间的无纸化生产和工厂数字化建设打下了坚实基础,也必将推动测井领域向数字化设计制造模式的变革。

6 结论

    本文以中海油服地层测试器EFDT为例,针对复杂测井仪器基体结构及加工特点,在NX平台下建立了基于MBD的基体数字化模型,并根据有限元分析结果进行优化设计;进而开展了基于MBD的车铣复合加工工艺和数控编程技术研究,采用基于特征的标准化工艺及数控编程模板技术,有效提高了加工与编程的效率和质量;采用基于MBD和特征的三坐标测量技术,大大提高了检测效率和精度,最终实现了基于MBD技术的复杂测井仪器设计、加工制造及检测的高度集成和一体化,显著缩短了产品研制周期,提高了产品质量和生产效率。

责任编辑:程玥
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