水力压裂导致油田发生大变化，零件加工发生大变化。
伊斯卡的HeliDo H600双面六-角嵌件适用于水力压裂块中使用的钢材。伊斯卡拥有范围广泛的工具来适应特定的机器和应用。 （由 Iscar Metals 提供）刀具制造商 Iscar Metals 的 Rod Zimmerman 住在沃思堡郊区一个宜人的绿色地带。然而，在他家半英里范围内，一家石油公司挖了一个 7,500 英尺（2,286 米）深的垂直孔，从中展开了九条侧线，每条线大约半英里。它以 9,000 psi 的压力将压裂液泵入这些管线以提取天然气。这与无处不在的水力压裂革命和 amazi 一样，都是很好的例子
虽然革命可能并非真的“无处不在”，但另一家刀具制造商 Allied Machine & Engineering 的产品经理 Salvatore Deluca 说，他所在县的大型水力压裂设施被称为“城市。”除了与达拉斯-沃思堡不同的是，这些“城市”位于遥远的俄亥俄州，该州以前并不以石油闻名。毫不奇怪，油田的巨大变化导致了油田加工零件的巨大变化。
解决压裂问题
如上所述，水力压裂（通常称为水力压裂法）通过钻入地下并在极高压力下将水、沙子和化学品的混合物注入岩石中，从页岩层中回收天然气和石油。产生这种压力需要巨型泵，其中一个关键部件是“流体端”或“压裂块”及其阀门、活塞和衬套。
泵送通过这些块的泥浆的高压和磨蚀性导致快速磨损和开裂。俄亥俄州多佛市 Allied Machine 的产品专家 Paul Best 表示，由于油田运营商需要保持高压，他们被迫每隔几天更换一次液力端。最好的流体端由实心钢块加工而成，通常高约 3 英尺，宽约 4 英尺，厚约 2-3 英尺（0.61-0.91 米）。由于具有复杂的轮廓、众多的通道、三到五个通孔（每个通孔的直径高达 8 英寸 [203.2 毫米]）和三到五个交叉的交叉孔，流体端需要进行大量的铣削、钻孔和螺纹加工。
Iscar 西区销售副总裁 Zimmerman 表示，液力端传统上由 4000 系列合金钢制成，但为了防止磨损，用户正在尝试“更奇特的合金，如 17-4 PH 不锈钢-钢材料、超级双相不锈钢和 15-5 不锈钢。”德卢卡估计他现在看到的大约一半流体端是预硬化不锈钢的变体，而且这一比例还在继续增长。
休斯敦 Hartwig 工程服务公司（Okuma 在该地区的经销商）的 Gayle Vollmer 说还有一项举措是在水力压裂块中最容易磨损的部分使用更硬的材料，并尝试重新设计水力压裂块，以便可以轻松更换更多组件。但他推测，当前对高产量的需求已使此类研究“搁置”。
Toyoda FH1250SW 具有用于深钻和镗孔操作的 W 轴套筒. （由 JTEKT Toyoda Americas 提供）无论它是由 4340 还是更硬的不锈钢制成，处理流体端实际上需要大型镗床或 h卧式加工中心。位于伊利诺斯州阿灵顿高地的 JTEKT Toyoda Americas 区域销售经理 Jason Schooley 表示，目标是在一台机器上执行尽可能多的操作，这对于一个如此庞大且难以移动的零件来说尤为重要。
Schooley 说，虽然镗床通常有更大的工作台来加工更大的零件，但像 Toyoda 的 FH1250SX 这样的卧式机床的速度几乎快四倍。这部分归功于齿轮驱动的 6,000 rpm 主轴（可选 8,000 rpm 或 15,000 rpm 高扭矩主轴）和 1,654 ipm（42 m/min）的快速进给速率。该机床采用 Meehanite 铸铁底座，可实现最大刚性，圆柱滚子导轨可提高速度，同时 Y 轴和 Z 轴上的双滚珠丝杠驱动可提高重切削过程中的加工稳定性。
FH1250SW 还具有用于深钻孔和镗孔操作的 W 轴套筒。他补充说，近年来“许多机床制造商已选择内置 U 轴头或 W 轴，它们分别平行于 X 轴或 Z 轴。这使得改变固定车刀的旋转中心成为可能，这在切割大孔或其他大轮廓时非常有用。这是因为不仅液力端的孔径大，而且孔径内部往往呈“瓶状”，不能简单地钻孔。对于没有内置 U 轴的机器，用户可以添加一个执行相同功能的“送出”头，D'Andrea 就是这样的供应商之一。
安装有缺点旋转主轴上的大头，包括可能的零件干扰和与主轴冷却液输送的不兼容。售后市场选项也需要自己的外部驱动器，并且可能无法像更换其他工具那样自动关闭钻机。
但 Schooley 表示，干扰不是水力压裂块 a 的问题如果机器的 Z 轴行程足够长以防止附加头延伸超过量规线的应用。凭借 1,850 毫米的 Z 轴行程和 200 毫米的主轴前端到工作台中心死区，1250 机器可以无干扰地处理压裂块。他补充说，丰田章男进一步开发了其仿形刀头的自动更换功能，以“帮助我们的客户在像石油一样不稳定的行业中保持领先地位。”
根据 Schooley 的经验，可用的模块化镗孔工具来自 Innovative Tooling Solutions 和其他公司的标准配备了主轴中心冷却液，许多制造压裂块的车间使用带有仿形头的专用卧式镗床来完成孔加工。 Toyoda 还提供扭矩为 1,560 ft-lb 的重型主轴卧式加工中心。 Schooley 表示，4,000 rpm 的套筒主轴结合了镗孔和深孔钻孔所需的范围和强度，允许工件预非常需要在一台机器上完成两个操作。该机床的旋转式 360,000 位托盘为各种工件的重型加工提供了最大的灵活性。
位于北卡罗来纳州夏洛特的 Okuma America Inc. 开发了一种名为 Turn-Cut 的编程选项，可实现水平加工加工中心模仿车床在不使用 U 型头的情况下在大型不平衡零件上切割圆形和角度特征。正如 Okuma 休斯敦技术中心协调员 Ted Winkle 解释的那样，“不是旋转零件，这对于某些大型零件来说很难或不可能，而是围绕零件旋转工具。 Turn-Cut 不是使用 U 型头将刀具从旋转轴的中心移出，而是在 X 和 Y 轴上插补这些轴，同时它还在 Z 轴上进给单点车削刀具。”
Okuma 的 Turn-Cut 技术在不使用 U 型头的情况下在 Z 方向进给单点车削刀具时对 X 和 Y 进行插值，以模仿车床在大型不平衡零件上切割圆形和角度特征。（由 Okuma 提供）Winkle 认为 Turn-Cut 将在石油和天然气行业的压裂块等零件中发挥更大的作用，因为“随着钻孔的直径变大，运行坚固的工具需要很大的扭矩才能打出这么大的孔。有与 U 型头和所有与之相关的昂贵工具相比，车削功能是一种优势。”
另一方面，车削并不便宜，因为它需要额外的软件用于专门的加速、减速和同步，加上玻璃刻度尺和滚珠丝杠冷却。但你会得到具有这些功能的各种零件的更好精度，它增加了 l能够在一次设置中完成零件的可能性。
Schooley 反驳说，该技术需要在滚珠丝杠和导轨的同一区域进行大量重复运动（直径越小，这种情况发生的次数越多）这可能会缩短机器寿命。
然后，Winkle 说，除非您经常在相同尺寸的零件上使用此功能，否则您不会在同一区域出现过度运动。而且，如果您不经常需要该功能，您将无法证明 U 轴的大笔费用是合理的，因此 Turn-Cut 将是一个更合乎逻辑的选择。与任何机床功能一样，需要权衡取舍。
马力天堂
Makino Inc. 的“首选”平台fracking blocks 是它的 T1 和 T2 五轴卧式加工中心。对于 Makino I北卡罗来纳州梅森市的 T1 和 T2 五轴卧式加工中心是压裂块等零件的“首选”平台。产品营销经理 David Ward 表示，这两款机器都有直接驱动的主轴，“非常适合该行业使用的具有挑战性的不锈钢和高合金钢。”
T1 配备 HSK100 12,000 rpm 主轴，配备143 hp 和 740 ft-lb 负载额定扭矩。较大的 T2 主轴使用 HSK125 接口来提高径向刚度。 4,000 rpm T2 主轴可提供 200 HP 和 1,107 ft-lb 的额定功率和扭矩。
Ward 补充说，两个主轴在 1,000 rpm 时一直保持其最大扭矩值。 “通过将最大扭矩值带到这一点，它确保主轴能够利用切削刀具技术的新进展，例如高温刀片涂层。”
Winkle 观察到，油贴以 CAT 50 机器为主，但同意面部接触由 HSK 和 BIG Plus 接口提供将是一个优势，“如果你有一个长悬垂。但由于大部分加工力是轴向的，因此选择哪种“主轴类型”并没有太大区别。只要够牛就行。 “使用 ISO 40 主轴机器接近压裂块将是徒劳的，”他说。
消息人士一致认为，高压冷却剂对于许多石油和天然气应用中的热量和切屑去除至关重要，或者正如 Iscar 的 Zimmerman 所说，“几乎与应用无关。当在流体端的孔深处工作时，将切屑冲洗出来很重要，但很难做到。到目前为止，冷却液进给铣刀是进行此类应用的最佳方式。”
因此，如果机器不具备此功能，用户可以使用 ChipBLASTER 等供应商的装置来添加它。 “如果没有通过主轴，我今天甚至不会考虑购买铣床，高h 压冷却剂，”Zimmerman 说。 “它改变了铣削和钻孔的游戏规则。”唯一的例外是无法将冷却液引导至切削刃的情况。在那种情况下，冷却液“有时会对您不利，最好进行干燥机加工以避免刀片热裂，”他说。
Deluca 说机床制造商已经响应了这一需求，因此他现在通常会发现带有 OEM 提供的泵的机器以 20 gpm 的速度提供 1,000 psi。 Ward 说，Makino 的 T1 在 1,000 psi 时提供 26 gpm，而 T2 在 53 gpm 时提供相同的压力。
切削工具的进步
虽然您可能喜欢为您的设备配备大马力怪物Allied Machine 的 Deluca 表示，他们越来越多地面临着相反的挑战：需要使用专注于铣削的机器在主轴速度更高但马力最大为 40 至 50 的情况下钻大孔。
“制造这些部件的公司通常规模为中小型，通常不专门制造压裂块，”他说。 “许多人对专注于这个市场并为一个像过山车一样运行的行业花费 50 万美元购买一台机器持谨慎态度。因此，我们必须
开发一种能够以比传统钻孔产品高得多的主轴速度和低得多的进给率切割 4 英寸直径孔的工具。”
钻压裂块的挑战超出所需孔的尺寸。 “断续切割是流体端块制造所固有的，因为交叉孔是垂直于现有孔钻出的，”Allied Machine 的 Best 说。 “由于交叉孔的最终形状，钻头的外边缘将继续参与切割，而内边缘则不会。这会使钻机不稳定，从而破坏工具并破坏压裂的完整性ing 块。”
Allied Machine 的 APX 具有更坚韧的硬质合金基体。该公司通过在刀片上添加修光刃和耐磨垫来提高稳定性，从而解决了跨孔钻孔的难题。 （由 Allied Machine 提供）此外，如果客户通过使用未经热处理的材料来节省成本，则钻头可能会遇到重大变化。 Allied 的 Deluca 通常表示，这意味着操作员必须持续监控过程，否则可能会在击中铸件中的凹穴后几秒钟内发生灾难性的钻孔故障，这可能会破坏您投入数小时的零件。商店还经历了块与块之间的材料差异，因此很难选择完美的钻头和操作参数。
Allied 通过 &l 解决了这些挑战dquo；下一代”工具称为 APX。它具有更坚固的硬质合金基体和专有涂层，可承受撞击口袋时的冲击。 Deluca 说：“你可能会在工具上切碎，然后你会听到一声尖叫，但你仍然能够完成钻孔。”
他补充说，Allied 解决了跨孔钻孔的难题通过在刀片上添加修光刃以提高稳定性进行钻孔，加上耐磨垫以在先导孔进入空白空间或交叉孔时提供额外的稳定性。 “我们还建议在钻成角度的出口孔时减轻进给量并保持相同的速度，这样工具就不会推开或走动。在钻主线孔或交叉孔时通常没有必要，但您可以在工具中投入大量工程来补偿斜孔的极端断续切削。”
对于铣削，Zimmerman 说伊斯卡HeliDo H600双面六角er insert 对这种类型的材料非常有效。 “我们还提供 Mill 4 Feed，这是一种方形单面刀片，具有更正角的几何形状，可实现更柔和的切削，需要更少的马力。”
他的主要信息是，自从 Iscar 长期以来一直致力于石油和天然气行业，并且只雇用经验丰富的机械师，它可以为客户开发最佳工艺并从各种各样的工具中进行选择。 “我们有多种类型的饲料厂，可以根据应用、材料和机器，考虑其刚度、马力和扭矩来优化饲料厂。”
多任务处理和自动化
9,500 磅的水力压裂块可能不会让人想到“自动化”，但 Makino 和其他建筑商提供的解决方案可让一名操作员运行多台机器。对于压裂块，这通常意味着旋转托盘更换器可以在一分钟内在原始铸件和成品部件之间切换。之后否则，操作员有足够的时间来移除成品。
对于几分钟的循环时间，水力压裂枪管处于光谱的另一端。由于它们是“一次性使用的物品”，Vollmer 说，“生产率是天文数字。每天制造数千件。”
因此，该零件非常适合自动化，Hartwig 和 Okuma 合作提供了多种选择。这些包括用于装载/卸载和棒料进给类型系统的机器人，例如用于瑞士式车床上的小零件的机器人，除了这里它们处理的直径为 2-4 英寸。最快的方法是将毛坯送入双轴机床，加工一端，然后将零件直接送入副主轴以在另一端加工。
Vollmer 说，这些零件需要车削、螺纹加工和一些铣削，最好为后者使用动力工具，Winkle 将此功能称为“行业最大的变化之一”年。水力压裂和定向钻井再次成为这种转变的一个重要原因。
但是，对于当今“井下”作业所需的许多圆柱形零件，理想的车床不仅仅是带电工具和转塔或两个。它与 Okuma 的 MULTUS 车铣复合系列一样具有旋转头和多轴铣削功能。
“钻井和完井阶段所需的零件比传统垂直井复杂得多，”Winkle 解释说. “你必须能够打开和关闭阀门以改变生产区域。零件有液压管道穿过它们，还有电子监控装置。”
这需要在外径和内径上有交叉孔和复杂的铣削特征，因此机器需要五轴定位和九个左右的轴机器移动以在一端切割零件并切换主轴以加工另一端。
螺纹是另一个挑战。温克尔说有精简版聚集了数百种类型并且公差很严格：“加 1.5 thou，不减任何东西。”这是因为在石油和天然气中，螺纹不仅仅将零件固定在一起，“它们还必须完美密封并承受巨大的拉伸应力，这些拉伸应力来自进入数英里深的巨大零件串，”Winkle 说。 “而且他们必须应对热膨胀和冲击载荷。这种密封和承重部件在任何其他行业都不存在。”
切割这些螺纹需要坚固的机器和抗颤振的装置。伊利诺伊州惠灵市 SMW Autoblok 的项目管理和营销总监凯尔唐斯表示，由于“进料非常不一致”这一事实，这一切都变得复杂起来。钩形、弯曲和/或长方形管道的自动定心可以通过两种情况实现，要么是 3+3 自动定心和补偿卡盘，要么是补偿卡盘和尾座安装的定心解决方案，which 通常也是一个夹头。”
最后，为金属去除机增加激光金属沉积功能增加了新的可能性，例如 Okuma 的新 LASER EX 系列。例如，如果您的零件只有几个突出的特征，您可以将这些特征添加到主体中，而不是从较大的库存中删除这些特征。这可能会极大地节省加工时间。
Winkle 补充说，您还可以融合不同的材料，例如将铬镍铁合金和不锈钢结合起来，“这在纯减材技术中是不可能实现的。接头的强度与由固体加工而成的接头一样强，甚至更强，”他说。
这在石油和天然气领域具有直接的潜力，可以添加钻具组件所需的耐磨垫或添加用于钻具的侧翅片防止管道在穿过定向井中的弯头时刮擦井套管的内径。 Okuma 还提供了表面硬化材料区域的能力l 使用具有不同孔径的相同激光器最多约 50 洛氏。
