多任务机器、陶瓷嵌件、增材制造和自动化有助于生产大量能源行业零件
不断变化的石油和天然气行业——最近因 9 月对沙特阿拉伯的无人机袭击而动荡不安暂时将沙特王国的产量减少近一半（约占全球产量的 5%）的阿拉伯石油设施——面临着特别具有挑战性的机械部件要求，以满足不断变化的供应目标。
重型燃气轮机部件的尺寸不断增大，GE 最大的机器直径超过 15 英尺，长度超过 30 英尺。虽然增材制造和自动化越来越多地应用于能源行业的加工实践，但独特的要求（例如高度特定的c 螺纹设计、大型零件和高温合金需要特别了解如何制造能够在恶劣环境中发挥最佳性能的组件。
“如果要总结相当大一部分油所需的 CNC 机床特性-和气体相关的部件用一个词，这个词就是'大'，”北卡罗来纳州夏洛特的 Okuma America Corp. 休斯顿技术中心协调员 Ted Winkle 说。直径比，需要带有长床身和中心架的车床和铣车中心。这些长零件通常需要配备长凸台、阻尼镗杆的车床，以扩大 [用于] 内部加工。”
同时，井口设备的机加工零件，如防喷器和压裂块以及流体端需要铣削中心他补充说，工作信封很大。 “经常指定的高温高温合金的重加工对于油田零件，偏爱配备高扭矩主轴和箱形导轨的机器。油田管道螺纹加工需要大型车床主轴通孔。”
然而，最终，用于能源提取的零件生产是一个高混合/低产量的事情；组件的范围从“手掌大小、重盎司到车辆大小、重达数吨”不等。尽管有如此多的能源部门部件具有共同特征——例如，许多部件都是圆形的——但实际上并没有“典型”的能源部件，因为井下使用的部件具有不断变化、高度工程化和特定应用的特性工具组件，”Winkle 说。
鉴于零件尺寸和几何形状的多样性，许多用于较小规模能源零件的机床与用于生产其他行业零件的机床相同。
大工件包络和具有小特征的高精度加工是当代能源零件生产的标志，acco致匹兹堡 GE Power 高级先进制造工程经理 Blake Fulton。
“提高 HDGT（重型燃气轮机）效率的常见途径之一是增加通过机，同时最大限度地减少表面积，从而产生更大的组件，”Fulton 指出。 “超过 3'（0.9 m）长的部件不再罕见，对于涡轮机叶轮和外壳，6'、8' 甚至 10'（1.8 m、2.4 m 和 3 m）尺寸现在很常见。 ”
然而，尽管组件的整体尺寸随着时间的推移而增加，他补充说，“用于改善密封和泄漏的个别特征和公差在继续缩小。 HDGT 原则上是相对简单的机器；然而，GE 通过密切关注小特征和控制严格的公差来使其产品与众不同。”
设备与材料问题
影响机器选择的一个关键因素是能源行业的命运潮起潮落是可以预见的不可预测的。
“制造商发现他们当石油消耗量增加时，他们没有时间试验新机器和新工艺，当石油消耗量减少时，也没有钱去做，”Kidwell 解释说。“多年来，对更新机器的态度 [has been], '如果它没坏，就不要’t fix it!'零件的加工方式与 20 年前相同，使用的是老式卧式镗床和斜车床。”
在用于加工能源零件的机床的主要特性中， Kidwell 指出，包括：
- 带分度 B 轴的齿轮主轴箱和卧式镗铣床，
- 带第四轴转台的立式加工中心， 配备静态刀具的大马力斜床身车床，以及
- FANUC/Mazatrol 机器。
虽然随着时间的推移，这些机器可能大体上保持相似，但它们所用的材料机加工的要求越来越高，“这导致了生产率差距，”Kidwell 说。 “我们必须在我们想要运行的切削速度、切削深度和每齿进给量与 CNC 机床能够运行的速度之间做出折衷。这种平衡使得未来流程投资所需的生产力和利润收益变得更加困难证明。”
据该公司称，Okuma 的 VTR-160A 是一款具有铣削功能的双柱立式车床，特别适用于油田零件。Kidwell 回忆说，在过去 10 年，“一些能源服务公司一直在推动投资更新的多任务机器”，例如，包括 Mazak Integrex 机器和 DMG Gamma/Beta 双轴机器。 “这是出于好意，但结果好坏参半，许多客户在新机器上使用旧工艺和工具，但并没有显示出吞吐量的显着提高。许多模具公司很明显，问题更多是由于缺乏对新模具和编程技术的投资，而这些技术本可以利用更新的机器技术”
山特维克可乐满刀具经过硬化和机加工，以减少加工当前高温合金时的刀具跳动以及型腔变形和变形，从而确保始终如一的长期性能，Kidwell 继续说道。 “我们还决定启动我们自己的石油和天然气组件解决方案，利用标准和定制工具，加上我们自己的全职程序员，为我们的客户提供经过验证的交钥匙解决方案。这使他们能够比以往任何时候都更快地实施新工具和程序，让我们到现场进行部分决算，而他们几乎没有时间投入。我们的客户利用了我们的优惠，他们只需为工具下单，[在那里]他们已经看到了巨大的投资回报率，而且没有风险。”
在 Okuma，公司的“转弯切割”是一个相对新的加工中心和多任务机器选项，通过围绕单点工具模拟车床车削，Winkle 解释说，“有效地取代了传统的 U 型头用于车削和仿形偏心外部和内部圆柱和球形轮廓的工具。”
多任务机器是最大限度地减少井下工具的设置时间和占地面积的理想选择，这些工具绝大多数是圆柱形的，但通常包括铣削特征“在某种程度上，”他解释道。 “带有铣刀塔和 Y 轴的车床可以处理主要车削零件的轻型铣削，无需二次铣削中心操作。带有 H1 双功能头的多轴车铣中心，如 Okuma 的 Multus 系列，非常适合这些需要更广泛的铣削、离轴铣削、角孔和多项操作的“车床”零件，这些零件受益于副主轴和能够在一次设置中加工零件的两侧。”
山特维克可乐满 CoroThread 266 提供各种材质和槽型，用于石油和天然气应用中的刚性外螺纹和内螺纹车削。上方和下方冷却液提供切屑控制并增加工艺安全性，而 iLock 技术可提高稳定性并提供精确定位。高温高温合金在石油和天然气相关零件中的广泛使用“导致传统硬质合金刀具等级的快速改进，以及更多奇异的切削刀具材料，如陶瓷和 PCBN，用于车削和铣削，”Winkle 继续说道。“烧结粉末基材和涂层技术的改进和新发展使切削速度比十年前提高了一倍，同时切削刀具更少所需的牌号涵盖更广泛的切削条件。”
陶瓷刀片的使用为客户提供了“高生产率的 m宾夕法尼亚州 Saegertown 的 Greenleaf Corp. 应用工程经理 Martin Dillaman 指出，加工高温合金零件的方法。Greenleaf 提供的等级包括 WG-300、WG-600 和 XSYTIN-1。
陶瓷刀片提供稳定的散热和可预测的磨损，其速度比硬质合金替代品快十倍，”Dillaman 说。 “利用陶瓷的耐热性和强度，更高的速度使切割剪切区的材料塑化，然后用锋利的切削刃轻松去除材料。在我们的 XSYTIN-1 等级的一个示例中，我们成功地切割了 Inconel 718 零件的每个索引的全长，长 35"（889 毫米），以 450 sfm 的速度运行，0.030 IPR 的进给，0.075 的 DOC “（1.9 毫米）。”
Greenleaf 还提供用于将 API 凹槽切割成块的 Ring-Max 产品。 “这些凹槽可以用硬质合金刀片切入基材，并用陶瓷刀片切入 Inconel 覆盖层，”Dil拉曼说。 “这两种选择都是使用带有单切入的相同样式的刀具完成的。”
受益于陶瓷刀片加工的零件包括水力压裂块、回流防止器、用于钻井行业的各种接头和腔室。
“我们看到的设备是混合型的——老式的车床和铣床设备——专注于零件的一些特征，到现代的多任务机器能够为整个零件生成几何形状，使用车削、开槽和铣削应用，”Dillaman 解释道。 “我们在这两种情况下都为客户提供解决方案，还将定制设计工具，以提高生产力。”
随着客户要求更快地交付产品，“零件在主轴上的每一秒都至关重要.我们的刀片和工具提供的材料去除率可以将需要数小时的操作减少到几分钟。”
GE Power 的 Fulton 同意陶瓷 m填充刀片“改变了我们粗加工组件的方式。每天都有新的耐磨涂层上市，更好的磨料和结合剂技术也是如此。”
处理特殊功能
那些不熟悉能源行业的人通常会惊讶地发现如何Okuma 的 Winkle 指出，关键的螺纹加工对于能源生产部件以及所采用的油田特定螺纹设计的范围有多大。
摄影测量或结构光计量收集了数十万个数据点在几分钟或几秒钟内给出零件合规性的整体视图。“没有其他行业的零件具有如此广泛的特殊螺纹形式，具有如此关键的性能要求和严格的公差，”他解释道。 “线程上能源部件需要连接和密封，并在承受巨大压力、极端温度和动态负载时继续密封。其中一些螺纹是专有设计，需要获得许可才能生产——VAM 螺纹就是一个突出的例子。因此，有大量的切削刀具、刀柄和可转位刀片专为加工特定能量的螺纹而设计，从单点车削和螺纹铣削到多齿螺纹车削和滚齿。”
他补充说，一些刀具制造商已经开发出行业特定的切削刀具系统，用于加工许多石油和天然气零件上的 API 密封环槽和液压端口轮廓等常见特征。
“较长的长度直径比许多能量部件的比例需要使用“抗振”镗杆，有时悬伸比超过 10:1。同时，石油和天然气部件经常有很深的内底切轮廓和尖锐的联合国切角。因此，经常需要特殊的镗杆和可更换的镗杆头，这些镗杆具有扩展的切削突起和非标准的切削导程角。”
他说，特殊的组合刀具也很常见，将外圆车削和内圆车削结合起来，面对
增材、自动化、数字化等
尽管能源行业的批量通常较小，但过程自动化占有一席之地，说大隈的温克尔。还有一些用于水力压裂和射孔操作的物品不可重复使用，并且以更大的批量生产，这使得自动化——例如用于装载和卸载加工这些零件的机床的机器人——成为一个可行的选择。机器托盘和夹具搬运自动化系统同样可以通过最大限度地减少与机器等待零件装载到夹具中的周期之间的停机时间相关的停机时间来提高生产率。自动送棒和由于相当大比例的圆柱形零件，管道处理系统在能源零件加工中很常见。
另一项在能源零件中具有潜力的新技术是将增材制造能力与传统 CNC 加工中心相结合，“这是 Okuma 的新型 Laser EX 系列混合机器中的一个功能。”
正如其名称所暗示的那样，“Laser EX 机器包括一个激光头，该激光头可以烧结金属粉末以将堆积的固体特征熔合到工件上，”说温克尔。 “这允许通过传统的减法 CNC 加工和构建结构的能力根本不可能实现的零件几何形状，然后在同一机器设置中有选择地从结构中去除材料。”
该技术还允许制造商将一种材料类型的结构构建到另一种材料的基础工件上，“这对于能源部件高磨损表面的硬面处理可能很有用。一个版本Laser EX 技术的 n 还提供机内区域表面硬化。”
同时，数字“智能”工具可以提供切割条件的持续实时反馈，因此可以即时进行调整以他说，应对诸如喋喋不休之类的不良情况。 “由于对极端投影工具的广泛需求，这在石油和天然气商店中特别有用。”
此外，GE Power 的 Fulton 说，冷却剂输送、过滤和管理有助于管理组件的热量输入。 “电火花线切割和电火花成型加工电源技术每一代都在改进，产生更低的重铸和热输入。我们还看到了激光加工能力的显着提高，钻孔技术以多种形式不断改进。”
保持精度和性能
能量的大尺寸和复杂性Okuma&rsqu 警告说，零件可能会禁止使用 CMM 和其他常用计量设备o;s Winkle。
“许多零件特征必须在过程中进行检查，同时零件仍被夹紧或固定在机床中，以便在继续进行后续操作之前保持位置公差。因此，零件探针、激光测量、机器人辅助测量等机内计量系统以及 GageMaker 等制造商的专业量具广泛用于能源行业的零件特征测量。”
加工 HDGT GE Power 的 Fulton 断言，组件“是一个悖论”。 “虽然我们的部件可能非常大并且需要高材料去除率才能在合理的循环时间内进行粗加工，但我们的发动机承受的高温和压力要求成品部件具有低残余应力。工件夹具和刀具刚度、刀具锋利度和热管理都是[实现]这一目标的关键。”
虽然坐标测量机、CAM 软件、CNC 和高压主轴中心冷却系统所有这些都得到了很大改善，质量、可重复性和成本也得到了很大改善。
“由于车间稳定的坐标测量机和高速扫描头现在普遍且可靠，因此测量技术也得到了显着改善，”Fulton继续。 “我们还采用摄影测量法（通常称为蓝光或白光扫描）高速收集数十万个数据点，以便在几分钟或几秒钟内全面了解零件的合规性。”
此外，射线照相（X 射线和 CT）功率和信号处理的改进“使我们能够检查微小的内部冷却和燃料通道。薄膜冷却孔对我们的性能至关重要，该领域的新型扫描技术允许直接测量孔位置以及扩散器形状和尺寸，这令人兴奋。这些技术，再加上利用红外线和声学技术进行的更多功能性能测试技术，为我们提供了比以往任何时候都更好的组件符合设计意图的图片。”
可编程压力机加速制造开发
当一家生产钻头的中西部客户开始开发一种新产品时，该产品需要在烧结和组装之前将粉末精密压制成近净形，他们转向 Promess 机电装配压力机 (EMAP)。
可编程电动压力机技术已在汽车行业应用了近 20 年，现在才开始在能源领域得到认可密歇根州布赖顿的 Promess Inc. 总裁 Glenn Nausley 说。 “现成的组件拼凑成一个系统来进行生产和组装的概念验证。然后，一旦所有错误都起作用出来了，这将取决于您的制造工程团队来弄清楚如何使用一个完全不同的系统来批量生产产品，该系统有其自身的一系列错误和挑战。”
生产钻头的 Promess 客户在实验室和后来的生产中使用了 300 kN 机电装配压力机。为了生产用于矿物勘探、取芯、采矿和油田应用的钻头，该过程涉及压缩碳用高达 60,000 磅（267 kN）的力将金刚石粉末混合物装入模具中；在烧结之前，该压力必须保持特定的时间。 “‘绿色’部件的压实力和尺寸要求是关键的工艺参数。”
Nausley 解释说，过去，“他们会使用液压或实验室中的气动压力机和生产系统中的另一个气动压力机。”但这次他们选择了 Promess 300 kN EMAP，“一种完全可编程的全电动伺服驱动压力机，配备了集成的力和位置传感器，可以实时监测和控制过程。”
一旦开发完成，Promess 的客户就能够在生产中使用相同的 EMAP 工作站。
“实验室开发的过程在生产中完全复制，因为实验室机器确实是一台强大的生产机器，”瑙斯利说。 “而且因为它是完全可编程的，所以他们使用相同的 EMAP 工作站将成品刀片压入带有力和位置反馈的钻头，以确保一致的质量。”
像 Promess EMAP 这样的全电动可编程压力机节省了他补充说，让他们将流程从开发实验室无缝过渡到生产车间，从而节省用户的时间和金钱。 “虽然专为生产车间设计，但它们的可编程性和内置的力和位置传感功能使它们成为工艺开发实验室的理想选择。
“在工艺开发实验室中使用与在生产车间完全相同的设备生产车间提供了许多优势，”Nausley 继续说道，“其中最重要的是消除了在生产设备可用后重新设计生产解决方案的通常昂贵且耗时的任务。与液压或气动替代方案相比，全电动解决方案也更清洁、更安静且更节能。”
