1. تاريخ التطوير وعملية التطور لتكنولوجيا طرف الحفر في مجال الآلات

لقم الثقب ، كأداة قطع مهمة ، لها تاريخ يعود إلى عصور ما قبل التاريخ. يعد تطوير تقنية طرف الحفر مثالا للتقدم التكنولوجي البشري وتطور علم المواد.

التطور المبكر (عصور ما قبل التاريخ إلى العصور الوسطى):

فترة ما قبل التاريخ (حوالي 35,000 قبل الميلاد):اكتشف الإنسان العاقل المبكر أنه يمكن استخدام الأدوات الدوارة للحفر. في البداية ، تم إجراء الحفر باستخدام عصي خشبية ناعمة مع أطراف من الصوان. بحلول العصر الحجري القديم العلوي ، توسعت المادة إلى العظام والأصداف والقرون.

الفترة المصرية القديمة:استخدم المصريون القدماء الخشب بشكل أساسي كمثقاب لخلق حركة دورانية عن طريق لف العصي الخشبية بأوتار. لا تستخدم هذه التدريبات فقط لإشعال الحرائق ، ولكن أيضا لأعمال النجارة وطب الأسنان ومعالجة الأحجار.

القرن الثالث عشر:بدأ البشر في استخدام المعدن كمثقاب. باستخدام صفائح نحاسية داخل العصي الأنبوبية ، فإن حفر الثقوب عن طريق طحن المنطقة الخارجية يقلل من تلف المادة.

روما القديمة والصين:صنع الرومان المثاقب (المثاقب) للبناء وتشغيل المعادن. حوالي عام 200 قبل الميلاد ، حققت الصين تقدما كبيرا في تكنولوجيا مثقاب الحفر ، حيث طورت لقم الثقب المتقدمة والمثاقب لأعمال النجارة والبناء والعلاج الطبي. علاوة على ذلك ، كانت الصين رائدة في تكنولوجيا الحفر العميق ، حيث قامت بحفر آبار ملحية بعمق يزيد عمقها عن 1,000 قدم لصناعة الملح.

العصور الوسطى وعصر النهضة:تم تحسين أدوات الحفر والتدريبات بشكل أكبر خلال هذه الفترة ، ويرجع الفضل في ذلك أساسا إلى تطوير الحدادة وتكنولوجيا المعادن.

التطور الحديث (من 19 إلى أوائل القرن العشرين):

1806: تم حفر أول بئر قضيب زنبركي مسجل في الولايات المتحدة على عمق 58 قدما ، مما وضع الأساس لحفر قضيب الزنبرك في صناعة النفط.

1821: تم حفر أول بئر في الولايات المتحدة مخصص للحصول على الغاز الطبيعي في فريدونيا ، نيويورك. 1825: تم تسجيل براءة اختراع لرافعة ذات أربعة أرجل ، والهيكل مصنوع من الخشب المربع.

1844: اخترع برونتون أول مثقاب صدمي ميكانيكي ، والذي يستخدم الهواء المضغوط لإحداث تأثير. 1861: ستيفن س. اخترع ستيفن أ. مورس المثقاب الملتوي وحصل على براءة اختراع في عام 1863. تحسن تصميمه على مثقاب المجرفة غير الفعال في ذلك الوقت ، حيث حمل الرقائق بعيدا عن نهاية القطع من خلال أخدود حلزوني ، مما يقلل من الانسداد ويحسن جودة القطع. منذ ذلك الحين ، لم يتغير التصميم الأساسي للماس الملتوي كثيرا.

1863: أجرى بيتر سويني تحسينات كبيرة على تقنية الحفر الدوراني ، بناء على تصميم روبرت بيرت ، مما سمح بالحفر شبه المستمر وتحسين تنظيف الثقب. أوائل عام 1900 (صناعة النفط والغاز): ظهرت تقنية الحفر الدورانية ، باستخدام منصات الحفر التي تعمل بالبخار وقطع ذيل السمكة المسطحة البسيطة. تعمل لقم الثقب ذيل السمكة بشكل جيد في التكوينات الناعمة ولكنها تتآكل بسرعة في الصخور الصلبة.

1909: حصل هوارد هيوز الأب ووالتر شارب على براءة اختراع لمثقاب أسطواني ثنائي المخروط. يستبدل المثقاب مثقاب ذيل السمكة الحاد بمخاريط فولاذيين متشابكين مع بعضهما البعض ، ولكل منهما العديد من الأسنان أو الشفرات المضمنة فيه. عندما تدور لقمة الحفر ، يتدحرج المخروط بحرية على المحمل ويسحق الصخور بدلا من الكشط ، مما يحسن بشكل كبير من كفاءة الحفر في التكوينات المتوسطة إلى الصلبة.

1917: شكل المثقاب اليدوي الحديث ، بما في ذلك قبضة المسدس وزر البدء من نوع الزناد ، مشتق من براءة اختراع من قبل Black & Decker. 1933: تم تطوير لقم الأسطوانة ثلاثية المخروط ، مما يوفر تخفيضات أكثر كفاءة وتوازنا ، لتصبح العمود الفقري في منتصف القرن العشرين.

التطور الحديث (70s من القرن 20th حتى الوقت الحاضر):

1970 حتى الوقت الحاضر:تم إدخال لقم الثقب المركب الماسي متعدد الكريستالات (PDC) ، مما أحدث ثورة في تقنيات الحفر بمتانتها العالية وسرعة الحفر الميكانيكية العالية (ROP) ، خاصة بالنسبة للصخر الزيتي والتكوينات الكاشطة الأخرى. لا تحتوي لقم الثقب PDC على أجزاء متحركة وتحفر بسرعة كبيرة في العديد من التكوينات.

2000:إدخال أداة PDC المستقرة بالحرارة (TSP) يسمح لها بقطع الصخور الأكثر صلابة حتى في درجات الحرارة العالية.

معاصر:تجمع التدريبات الحديثة بين تقنية الأدوات المتقدمة وتصميم النمذجة ثلاثية الأبعاد وردود الفعل في الوقت الفعلي من خلال الأنظمة الرقمية. على سبيل المثال ، تعمل تقنية المحركات بدون فرش على تحسين قوة وطول عمر لقم الثقب. تسمح تقنية لقمة الحفر غير المرئية لقمة الحفر بالعمل بشكل أكثر استقامة ، وإنشاء ثقوب أفضل ، وارتداء القطعة بالتساوي لتقليل تكوين الرقائق. في عمليات التكسير ، تعمل الأدوات الهجينة على تبسيط عملية الحفر.

2. الخلفية وفرص الابتكار لتكنولوجيا طرف الحفر الحلزوني غير المحوري

ترجع خلفية الاكتشاف وفرص الابتكار بشكل أساسي إلى التعرف على قيود أداء لقم الثقب التقليدية والحاجة إلى دقة تصنيع أعلى وكفاءة وعمر أداة.

خلفية الاكتشاف:

تعقيد وقيود هندسة الحفر التقليدية:هندسة التدريبات الملتوية معقدة للغاية ، على الرغم من أنه منذ عام 1861 ستيفن ر. لم يتغير التصميم الأساسي بشكل كبير منذ اختراعه ، ولكن لا يزال هناك مجال للتحسين من حيث قوة القطع وعزم الدوران وتشكيل الرقائق وجودة الثقب. عادة ما تكون أطراف الحفر الملتوية التقليدية عبارة عن تصميم سطح حلزوني متحد المحور ، أي أن محور الوجه الحلزوني يتزامن مع محور جسم الحفر. يمكن أن يؤدي هذا التصميم إلى قوى قطع مفرطة ، وضعف إخلاء الرقائق ، وتآكل الأدوات غير المتكافئ ، ومشكلات جودة الثقب (على سبيل المثال ، التفريغ ، والنتوءات ، والتقطيع ، وما إلى ذلك) في ظل ظروف تصنيع معينة.

التحديات في مجال الحفر الدقيق:مع تطور تقنية التصغير ، يتزايد الطلب على الآلات الصغيرة التي يسهل اختراقها. تواجه لقم الثقب الصغيرة تحديات أكبر في عملية المعالجة ، مثل الكسر السهل ، وصعوبة إخلاء الرقائق ، وصعوبة التحكم في جودة الثقب. قد لا يلبي أداء القطع واستقرار التصاميم المحورية التقليدية متطلبات الدقة العالية تحت حجم لقم الثقب الصغيرة. تحسين قوى القطع ودرجة الحرارة والتآكل: أثناء عملية الحفر ، تعد قوى القطع ودرجة حرارة الأداة والتآكل من العوامل الحاسمة التي تؤثر على كفاءة المعالجة وعمر الأداة وجودة الثقب. يتطلع الباحثون إلى تقليل هذه العيوب من خلال تحسين هندسة طرف الحفر. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي تقليل طول طرف الحفر إلى تقليل قوة الحفر ودرجة حرارة الأداة والتآكل.

فرصة الابتكار:

التطورات في تقنيات النمذجة والمحاكاة الرياضية:مع التقدم في التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) وبرامج تحليل العناصر المحدودة (FEA) ، أصبح الباحثون قادرين على نمذجة ومحاكاة هندسة طرف الحفر المعقدة رياضيا بدقة أكبر. يسمح ذلك بالتنبؤ بتأثير أشكال هندسة طرف الحفر المختلفة على أداء القطع قبل التصنيع الفعلي ، مما يسرع من استكشاف التصميمات الجديدة والتحقق من صحتها. على سبيل المثال ، يتم حساب المعلمات الهندسية لطرف الحفر الحلزوني غير المحوري بواسطة برنامج MATLAB ، ويتم إجراء محاكاة الحفر الدقيق بواسطة برنامج DEFORM-3D.

فهم متعمق لتشكيل الرقائق وآليات إخلاء الرقائق:يكشف الخوض في آليات تكوين الرقائق والعقص والطرد أن تحسين مورفولوجيا الرقائق أمر بالغ الأهمية لتحسين أداء الحفر. يمكن لتصميم السطح الحلزوني غير المحوري تحسين أداء إخلاء الرقائق وتقليل انسداد الرقائق وتراكم الحرارة عن طريق تغيير الهندسة المتطورة للتأثير على تجعيد الرقاقة ومسار التفريغ. تحليل أنماط تآكل الأداة: من خلال تحليل مفصل لأنماط تآكل الأداة ، وجد أن أطراف الحفر التقليدية تتآكل أكثر في مناطق معينة من عملية القطع ، مثل زاوية شفة القطع والحافة المتقاطعة. تم تصميم التصميم غير المحوري لتحسين توزيع القوة في هذه المناطق الحرجة وإطالة عمر الأداة.

مخاوف بشأن عيوب جودة الثقب:دفعت عيوب جودة الثقب الشائعة أثناء الحفر ، مثل التفريغ ، والتقطيع ، والنتوءات ، وخشونة السطح ، الباحثين إلى استكشاف أشكال هندسية جديدة لطرف الحفر لتحسين هذه المشكلات. تساعد أطراف الحفر الحلزونية غير المحورية على تحسين سلامة الثقب وجودة السطح من خلال تحسين توزيع القوة والحرارة أثناء القطع.

تطوير تقنية الطحن باستخدام الحاسب الآلي: إن ظهور معدات التصنيع المتقدمة مثل آلات الطحن CNC ذات المحاور السداسية جعل من الممكن تصنيع لقم الثقب الدقيقة ذات الهندسة السطحية الحلزونية غير المحورية المعقدة ، وترجمة التصاميم النظرية إلى منتجات عملية.

باختصار ، يعتمد اكتشاف تقنية طرف الحفر الحلزوني غير المحوري على فهم عميق لاختناقات الأداء لقم الثقب التقليدية ، وبفضل تقنيات النمذجة والمحاكاة والتصنيع الرياضية المتقدمة ، فإنها تهدف إلى حل تحديات تصنيع محددة وتحقيق أداء حفر أعلى.

3. الهيكل الهندسي لطرف الحفر الحلزوني المحوري التقليدي وطرف الحفر الحلزوني غير المحوري

الفرق الهندسي الرئيسي بين طرف الحفر الحلزوني المحوري التقليدي ولقمة الحفر الحلزونية غير المحورية هو العلاقة بين محور السطح الحلزوني ومحور جسم لقمة الحفر.

1. مثقاب دوامة محورية تقليدية:

تعريف:يتزامن المحور الحلزوني للفلوت وحافة القطع للمثقاب الملتوي التقليدي مع المحور الرئيسي لقمة الحفر (أي محور جسم الحفر).

الميزات الهندسية:

الأخدود الحلزوني: حلزوني على طول محور مثقاب الحفر لإخلاء الرقائق وتوجيه سائل التبريد.

قطع الشفاه: يتكون من تقاطع الأخدود الحلزوني ومخروط طرف الحفر ، وهو جزء القطع الرئيسي.

حافة الإزميل: تقع في وسط طرف الحفر ، وتربط شفتين مقطوعة ، وعادة ما تكون المنطقة ذات القوة الأكبر للحفر.

زاوية النقطة: الزاوية بين شفتي القطع لطرف الحفر ، عادة 118 درجة و 135 درجة. 118 درجة للمعادن اللينة و 135 درجة للمواد الصلبة والحفر اليدوي.

زاوية الخلوص: الزاوية بين الجزء الخلفي من حافة القطع وسطح قطعة العمل لتقليل الاحتكاك.

التعقيد: على الرغم من بساطتها الظاهرة ، إلا أن أشكال الحفر الملتوية معقدة ، حيث يتضمن منطق القطع زوايا وأسطح متعددة. المزايا: هيكل بسيط نسبيا ، سهل التصنيع ، متعدد الاستخدامات ، يستخدم على نطاق واسع في حفر المواد المختلفة. القيود: في ظل بعض الظروف القاسية (مثل الحفر الدقيق ، ومعالجة المواد الصلبة) ، قد تكون هناك مشاكل مثل قوة القطع العالية ، وضعف إخلاء الرقائق ، وجودة الثقب الرديئة ، والتآكل السريع للأدوات.

2. غير محوري حلزوني الخاصرة الحفر الصغير:

تعريف:توجد زاوية (φ) بين المحور الحلزوني ومحور جسم الحفر لطرف الحفر الحلزوني غير المحوري ، أي أن محور السطح الحلزوني والمحور الرئيسي لقمة الحفر لا يتطابقان. غالبا ما يتم تطبيق هذا التصميم على لقم الثقب الدقيقة لتحسين أداء القطع.

الميزات الهندسية:

انحراف محور السطح الحلزوني:هذه هي الميزة الأساسية. من خلال تشكيل زاوية بين محور الوجه الحلزوني ومحور جسم الحفر ، يمكن تغيير هندسة حافة القطع ، وخاصة منطقة الحافة المتقاطعة وزاوية ميل شفة القطع.

الحافة المتقاطعة المحسنة:غالبا ما يتم الجمع بين التصميمات غير المحورية وتقنيات مثل "ترقق حافة الإزميل على شكل متقاطع". من خلال تقليل طول الحافة المتقاطعة ، يمكن تقليل قوى الحفر ودرجة حرارة الأداة والتآكل بشكل كبير. بالنسبة للتدريبات الصغيرة بدون حواف متقاطعة ، قد تكون درجات حرارة عزم الدوران والأداة أعلى وتنتج شرائط طويلة من الرقائق.

تعديل الهندسة المتطورة:يسمح هذا التصميم غير المحوري بتعديل أكثر مرونة لزاوية أشعل النار ، وزاوية ميل الشفة ، وسمك الرقاقة غير المقطوعة ، وعرض الرقاقة غير المقطوعة لحافة القطع ، مما يحسن عملية القطع.

يلخص الجدول التالي الاختلافات الرئيسية بين هندسيتي طرف الحفر:

تمثل تقنية طرف الحفر الحلزوني غير المحوري اتجاها تطويريا مهما في هندسة طرف الحفر ، ومن خلال التحكم الهندسي الدقيق ، يتم تحقيق تحسين أعمق لعملية الحفر.