API 油管螺紋數(shù)控車(chē)床加工方法及加工缺陷簡(jiǎn)析

劉 琪 王 澤 李卓昱

（長(zhǎng)慶油田分公司機(jī)械制造總廠，西安 710201）

1 API 油管螺紋的數(shù)控車(chē)床加工

1.1 API 油管螺紋特點(diǎn)

API 油管螺紋相對(duì)普通螺紋具有自密封、拆性好、連接強(qiáng)度高等特點(diǎn)[1]。在1:16 的圓錐體上分布著它的牙型，技術(shù)要求高加工難度較大。以生產(chǎn)常用2 7/8″TBG 油管螺紋為例：牙型角60°，螺距2.54mm，原始三角形高度2.2mm，牙型高度1.412mm。常加工產(chǎn)品材料硬度HB260 ～320，硬度較高，加工難度大。通過(guò)壓力試驗(yàn)驗(yàn)證API 油管螺紋可靠性，試驗(yàn)過(guò)程中需要使用規(guī)定的螺紋密封脂，緊固后在規(guī)定時(shí)間內(nèi)最小靜水壓試驗(yàn)壓力下無(wú)滲漏現(xiàn)象。常用試驗(yàn)壓力為25 ～70MPa，在30min 內(nèi)無(wú)滲漏。

1.2 API 油管螺紋加工尺寸分析、計(jì)算

以加工油管短接（圖1）為例，使用沈陽(yáng)機(jī)床廠CW6163數(shù)控車(chē)床和FANUC 數(shù)控操作系統(tǒng)。

由圖1 可知，此零件兩頭均是2 7/8″TBG 油管螺紋，它的加工工藝可以定為先加工外圓、內(nèi)孔到圖示尺寸，車(chē)1:16 外錐留適量余量，最后使用專用梳刀在數(shù)控車(chē)床上加工API 油管螺紋。由于數(shù)控加工采用的是螺紋末端尺寸編程，需查油管圓螺紋牙型尺寸（如表1 和表2 所示），獲得相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行程序編輯。其中，hn（hs)為牙型高度；Srn（Srs)為牙型截底高；Scn（Scs)為牙型截頂高；P 為螺距；D 為油管螺紋中徑；Q 為油管孔直徑；L4為油管螺紋加工長(zhǎng)度；d2為油管端面螺紋大徑；d3為油管端面螺紋小徑；D4為接箍端面螺紋大徑；D5為接箍端面螺紋小徑。查表1 和表2 可得：螺紋大端大徑D4=73.02mm，螺紋長(zhǎng)度L=52.40mm，螺紋小端大徑d4=D4-L/16=69.7450mm，牙型高h(yuǎn)=1.4122mm，螺紋底徑d=D4-2h=73.02-2×1.4122=70.1956mm。

圖1 油管短接示意圖

表1 油管圓螺紋牙型高度尺寸

表2 平式油管螺紋尺寸表

螺紋加工的起刀點(diǎn)一般設(shè)在螺紋端面外3 ～5mm 處。由于采用三齒梳刀片加工，因此用三齒螺距長(zhǎng)度+3mm 設(shè)為起刀點(diǎn)，取整數(shù)為10mm。起刀點(diǎn)處的尺寸為：

用R 表示螺紋加工徑向起始端尺寸與螺紋徑向終端尺寸的一半，即：

車(chē)削分刀時(shí)，進(jìn)刀量第一刀可以大一些，以后逐步減小[2]。第一刀進(jìn)刀量為0.8 ～1.5mm，最后一刀進(jìn)刀量不應(yīng)小于0.1mm。每層背車(chē)刀量根據(jù)加工情況可適當(dāng)調(diào)整，據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出第一刀為ΔD，第二刀為，第n 刀為，吃刀量依次遞減（此法僅供參考）。圖2 為用3 齒梳刀車(chē)削2 7/8″TBG 油管螺紋的切削分層圖。

油（套）管圓螺紋牙型及手緊上緊基本尺寸如圖3 所示。其中，牙型傾斜角為ψ=1°47′24″=1.79°，圓錐度為2tanψ=0.0625。

圖2 用3 齒梳刀車(chē)削2 7/8″TBG 油管螺紋的切削分層圖

圖3 油（套）管圓螺紋牙型

1.3 編制數(shù)控加工程序

在2 7/8″TBG 油管螺紋加工過(guò)程中，只有每刀加工尺寸發(fā)生變化，其余參數(shù)均未發(fā)生改變，所以可以編成一個(gè)車(chē)螺紋的子程序。循環(huán)過(guò)程如圖4 所示。

螺紋加工過(guò)程中，每次切削的余量逐漸減少。為了保障API 油管螺紋加工表面粗糙度，最后一刀為精車(chē)，余量最小[3]。

2 7/8″TBG 油管螺紋車(chē)削數(shù)控程序如下：

M44

M03S420

T0101

G00X69.12Z10

G01X73.02Z-52.4F0.35

G00Z3.0

圖4 循環(huán)過(guò)程

G00X63.0

G01X72.0Z-8.5F0.2

G00Z200.0

G00X200.0

M03S400

T0303

G00X100.0Z10.0

G92X72.3Z-52.40R-1.95F2.54

X71.745

X71.345

X71.045

X70.8

X70.55

X70.35

X70.196

G00X200.Z200.0

M05

M30

2 API 油管螺紋常見(jiàn)缺陷及解決方法

在API 油管螺紋加工過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)錯(cuò)誤、刀具磨損和機(jī)床磨損等因素會(huì)造成工件與刀具間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，影響螺紋的加工質(zhì)量，影響生產(chǎn)進(jìn)度，需要得到及時(shí)解決。

2.1 扎刀

2.1.1 刀具安裝不合適

當(dāng)?shù)毒甙惭b過(guò)高加工到一定深度時(shí)，刀具后刀面會(huì)與加工面接觸，使摩擦力增大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成零件變形出現(xiàn)扎刀情況；當(dāng)?shù)毒甙惭b過(guò)低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)排屑不暢，刀具受力方向是零件的中心，如果橫進(jìn)絲杠與螺母的間隙過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致加工深度不斷變深，零件被抬起出現(xiàn)扎刀。出現(xiàn)以上兩種情況時(shí)需要及時(shí)調(diào)整刀具的高度，保障刀尖與零件的軸線高度相同。在粗加工和半精加工時(shí)，刀尖高度比零件中心高出1%的零件直徑較為適宜。

2.1.2 零件未裝夾牢固

零件未裝夾牢固會(huì)導(dǎo)致切削力超出自身剛性承受能力，撓度過(guò)大，導(dǎo)致零件被抬高，造成加工深度突然增大出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象，這時(shí)應(yīng)該增加工件剛性，將零件裝夾牢固，必要時(shí)可以使用頂尖、尾座等輔具。

2.1.3 刀具磨損嚴(yán)重

刀具磨損嚴(yán)重會(huì)增大刀具與零件的摩擦力，降低切削性能，進(jìn)而導(dǎo)致零件變形出現(xiàn)扎刀，此時(shí)應(yīng)及時(shí)更換刀片。

2.1.4 切削用量不合理

刀具切削量和切削速度過(guò)大，會(huì)出現(xiàn)扎刀現(xiàn)象，因此需要根據(jù)零件剛性和API油管螺紋螺距選擇適當(dāng)?shù)募庸ち俊?/p>

2.2 亂扣

2.2.1 數(shù)控車(chē)床主軸編碼器同步傳動(dòng)皮帶磨損

當(dāng)數(shù)控車(chē)床主軸編碼器同步傳動(dòng)皮帶磨損時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)不能檢測(cè)到真實(shí)的轉(zhuǎn)速。由于主軸轉(zhuǎn)速恒定不變，X 軸或Y 軸的移動(dòng)速度是按照加工螺距大小和主軸轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)整的，在加工時(shí)會(huì)出現(xiàn)X軸或Y軸的移動(dòng)速度與主軸不同步[4]。刀具移動(dòng)的距離不是一個(gè)螺距，加工到第二刀車(chē)削時(shí)，螺紋會(huì)出現(xiàn)亂扣，需要及時(shí)更換主軸同步皮帶。

2.2.2 數(shù)控程序編制不正確

數(shù)控車(chē)床是通過(guò)數(shù)控程序來(lái)保障螺紋加工過(guò)程中刀具的移動(dòng)。在加工過(guò)程中必須使后一刀的起刀點(diǎn)與前一刀的起刀點(diǎn)位置重合，確定數(shù)控程序每段的導(dǎo)程相同，才不會(huì)出現(xiàn)亂扣。實(shí)際生產(chǎn)中，會(huì)出現(xiàn)前后導(dǎo)程不一致而導(dǎo)致亂扣[5]，這就要求編制數(shù)控程序人員加工前反復(fù)核對(duì)，保證數(shù)控程序的正確率。

2.2.3 X 軸或Y 軸絲杠磨損嚴(yán)重

刀具移動(dòng)的距離與數(shù)控程序給出數(shù)據(jù)不同步，將導(dǎo)致產(chǎn)生亂扣的現(xiàn)象，此時(shí)需要及時(shí)更換X 軸或Y 軸絲杠。

2.3 螺紋表面粗糙度超差

2.3.1 刀尖產(chǎn)生積屑瘤

積屑瘤可以代替刀尖切削，但切削過(guò)程不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致工件表面高低不平，增大表面粗糙度。合理選擇刀具的加工參數(shù)，同時(shí)選用合適的切削液，可以降低積屑瘤的產(chǎn)生。

2.3.2 刀桿剛性不足

加工會(huì)產(chǎn)生刀具顫動(dòng)，降低表面粗糙度。這時(shí)應(yīng)該選用剛性更好的刀桿，同時(shí)盡量減少刀桿的伸出長(zhǎng)度。

2.3.3 車(chē)刀徑向前角過(guò)大

徑向前角過(guò)大會(huì)使徑向阻力增大而產(chǎn)生振動(dòng)，使表面粗糙度值變大。適當(dāng)減小車(chē)刀徑向前角，可以提高螺紋表面粗糙度。

2.3.4 加工量不足或排屑方向不對(duì)

在高速鋼刀具加工螺紋時(shí)，加工量小于0.1mm 會(huì)出現(xiàn)壓不住刀的情況，導(dǎo)致表面粗糙度降低。排屑接觸已加工螺紋表面時(shí)，會(huì)拉毛已加工螺紋表面，加工最后一刀加工量一定要大于0.1mm，并使切屑沿垂直軸線方向排出。

2.3.5 加工量過(guò)大

當(dāng)加工量過(guò)大時(shí)，刀具在加工過(guò)程受力超過(guò)刀桿承受能力時(shí)，將導(dǎo)致刀具震動(dòng)，使表面粗糙度值變大，應(yīng)該根據(jù)待加工零件的剛性選擇合理的切削用量。

2.4 牙型不正確

2.4.1 刀具選擇錯(cuò)誤

選用加工刀具時(shí)，應(yīng)選擇標(biāo)準(zhǔn)的符合加工螺紋螺距的螺紋梳刀進(jìn)行加工。例如，當(dāng)選用傳統(tǒng)刃磨式刀具時(shí)，應(yīng)使用磨床正確刃磨車(chē)刀刀尖，以保證加工質(zhì)量。

2.4.2 刀具安裝方法不正確

裝夾刀具時(shí)應(yīng)使用樣板對(duì)刀，或使用百分表找正刀桿。

2.4.3 刀具磨損

根據(jù)零件的加工硬度和加工量，合理選擇加工參數(shù)，實(shí)時(shí)檢測(cè)螺紋加工情況，及時(shí)更換成型螺紋梳刀或刃磨刀具。

3 結(jié)語(yǔ)

數(shù)控車(chē)床常用插補(bǔ)原理來(lái)加工API 油管螺紋，提高螺紋加工精度和加工效率。形成螺紋缺陷的因素有刀具、設(shè)備和操作人員等，在生產(chǎn)實(shí)踐中要根據(jù)具體缺陷進(jìn)行分析，找出癥結(jié)所在，采用正確的處置措施，才能保證API 油管螺紋的加工質(zhì)量和使用性能。