耐高溫高壓固井工具螺紋加工技巧及常見(jiàn)問(wèn)題分析

黃鉆，鄧明，孔博，張振峰

1德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司；2成都工具研究所有限公司

1 引言

石油作為重要的不可再生資源和戰(zhàn)略儲(chǔ)備物資，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用與功能，經(jīng)提煉生產(chǎn)的各類產(chǎn)品早已廣泛應(yīng)用到人們生活中。在我國(guó)，隨著大規(guī)模石油勘探開(kāi)發(fā)的持續(xù)，油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)進(jìn)度緩慢，開(kāi)采難度越來(lái)越大，導(dǎo)致我國(guó)油氣能源對(duì)外依存度不斷攀升。

伴隨廉價(jià)易采石油資源的枯竭，油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)逐步邁向超深井和高溫高壓井，對(duì)開(kāi)采所用工具的材質(zhì)要求越來(lái)越高。高溫高壓石油開(kāi)采工具主要以鎳基高溫合金材料為主，該類材料具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和組織穩(wěn)定性，良好的延展性和韌性，因而能保持較好的機(jī)械強(qiáng)度，并成為超深井和高溫高壓井工具的常用材料之一。然而，鎳基高溫合金因硬度大、強(qiáng)度高、耐熱耐壓、導(dǎo)熱性差以及加工硬化傾向大，給攻螺紋加工帶來(lái)挑戰(zhàn)[1-3]。

螺紋連接作為零件之間的主要聯(lián)接方式之一，因制造簡(jiǎn)單、連接可靠和拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。螺紋加工可分為車削、磨銑、攻套和滾壓等多種加工形式，對(duì)于小尺寸內(nèi)外螺紋加工，攻套加工是較常見(jiàn)的加工方法，也是應(yīng)用較為廣泛一種螺紋加工方法[2]。

2 螺紋加工難點(diǎn)分析

鎳基高溫合金以鎳為基體，鎳含量約為65%，并含有鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼和鋯等多種元素。其主要加工難點(diǎn)有：①鎳基高溫合金比奧氏體不銹鋼堅(jiān)硬，加工硬化十分明顯，在切削熱和應(yīng)力作用下，鎳基高溫合金的組織會(huì)發(fā)生金相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生強(qiáng)化和硬化現(xiàn)象，加工切削區(qū)域的切應(yīng)力大幅增加，并使總加工切削力增加，加劇刀具磨損；②鎳基高溫合金導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，為12.3～171W/(m·K)，尤其是螺紋加工時(shí)產(chǎn)生的熱量70%～80%需要切屑帶走，由于該材料的導(dǎo)熱率低，切屑帶走的熱量相對(duì)較少，進(jìn)而使刀具壽命變短；③鎳基高溫合金的塑性高，加工時(shí)切屑不易卷曲或折斷，不利于排屑，易發(fā)生黏刀，影響已加工表面的質(zhì)量，從而造成已加工表面粗糙度低，且加快刀具磨損；④與常規(guī)工具相比，高溫高壓固井工具內(nèi)孔螺紋設(shè)計(jì)要求螺紋深、精度要求高(靠螺紋和錐面密封)等特點(diǎn)，因此，在鎳基高溫合金螺紋加工中，螺紋絲錐易發(fā)生斷裂、崩齒及磨損過(guò)快，導(dǎo)致中徑超差及表面粗糙度大等問(wèn)題，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率[4，5]。

3 螺紋加工方法與技巧

螺紋加工方法一般有兩種：手攻螺紋和機(jī)攻螺紋。

3.1 手攻螺紋

在鎳基高溫合金螺紋加工中手攻螺紋占有絕對(duì)地位。實(shí)際生產(chǎn)中，因鎳基高溫合金的金屬特性以及某些不規(guī)則零件的螺紋孔位置受限，不能用機(jī)械加工完成。而且小孔徑螺紋加工時(shí)，因直徑小、絲錐強(qiáng)度低和排屑困難等原因，會(huì)造成機(jī)攻螺紋時(shí)絲錐容易折斷，因此，鎳基高溫合金小尺寸螺紋加工常采用手工進(jìn)行。手攻螺紋的質(zhì)量取決于操作者的技能水平，需要采用合適的切削參數(shù)、合理的裝夾工裝與夾具來(lái)提高螺紋加工質(zhì)量。

(1)工件裝夾

將工件需要攻螺紋的一面水平放置并夾持于平臺(tái)或臺(tái)鉗上，放置在鉆床的軌道面上，確保待加工工件裝夾裝正和牢固，方便觀察與測(cè)量。

(2)手攻螺紋絲錐定位與旋入

常規(guī)手工攻螺紋定位方法受人為因素影響較大，可以采用鉆床輔助定位。在確保鉆床主軸相對(duì)工件垂直時(shí)，用鉆夾頭夾緊絲錐，利用絲錐自定位導(dǎo)向功能，慢速旋轉(zhuǎn)(主軸轉(zhuǎn)速控制在40r/min)。當(dāng)絲錐切削工件的切削力大于鉆夾頭夾持絲錐的夾緊力時(shí)，絲錐會(huì)相對(duì)于工件處于靜止的非工作狀態(tài)，此時(shí)可反向退出絲錐，采用人工攻螺紋。

在進(jìn)行手動(dòng)螺紋加工前，可以采用直角尺測(cè)量絲錐是否與工件基準(zhǔn)面垂直(見(jiàn)圖1)。如果有偏差(見(jiàn)圖1b和圖1c)，必須退出絲錐，使用二錐校正后方可繼續(xù)攻螺紋。當(dāng)絲錐旋進(jìn)時(shí)，一般每次旋進(jìn)不大于1/2轉(zhuǎn)，再后退1/2～1轉(zhuǎn)，依次旋進(jìn)；加工盲孔時(shí)，為了保證螺紋質(zhì)量和提高絲錐使用壽命，可使用切削液和肥皂水(起冷卻潤(rùn)滑作用)，并每進(jìn)給2～3mm退出絲錐1次，使用高壓氣槍吹出碎屑，防止發(fā)生擠屑現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

圖1 采用直角尺測(cè)量絲錐垂直度

(3)手攻螺紋絲錐旋出

由于鎳基高溫合金易黏刀，完成螺紋加工退出絲錐時(shí)，必須保持絲錐垂直，慢速輕退?？捎檬持负椭兄笂A持絲錐保持垂直，輕輕向上稍微用力托起螺紋鉸杠，避免其旋轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)，避免劃傷螺紋和降低工件表面粗糙度。

(4)手攻螺紋的鉆削力控制

鎳基高溫合金手動(dòng)攻螺紋加工的用力要求較高。首先，要選用尺寸正確的螺紋鉸杠，均勻向下用力并轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋鉸杠，同時(shí)保持身體平衡，避免出現(xiàn)螺紋垂直度偏差、螺紋牙型粗糙和絲錐崩齒現(xiàn)象。如果在整個(gè)攻螺紋過(guò)程出現(xiàn)力度越來(lái)越大的情況，應(yīng)立即退出絲錐，查找原因，并檢查絲錐切削刃，排除切屑的影響，或者使用二錐絲錐進(jìn)行攻削，再使用頭錐手攻螺紋，否則會(huì)造成絲錐折斷。

(5)套裝絲錐應(yīng)用

在加工精度要求較高的手攻螺紋加工中，使用套裝絲錐以減小手攻螺紋的阻力和絲錐折斷的風(fēng)險(xiǎn)。如果加工螺紋尺寸≥M24或螺距≥3mm時(shí)，建議選用套裝絲錐分批次完成切削加工，以降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高加工精度。

3.2 機(jī)攻螺紋方法與技巧

由于手攻螺紋的質(zhì)量不穩(wěn)定且效率較低，在批量化生產(chǎn)時(shí)一般采取機(jī)攻螺紋，以提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。但是，在實(shí)際生產(chǎn)操作過(guò)程中，必須正確使用生產(chǎn)設(shè)備和工裝夾具，合理選用機(jī)用絲錐，方可保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

(1)機(jī)攻螺紋設(shè)備要求

機(jī)攻螺紋優(yōu)先選用立式機(jī)床，也可根據(jù)工件實(shí)際加工位置選擇其它型號(hào)機(jī)床。機(jī)床精度對(duì)攻削螺紋有很大影響，需保證主軸徑向跳動(dòng)小于0.02mm，夾具與主軸的垂直度小于0.03mm/100mm，螺紋底孔與主軸的同軸度小于0.05mm，以確保加工出合格的螺紋。

(2)機(jī)攻螺紋絲錐選擇

加工鎳基高溫合金優(yōu)先選用鍍鈦涂層合金絲錐，該絲錐具有良好的涂層硬度和潤(rùn)滑性。根據(jù)加工孔的類型(通孔和盲孔)合理選擇不同形狀絲錐，進(jìn)行通孔螺紋加工時(shí)，優(yōu)先選用螺尖絲錐，因其在直槽一側(cè)的切削刃開(kāi)有斜槽，方便切屑順著進(jìn)刀方向向下排出，不會(huì)出現(xiàn)擠屑現(xiàn)象，可以提高螺紋表面加工質(zhì)量，且絲錐不易折斷，延長(zhǎng)絲錐使用壽命；進(jìn)行盲孔螺紋加工時(shí)，優(yōu)選螺旋角較大的螺旋槽絲錐，其切削刃鋒利，合金切屑能沿螺旋槽順利排出，不會(huì)因碎屑留在孔底而影響加工深度，也能減輕因碎屑擠壓造成的扭矩增大，避免折斷絲錐[7]。

(3)機(jī)攻螺紋方式與技巧

為了保證鉆床主軸與工件的定位精度，特別設(shè)計(jì)制作了機(jī)攻螺紋專用工裝(見(jiàn)圖2)。工裝錐柄與鉆床主軸錐柄一致，使軸向/徑向的變性趨向于0，并用四個(gè)平頭螺栓緊固工裝與絲錐，以避免螺紋孔變大產(chǎn)生橢圓和螺紋不均等情況。

圖2 機(jī)攻螺紋專用工裝

在螺紋加工定位中，因采用絲錐的導(dǎo)錐自行找正，所以進(jìn)給應(yīng)緩慢，給力要輕；當(dāng)絲錐的主切削刃完全進(jìn)行切削時(shí)，可不再施加外力，通過(guò)主軸的旋轉(zhuǎn)和螺紋的自然旋入進(jìn)行自動(dòng)切削，防止進(jìn)給力過(guò)大造成擠壓，使螺紋變形和牙型變瘦；攻盲孔反轉(zhuǎn)退出時(shí)，絲錐的校準(zhǔn)部分不能全部露出，否則會(huì)造成螺紋亂扣現(xiàn)象。

鎳基高溫合金機(jī)攻螺紋加工的切削速度比一般合金鋼的取值低，以加工M8螺紋為例，切削速度v=1～1.5m/min，轉(zhuǎn)速為40～60r/min，切削速度和轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)造成螺紋劃傷和絲錐折斷；如果過(guò)低，則失去采用機(jī)攻螺紋提高生產(chǎn)效率的意義。

(4)機(jī)攻螺紋冷卻

采用機(jī)攻螺紋加工鎳基高溫合金時(shí)，合理選擇冷卻液非常重要，可以減少摩擦、提高表面粗糙度值、增加潤(rùn)滑和減小絲錐咬死的可能性。經(jīng)過(guò)不斷試用與篩選，有兩種方案對(duì)鎳基高溫合金機(jī)攻螺紋加工的冷卻、潤(rùn)滑和清洗效果相對(duì)較好：①采用濃度較大的硫化油，添加15%～20%的四氯化碳；②采用美孚242冷卻液，按照20%～25%標(biāo)準(zhǔn)源加自來(lái)水。

4 螺紋加工常見(jiàn)問(wèn)題與對(duì)策

相比常規(guī)合金鋼螺紋加工，鎳基高溫合金高溫高壓固井工具的螺紋加工更容易出現(xiàn)絲錐斷裂、崩齒、磨損過(guò)快、螺紋中徑超差以及表面粗糙度大等情況，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累，文獻(xiàn)[8]對(duì)這些常見(jiàn)問(wèn)題產(chǎn)生的原因及解決方法進(jìn)行了總結(jié)與分析，提出了相應(yīng)的對(duì)策，以減少生產(chǎn)事故、提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.1 螺紋絲錐斷裂、崩齒和磨損過(guò)快問(wèn)題

(1)絲錐易折斷

原因：加工螺紋底孔時(shí)，因底孔直徑偏小，加工余量大，排屑不順暢易造成堵塞；加工盲孔螺紋時(shí)，鉆盲孔的深度沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求；螺紋切削速度高，轉(zhuǎn)速過(guò)快；使用的螺紋絲錐與螺紋底孔同軸度偏差過(guò)大；單個(gè)絲錐加工工件過(guò)多，切削刃過(guò)度磨損。

對(duì)策：按照加工要求嚴(yán)格執(zhí)行底孔直徑和盲孔深度加工，增加檢驗(yàn)測(cè)量工序，確保加工尺寸符合要求；合理選用切削速度，穩(wěn)步從低到高進(jìn)行提升；及時(shí)校正、檢測(cè)絲錐與底孔，保持絲錐與底孔的垂直度<0.02mm/100mm，并選用帶過(guò)載保護(hù)器的夾具夾持絲錐；頻繁觀察絲錐磨損狀況，并及時(shí)更換。

(2)絲錐崩齒

原因：絲錐的前角過(guò)大，雖然在一定程度上能降低切削阻力，但絲錐齒尖的強(qiáng)度和螺紋加工時(shí)的穩(wěn)定性也會(huì)隨前角的增大而降低；絲錐齒淬火硬度過(guò)高導(dǎo)致塑性變形下降，絲錐切削刃不鋒利，磨損嚴(yán)重。

對(duì)策：減小絲錐切削刃的前角，提高其強(qiáng)度；降低絲錐淬火硬度，縮短絲錐更換時(shí)間。

(3)絲錐磨損過(guò)快

原因：螺紋加工時(shí)，切削速度過(guò)高或轉(zhuǎn)速過(guò)快；切削液使用不及時(shí)或牌號(hào)選擇不恰當(dāng)；刃磨絲錐時(shí)操作不當(dāng)，造成絲錐燒傷產(chǎn)生退火或刃磨角度參數(shù)不合適。

對(duì)策：選用正確的切削參數(shù)進(jìn)行螺紋加工；使用合適的切削液并增加切削液沖洗壓力；刃磨絲錐時(shí)要控制好刃磨參數(shù)，采用間歇式刃磨方法，避免絲錐過(guò)熱。

4.2 螺紋中徑超差

螺紋中徑是控制螺紋連接質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一，也是控制螺紋互換性的主要因素之一，主要指螺紋母線通過(guò)螺紋齒上凸起和凹陷溝槽兩者寬度相等的假想螺紋實(shí)際直徑，因此，螺紋中徑公差要嚴(yán)格控制，不能過(guò)大或過(guò)小。

(1)螺紋中徑加工過(guò)大

原因：絲錐的精度等級(jí)選擇不符合要求；切削液使用效果不佳；螺紋加工的切削速度過(guò)高或轉(zhuǎn)速過(guò)快；絲錐主體與被加工工件的螺紋底孔同軸度超差；絲錐的刃磨參數(shù)不合適；絲錐切削刃不夠鋒利。

對(duì)策：選擇高等級(jí)精度的絲錐(可以提高一個(gè)等級(jí))；使用合適的切削液，并降低螺紋加工時(shí)的切削速度，增加切削液沖洗壓力；及時(shí)校正絲錐和被加工螺紋底孔的同軸度，確保加工過(guò)程不超差；機(jī)攻螺紋選用浮動(dòng)夾頭；及時(shí)更換絲錐，確保絲錐切削刃保持鋒利。

(2)螺紋中徑加工過(guò)小

原因：絲錐的精度等級(jí)選擇不符合要求；絲錐的刃磨參數(shù)不合適；絲錐切削刃不夠鋒利；切削液使用效果不佳。

對(duì)策：選擇高等級(jí)精度絲錐(可以提高一個(gè)等級(jí))；絲錐時(shí)刃磨要控制好刃磨參數(shù)，確保刃磨出的絲錐切削刃鋒利；及時(shí)更換絲錐，確保絲錐切削刃保持鋒利；使用潤(rùn)滑性好的切削液，并增加切削液的流動(dòng)性。

4.3 螺紋表面粗糙度過(guò)大

原因：絲錐刃磨參數(shù)不當(dāng)，導(dǎo)致切削刃不鋒利；切削液使用不當(dāng)，潤(rùn)滑不及時(shí)；切削速度過(guò)快，轉(zhuǎn)速過(guò)高；絲錐超限使用，磨損嚴(yán)重；絲錐沒(méi)能與螺紋底孔保持同軸度。

對(duì)策：加大絲錐前角，降低切削阻力；選擇潤(rùn)滑性好的切削液并及時(shí)補(bǔ)充；對(duì)比和優(yōu)化切削參數(shù)；實(shí)時(shí)檢查攻螺紋的阻力，及時(shí)更換絲錐；實(shí)時(shí)檢查絲錐與螺紋底孔的同軸度，確保同軸度<0.05mm[13]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中高溫高壓固井工具螺紋加工的探索，詳細(xì)介紹了高溫高壓固井工具螺紋加工的技巧及常見(jiàn)問(wèn)題對(duì)策，使高溫高壓固井工具螺紋的加工具有一定借鑒意義。隨著高溫高壓固井工具的廣泛應(yīng)用，其加工方法仍需進(jìn)一步探索，并通過(guò)不斷技術(shù)攻關(guān)，使高溫高壓固井工具的加工質(zhì)量和加工效率越來(lái)越高。