BJC-II型特殊螺紋接頭加工工藝優(yōu)化

王 巍，李 游，彭建軍，溫善倫，童楠楠，任 勇，何彥輝，李代剛

（1.中國(guó)石油寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721008；2.成都工具研究所有限公司，成都 610500）

0 前 言

隨著油田開(kāi)發(fā)環(huán)境的變化，深井、超深井、高壓氣井、熱采井、大位移井等不同井況對(duì)油套管的連接強(qiáng)度和密封性提出了更高的要求。API長(zhǎng)圓螺紋密封性能低，螺紋連接強(qiáng)度約為管體的60%～80%，API偏梯形螺紋連接強(qiáng)度高，但密封性能較差，因此亟需研發(fā)和生產(chǎn)高性能特殊扣。目前管端特殊螺紋加工工藝的區(qū)別主要體現(xiàn)在切削規(guī)范及分刀工藝設(shè)計(jì)方面。特殊螺紋加工過(guò)程中，為了確保車削中圓弧、倒角、密封面的加工精度，特殊螺紋的加工效率普遍較低，產(chǎn)量?jī)H有100～120 根/班。本研究以P110鋼級(jí)Φ139.7 mm×9.17 mm 規(guī)格BJC-II 型特殊螺紋接頭加工為例，通過(guò)優(yōu)化加工方案、關(guān)鍵工序，開(kāi)發(fā)新型刀具、模塊化刀座，以及采用新切削工藝等方式，提升管端特殊螺紋加工效率，同時(shí)保證了加工質(zhì)量，為螺紋加工及實(shí)際生產(chǎn)提供一定參考。

1 管端特殊螺紋加工方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 特殊螺紋加工常用方案

在P110 鋼級(jí)Φ139.7 mm×9.17 mm 規(guī)格BJCII型特殊螺紋加工過(guò)程中，管體車絲機(jī)通過(guò)上下兩工位分別實(shí)現(xiàn)各車削刀具的分工及分布，通常上刀臺(tái)T1 工位是外圓刀刀座，T2 工位是密封面刀、螺紋刀復(fù)合刀座，下刀臺(tái)是外圓刀刀座。在車削過(guò)程中，車削工藝及流程依次為粗車密封面外圓、粗車外螺紋外圓、精車密封面、車螺紋、工位轉(zhuǎn)換。對(duì)2 個(gè)批次100 根管端加工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，加工切削時(shí)間見(jiàn)表1。

表1 管端特殊螺紋加工切削時(shí)間

1.2 特殊螺紋加工方案優(yōu)化及設(shè)想

一般在特殊螺紋加工時(shí)，僅依靠密封面刀、螺紋刀復(fù)合刀座上的一把螺紋刀具參與切削，且采用單齒螺紋梳刀進(jìn)行車削，無(wú)法實(shí)現(xiàn)螺紋的鏟扣功能，僅能在加工后采用手工修磨的方式去除首扣及不完整扣上存在的毛刺，加工效率較低。優(yōu)化方案考慮使用上、下雙螺紋刀進(jìn)行組合加工，同時(shí)在刀座設(shè)計(jì)上加入鏟扣工藝，將加工方案優(yōu)化為上下兩把螺紋刀、兩把外圓刀同時(shí)工作，再將三角形單齒螺紋刀具調(diào)整為方形三齒，可大幅提升螺紋加工效率，優(yōu)化后的加工刀座如圖1所示。

圖1 上下雙螺紋刀、雙外圓刀刀座示意圖

該刀座采用Capto C6方式連接，刀具分布為外圓刀和螺紋刀集合為一個(gè)刀座，外圓刀在前，螺紋刀在后，同時(shí)工作。在三齒梳刀刀座設(shè)計(jì)時(shí)，下刀臺(tái)螺紋刀進(jìn)行粗車或者半精車，上刀臺(tái)螺紋刀進(jìn)行精車，為了能夠車削出完整螺紋，必須合理設(shè)計(jì)兩個(gè)刀座的加工間隔，一方面可使螺紋重合不亂扣，另一方面還需形成合理的切削分配，最大限度提高刀具壽命。

1.3 優(yōu)化后特殊螺紋加工效率對(duì)比

加工刀座經(jīng)優(yōu)化后，特殊螺紋加工時(shí)，管體車絲機(jī)通過(guò)上下兩工位各車削刀具的分工及分布如下：上刀臺(tái)T1 工位為螺紋刀、外圓刀復(fù)合刀座，T2 為密封面刀、鏟齒刀、螺紋刀（備用）集成刀座；下刀臺(tái)為螺紋刀、外圓刀復(fù)合刀座。在車削過(guò)程中，車削工藝及流程依次為密封面粗車外圓、外螺紋粗車外圓、車螺紋、精車密封面、鏟扣。通過(guò)對(duì)5 個(gè)批次800 根管端螺紋加工數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其加工切削平均時(shí)間見(jiàn)表2。與傳統(tǒng)方案相比，新的加工方案效率提升約43.6%，主要體現(xiàn)在螺紋加工由原來(lái)的12刀減少為3刀，單把刀的吃刀量減少約75%，精車刀消耗量減少約33%，即便精車刀發(fā)生失效，其仍可用于螺紋粗加工。

表2 優(yōu)化后管端特殊螺紋加工切削時(shí)間

2 螺紋梳刀及刀座的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 螺紋梳刀的設(shè)計(jì)

一般特殊扣螺紋加工方案中，螺紋刀具使用三角形單齒結(jié)構(gòu)，定位裝夾穩(wěn)定，但在采用單齒螺紋梳刀進(jìn)行螺紋加工時(shí)，根據(jù)螺紋的加工效果及精度的要求，需要車削12 刀，這種方法的加工效率偏低，同時(shí)螺紋梳刀因車削12 刀，每刀的車削量較少，加速了刀具的磨損。刀具壽命為60 件/片，而三齒刀具的應(yīng)用可省去兩次刀具轉(zhuǎn)位時(shí)間，相比之下更加合理，成型梳刀結(jié)構(gòu)對(duì)比如圖2所示。

圖2 螺紋成型梳刀設(shè)計(jì)示意圖

上、下刀座粗、精螺紋刀均使用同款刀具，不做精車、粗車的區(qū)分，可更加有效地提升刀具的使用壽命，精車刀磨損后可當(dāng)作粗車刀進(jìn)行反復(fù)使用，也更加便于現(xiàn)場(chǎng)刀具的日常管理；上、下刀座組合走刀時(shí)，由于粗車部分車削量大，常規(guī)三齒刀具常出現(xiàn)打刀現(xiàn)象，因此，螺紋刀具切削分配需要均勻分布，粗車齒切削量控制在0.64 mm 左右，從而避免導(dǎo)向面吃刀時(shí)打刀或讓刀現(xiàn)象的發(fā)生。常規(guī)粗車切削和三齒刀具切削分配如圖3 所示。

圖3 常規(guī)粗車與三齒刀具切削分配示意圖

2.2 三齒梳刀刀座的設(shè)計(jì)

在單齒梳刀加工方案中，上、下雙外圓刀完成扒皮后，由于下刀臺(tái)固定，只能由上刀臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)換為螺紋刀和密封面刀的復(fù)合刀座，僅使用一把螺紋刀具即可完成螺紋加工，即粗、精一體切削，螺紋加工總計(jì)走12刀完成，實(shí)際切削深度約為1.9 mm，平均每刀約0.158 mm，平均單齒切深為0.158 mm。三齒梳刀方案主要采用兩把螺紋刀進(jìn)行加工，上下各一把，并配備外圓刀，便于在加工螺紋的同時(shí)解決外圓余量。

2.3 三齒梳刀刀座的切削設(shè)計(jì)

將上刀座（精車刀座）和下刀座（粗車刀座）上下分布，形成完整螺紋則必須預(yù)留半圈螺紋的距離，即半個(gè)螺距，二者螺紋刀的刀尖軸向距離則必須是螺距的整數(shù)倍加0.5倍，如0.5P、1.5P、2.5P、3.5P。當(dāng)上下螺紋刀尖間隔為1.5P或3.5P時(shí)，組合效果完全相同，1.5P間隔切削如圖4所示，各切削刃的切削量較為均勻，粗車為精車預(yù)留0.3 mm的切削余量；當(dāng)采用3.5P間距，刀體寬度增加會(huì)增加使用成本，因此，在刀座設(shè)計(jì)過(guò)程中，上、下刀座螺紋刀的刀尖軸向距離應(yīng)是螺距的1.5倍。

圖4 1.5P間隔切削分布示意圖

3 特殊螺紋三齒梳刀加工過(guò)程優(yōu)化

3.1 三齒梳刀刀座的去毛刺設(shè)計(jì)

上下三齒梳刀刀座安裝如圖5所示，采用三齒梳刀刀座加工時(shí)，因三齒梳刀刀座無(wú)去毛刺刀片，因此需要人工修磨螺紋首扣毛刺，使首扣平滑過(guò)渡無(wú)毛刺，由此增加了工作量。打磨過(guò)程中飛濺的灰塵也污染了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境，對(duì)操作人員的健康帶來(lái)了較大的傷害。此外，人工打磨較難保證首扣修磨質(zhì)量，從而會(huì)影響產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和合格率。

圖5 上下三齒梳刀刀座安裝示意圖

結(jié)合三齒梳刀刀座在實(shí)際生產(chǎn)中的使用情況，再將改造后精車刀座進(jìn)行改造，將前端扒皮刀改造為毛刺刀，如圖6所示，使用菱形刀片，利用刀尖使用鏟扣的加工方式去除首扣毛刺。具體操作方法為：按照螺紋切削的方向，沿著首扣位置向前，刀尖靠近螺紋毛刺面進(jìn)行首扣毛刺去除加工，達(dá)到螺紋首扣毛刺自動(dòng)清除的效果。

圖6 改造前后精車刀座實(shí)物對(duì)比

3.2 去除毛刺加工程序的優(yōu)化

在加工過(guò)程中，程序中G33 CLIPPING 執(zhí)行進(jìn)刀指令后，鏟去大部分首扣螺紋，但仍殘留部分毛刺。為了徹底清除毛刺，可通過(guò)設(shè)計(jì)梯形退刀循環(huán)程序，當(dāng)G33 CLIPPING 執(zhí)行進(jìn)刀指令后，沿z方向縮小退刀長(zhǎng)度，從而增大退刀角度，退刀角度由原來(lái)的45°增大為120°，同時(shí)通過(guò)不斷試驗(yàn)，確認(rèn)梯形走、退刀循環(huán)次數(shù)，實(shí)現(xiàn)毛刺的完全清除。去除毛刺前后對(duì)比如圖7 所示。

圖7 首扣去除毛刺前后對(duì)比

優(yōu)化去除毛刺程序后，整體加工時(shí)間增加，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算優(yōu)化后的100 根管端螺紋加工數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，去除毛刺工序時(shí)間增加5 s。由于整體加工工藝的變更，刀塔工位的轉(zhuǎn)換增加了4次，耗費(fèi)時(shí)間12 s，由表1 和表2 可知，加工時(shí)間由原來(lái)的165 s 減少至110 s，整體加工效率比原工藝提升約33.3%。

3.3 去除毛刺刀座模塊化設(shè)計(jì)

三齒梳刀刀座設(shè)計(jì)方案中，只考慮了螺紋刀具與密封面刀具，未對(duì)鏟齒刀具進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)密封面刀位置固定，不便于后續(xù)刀桿的集成化改造。針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了螺紋刀具、密封面刀具以及鏟齒刀具相結(jié)合的新型集成式刀座，其中密封面刀和鏟齒刀集成為一個(gè)小刀塊，可以實(shí)現(xiàn)拆卸和更換，當(dāng)需要安裝不同規(guī)格的刀具或者其他刀具時(shí)，不需要新做刀座。改進(jìn)前后刀座實(shí)物如圖8所示。

圖8 改進(jìn)前后去除毛刺刀座實(shí)物對(duì)比

4 結(jié) 論

（1）單齒梳刀變?yōu)槿X梳刀后，可有效降低梳刀打刀及刀具磨損，更有利于螺紋的加工，從而提高螺紋加工效率。

（2）特殊螺紋加工工藝中，上下兩把梳刀刀頭錯(cuò)位加工可有效提高加工效率，也可避免因螺紋梳刀打刀造成的影響，從而提升產(chǎn)品合格率。螺紋粗、精加工梳刀的統(tǒng)一，可提高刀具的使用壽命。

（3）去除毛刺刀座模塊化應(yīng)用，可減少不必要的走刀及刀塔旋轉(zhuǎn)時(shí)間，能夠提高螺紋加工效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量。