數(shù)控車床修復鉆具螺紋的研究

王霄鵬，馬 曄，高季楓，趙 晗，朱 紅，檀雨葭

（中國石油渤海鉆探工程有限公司管具技術(shù)服務分公司，河北滄州 062550）

0 引言

石油鉆具在鉆井過程中受力復雜、載荷大，其連接的螺紋容易磨損、牙型變形，若不及時修復容易引發(fā)脫落、刺漏等鉆具失效事故。因鉆具管材抗拉抗扭性能優(yōu)良、購買價格高，為提高鉆具使用壽命、節(jié)約成本，鉆具螺紋一般采取修復而不是切除。

1 石油鉆具螺紋修復的一般方法

石油鉆具普遍為錐型螺紋（圖1），螺紋修復時：①根據(jù)螺紋磨損情況，切除端面一定長度L；②將臺階面也相應切除寬度L，將切除后的直徑輪廓加工到符合尺寸要求的錐面；③沿原螺紋螺旋線軌跡將整個螺紋加工到符合圖紙尺寸。如此將磨損后的螺紋修復成新，經(jīng)過探傷后，使鉆具重新投入使用。

圖1 螺紋修復

石油鉆具螺紋修理目前大部分采用普通管螺紋車床修理，受操作人員的工作經(jīng)驗和車床精度影響，螺紋的錐度、牙型、倒角等各部位尺寸極易產(chǎn)生誤差；一些特殊螺紋的局部尺寸公差在0.2 mm 以內(nèi)，人工操作很難控制，影響加工效率。同時，操作人員長時間彎腰操作車床，易引起腰部疲勞，影響身體健康。

2 車床加工螺紋的原理

車床主軸帶動工件的旋轉(zhuǎn)運動是主運動，刀具的移動是進給運動。普通管螺紋車床加工螺紋是依靠掛輪傳遞動力，帶動絲杠轉(zhuǎn)動，再帶動大托板按照調(diào)整好的螺距移動，調(diào)節(jié)小托板移動刀尖軸向位置來實現(xiàn)對刀，進而完成螺紋車削。它們是通過純機械傳動實現(xiàn)的，螺紋加工過程中出現(xiàn)打刀、停電、變速或者是修復舊螺紋，都可以較為輕松地實現(xiàn)對刀和再次加工。

數(shù)控車床無論車削何種螺紋，主運動與進給運動要保持特定關系，即必須準確做到工件轉(zhuǎn)一圈，刀具移動一個螺距。主軸的轉(zhuǎn)速可通過程序調(diào)整，但轉(zhuǎn)角位置一般是不可控的。要實現(xiàn)切削螺紋的功能，必須用光電編碼器與主軸1∶1 傳動連接。當主軸旋轉(zhuǎn)時，編碼器同步轉(zhuǎn)動，并發(fā)出一系列脈沖信號進入數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)依據(jù)檢測到的主軸旋轉(zhuǎn)信號，選擇特定的轉(zhuǎn)角控制電機開始進給，實現(xiàn)車削螺紋所要求的比例關系。

3 數(shù)控車床螺紋修復

數(shù)控車床每次螺紋進刀前，數(shù)控系統(tǒng)掃描光電編碼器的零點脈沖，其到來時開始進刀，否則處于等待狀態(tài)。如此保證了每次進刀車削螺旋線軌跡相同，防止亂扣現(xiàn)象的發(fā)生。

但是在修復鉆具舊螺紋時，存在螺紋起始位置對刀問題。由于光電編碼器的零點脈沖與待修螺紋起始位置可能不同，在主軸旋轉(zhuǎn)時，刀具按照G92（或G32）指令做螺紋車削進給運動時，就會與待修螺紋的螺旋軌跡不重合，發(fā)生破壞原螺紋甚至打刀的情況，因此修復螺紋時必須先定位、再車削。定位就是把零點脈沖作為基準，將待修螺紋起始位置與刀具對應一致。定位后，刀具就可沿著待修螺紋的螺旋線軌跡運動，實現(xiàn)修復螺紋，所以修復螺紋的關鍵是定位問題。

本次研究的方法是在卡盤周圍表面標記零點脈沖，以確定螺紋車削起點，利用宏程序來定位刀具位置：①對刀時先盤動卡盤，轉(zhuǎn)到標記位置，此時主軸位置就是零點脈沖信號的位置，通過操作宏程序的單步運行，使刀尖移動到待修螺紋的某個位置上方；②選擇手搖脈沖發(fā)生器使刀尖移動到螺紋中部某一個螺旋槽里，降低倍率微調(diào)刀尖X、Z 值，觀察刀尖與螺旋槽直到重合，此時要特別注意刀尖位置，否則容易擠碎刀塊；③選擇程序單步運行，將此時刀尖軸向Z 的位置信息的系統(tǒng)變量#5002 通過公共變量#505讀取，即#505=#5002，完成對刀操作；④單步運行宏程序?qū)⒌都庖苿拥竭h離待修螺紋N 個螺距的位置，此時（X起，Z起）即是起刀點，再通過變量表達式指定R 值，用螺紋循環(huán)切削指令G92 完成螺紋加工；⑤在鉆具使用過程中，螺紋牙型有時磨損較大，即便已經(jīng)完成對刀，但在運行螺紋循環(huán)切削指令G92 過程中，也可能發(fā)現(xiàn)刀尖未完全與待修螺紋螺旋線重合（吃偏刀），此時可賦值#5 變量，用于微調(diào)刀尖Z 值正向或負向（圖2），達到與待修螺紋螺旋線重合的目的。

圖2 刀尖調(diào)整參數(shù)

以加工NC50 外螺紋程序為例。

（1）程序段1，對刀操作：

在螺紋切削循環(huán)指令G92 中（圖3），參數(shù)X、Z 表示每刀切削的終點坐標值，R 表示圓錐面切削起點與終點的半徑差，F(xiàn) 表示螺紋螺距（NC50 螺紋螺距為6.35 mm）。運行變量表達式Z[#505+#5+63.5] 使成型刀移動到離對刀螺旋槽10 個螺距的位置，此時為起刀點。目前尚沒有查到資料可以確定數(shù)控車床在執(zhí)行G32 或G92 指令時，刀具運行的升速段的準確距離，因此起刀點與待修螺紋端面之間距離（即N 個螺距）視操作習慣而定。再通過變量表達式#4=[#3-#505-#5-56.5]/12 對參數(shù)R 賦值，運行螺紋循環(huán)切削指令G92，完成螺紋修復加工。

圖3 螺紋循環(huán)切削指令G92

4 結(jié)論

在鉆具螺紋維修領域，以數(shù)控機床為代表的自動化技術(shù)是今后發(fā)展的方向，本文介紹的方法應用成本低，無須對數(shù)控車床進行專門改造。同時，利用數(shù)控車床維修鉆具螺紋，提高了鉆具維修質(zhì)量，螺紋修復后尺寸穩(wěn)定，降低操作人員的勞動強度，為石油鉆具螺紋維修提供了一種新的技術(shù)手段。