数控车床修复钻具螺纹的研究
2022-6-22 来源： 中国石油渤海钻探工程有限公司 作者：王霄鹏，马晔，高季枫，赵晗，朱红等
摘要：使用普通管螺纹车床修复钻具螺纹，受操作人员的工作经验和车床精度影响，螺纹的锥度、牙型、倒角等各部位尺寸极易产生误差，影响加工精度和效率。同时，操作人员长时间弯腰操作车床，易引起腰部疲劳，影响身体健康。提出一种数控车床修复钻具螺纹的方法，利用光电编码器的零点脉冲和宏程序来定位，使刀尖对准待修螺纹螺旋线，从而实现数控车床修复钻具螺纹。
关键词：数控车床；螺纹修复；宏程序；对刀
0 引言
石油钻具在钻井过程中受力复杂、载荷大，其连接的螺纹容易磨损、牙型变形，若不及时修复容易引发脱落、刺漏等钻具失效事故。因钻具管材抗拉抗扭性能优良、购买价格高，为提高钻具使用寿命、节约成本，钻具螺纹一般采取修复而不是切除。
1、石油钻具螺纹修复的一般方法
石油钻具普遍为锥型螺纹（图 1），螺纹修复时：①根据螺纹磨损情况，切除端面一定长度 L；②将台阶面也相应切除宽度L，将切除后的直径轮廓加工到符合尺寸要求的锥面；③沿原螺纹螺旋线轨迹将整个螺纹加工到符合图纸尺寸。如此将磨损后
的螺纹修复成新，经过探伤后，使钻具重新投入使用。
图 1 螺纹修复
石油钻具螺纹修理目前大部分采用普通管螺纹车床修理，受操作人员的工作经验和车床精度影响，螺纹的锥度、牙型、倒角等各部位尺寸极易产生误差；一些特殊螺纹的局部尺寸公差在0.2 mm 以内，人工操作很难控制，影响加工效率。同时，操作人
员长时间弯腰操作车床，易引起腰部疲劳，影响身体健康。
2、车床加工螺纹的原理
车床主轴带动工件的旋转运动是主运动，刀具的移动是进给运动。普通管螺纹车床加工螺纹是依靠挂轮传递动力，带动丝杠转动，再带动大托板按照调整好的螺距移动，调节小托板移动刀尖轴向位置来实现对刀，进而完成螺纹车削。它们是通过纯机械传动实现的，螺纹加工过程中出现打刀、停电、变速或者是修复旧螺纹，都可以较为轻松地实现对刀和再次加工。
数控车床无论车削何种螺纹，主运动与进给运动要保持特定关系，即必须准确做到工件转一圈，刀具移动一个螺距。主轴的转速可通过程序调整，但转角位置一般是不可控的。要实现切削螺纹的功能，必须用光电编码器与主轴 1∶1 传动连接。当主轴旋转时，编码器同步转动，并发出一系列脉冲信号进入数控系统，数控系统依据检测到的主轴旋转信号，选择特定的转角控制电机开始进给，实现车削螺纹所要求的比例关系。
3、数控车床螺纹修复
数控车床每次螺纹进刀前，数控系统扫描光电编码器的零点脉冲，其到来时开始进刀，否则处于等待状态。如此保证了每次进刀车削螺旋线轨迹相同，防止乱扣现象的发生。
但是在修复钻具旧螺纹时，存在螺纹起始位置对刀问题。由于光电编码器的零点脉冲与待修螺纹起始位置可能不同，在主轴旋转时，刀具按照 G92（或 G32）指令做螺纹车削进给运动时，就会与待修螺纹的螺旋轨迹不重合，发生破坏原螺纹甚至打刀的情况，因此修复螺纹时必须先定位、再车削。定位就是把零点脉冲作为基准，将待修螺纹起始位置与刀具对应一致。定位后，刀具就可沿着待修螺纹的螺旋线轨迹运动，实现修复螺纹，所以修复螺纹的关键是定位问题。
本次研究的方法是在卡盘周围表面标记零点脉冲，以确定螺纹车削起点，利用宏程序来定位刀具位置：①对刀时先盘动卡盘，转到标记位置，此时主轴位置就是零点脉冲信号的位置，通过操作宏程序的单步运行，使刀尖移动到待修螺纹的某个位置上方；②选择手摇脉冲发生器使刀尖移动到螺纹中部某一个螺旋槽里，降低倍率微调刀尖 X、Z 值，观察刀尖与螺旋槽直到重合，此时要特别注意刀尖位置，否则容易挤碎刀块；③选择程序单步运行，将此时刀尖轴向 Z 的位置信息的系统变量 #5002 通过公共变量 #505读取，即 #505=#5002，完成对刀操作；④单步运行宏程序将刀尖移动到远离待修螺纹 N 个螺距的位置，此时（X起，Z起）即是起刀点，再通过变量表达式指定 R 值，用螺纹循环切削指令 G92 完成螺纹加工；⑤在钻具使用过程中，螺纹牙型有时磨损较大，即便已经完成对刀，但在运行螺纹循环切削指令 G92 过程中，也可能发现刀尖未完全与待修螺纹螺旋线重合（吃偏刀），此时可赋值 #5 变量，用于微调刀尖 Z 值正向或负向（图2），达到与待修螺纹螺旋线重合的目的。
图 2 刀尖调整参数
以加工 NC50 外螺纹程序为例。
（1）程序段 1，对刀操作：
在螺纹切削循环指令 G92 中（图 3），参数 X、Z 表示每刀切削的终点坐标值，R 表示圆锥面切削起点与终点的半径差，F 表示螺纹螺距（NC50 螺纹螺距为 6.35 mm）。运行变量表达式 Z[#505+#5+63.5] 使成型刀移动到离对刀螺旋槽 10 个螺距的位置，此时为起刀点。目前尚没有查到资料可以确定数控车床在执行 G32 或 G92 指令时，刀具运行的升速段的准确距离，因此起刀点与待修螺纹端面之间距离（即 N 个螺距）视操作习惯而定。再通过变量表达式 #4=[#3-#505-#5-56.5]/12 对参数 R 赋值，运行螺纹循环切削指令 G92，完成螺纹修复加工。
图 3 螺纹循环切削指令 G92
4、结论
在钻具螺纹维修领域，以数控机床为代表的自动化技术是今后发展的方向，本文介绍的方法应用成本低，无须对数控车床进行专门改造。同时，利用数控车床维修钻具螺纹，提高了钻具维修质量，螺纹修复后尺寸稳定，降低操作人员的劳动强度，为石油钻具螺纹维修提供了一种新的技术手段。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
