摘要：井下工具使用过程中，多与油管连接。连接使用螺纹多为API油管螺纹，API油管螺纹加工质量直接影响井下工具产品使用性能。API油管螺纹加工方法的探究成为井下工具产品加工的重中之重。同时，API油管螺纹在加工过程中易出现扎刀、乱扣、表面粗糙度超差等情况，通过分析产生原因进而找出相应解决方法。
关键词：API油管螺纹;加工缺陷;数控车床;梳刀
1API油管螺纹的数控车床加工
1.1API油管螺纹特点
API油管螺纹相对普通螺纹具有自密封、拆性好、连接强度高等特点[1]。在1:16的圆锥体上分布着它的牙型，技术要求高加工难度较大。以生产常用27/8″TBG油管螺纹为例：牙型角60°，螺距2.54mm，原始三角形高度2.2mm，牙型高度1.412mm。常加工产品材料硬度HB260～320，硬度较高，加工难度大。通过压力试验验证API油管螺纹可靠性，试验过程中需要使用规定的螺纹密封脂，紧固后在规定时间内最小静水压试验压力下无渗漏现象。常用试验压力为25～70MPa，在30min内无渗漏。
1.2API油管螺纹加工尺寸分析、计算
以加工油管短接(图1)为例，使用沈阳机床厂CW6163数控车床和FANUC数控操作系统。由图1可知，此零件两头均是27/8″TBG油管螺纹，它的加工工艺可以定为先加工外圆、内孔到图示尺寸，车1:16外锥留适量余量，最后使用专用梳刀在数控车床上加工API油管螺纹。由于数控加工采用的是螺纹末端尺寸编程，需查油管圆螺纹牙型尺寸(如表1和表2所示)，获得相关的参数进行程序编辑。其中，hn(hs)为牙型高度;Srn(Srs)为牙型截底高;Scn(Scs)为牙型截顶高;P为螺距;D为油管螺纹中径;Q为油管孔直径;L4为油管螺纹加工长度;d2为油管端面螺纹大径;d3为油管端面螺纹小径;D4为接箍端面螺纹大径;D5为接箍端面螺纹小径。查表1和表2可得：螺纹大端大径D4=73.02mm，螺纹长度L=52.40mm，螺纹小端大径d4=D4-L/16=69.7450mm，牙型高h=1.4122mm，螺纹底径d=D4-2h=73.02-2×1.4122=70.1956mm。螺纹加工的起刀点一般设在螺纹端面外3～5mm处。由于采用三齿梳刀片加工，因此用三齿螺距长度+3mm设为起刀点，取整数为10mm。起刀点处的尺寸为：d4-10×1/16=69.745-0.625=69.12mm(1)用R表示螺纹加工径向起始端尺寸与螺纹径向终端尺寸的一半，即：R=(69.12-73.02)/2=-1.95mm(2)车削分刀时，进刀量第一刀可以大一些，以后逐步减小[2]。第一刀进刀量为0.8～1.5mm，最后一刀进刀量不应小于0.1mm。每层背车刀量根据加工情况可适当调整，据经验数据得出第一刀为∆D，第二刀为(2−1)×∆D，第n刀为(n−n−1)×∆D，吃刀量依次递减(此法仅供参考)。图2为用3齿梳刀车削27/8″TBG油管螺纹的切削分层图。油(套)管圆螺纹牙型及手紧上紧基本尺寸如图3所示。其中，牙型倾斜角为ψ=1°47′24″=1.79°，圆锥度为2tanψ=0.0625。
1.3编制数控加工程序
在27/8″TBG油管螺纹加工过程中，只有每刀加工尺寸发生变化，其余参数均未发生改变，所以可以编成一个车螺纹的子程序。循环过程如图4所示。螺纹加工过程中，每次切削的余量逐渐减少。为了保障API油管螺纹加工表面粗糙度，最后一刀为精车，余量最小[3]。27/8″TBG油管螺纹车削数控程序如下：M44M03S420T0101G00X69.12Z10G01X73.02Z-52.4F0.35G00Z3.0
2API油管螺纹常见缺陷及解决方法
在API油管螺纹加工过程中，数控系统错误、刀具磨损和机床磨损等因素会造成工件与刀具间的相对运动，影响螺纹的加工质量，影响生产进度，需要得到及时解决。
2.1扎刀
2.1.1刀具安装不合适当刀具安装过高加工到一定深度时，刀具后刀面会与加工面接触，使摩擦力增大，严重时会造成零件变形出现扎刀情况;当刀具安装过低时，会出现排屑不畅，刀具受力方向是零件的中心，如果横进丝杠与螺母的间隙过大，会导致加工深度不断变深，零件被抬起出现扎刀。出现以上两种情况时需要及时调整刀具的高度，保障刀尖与零件的轴线高度相同。在粗加工和半精加工时，刀尖高度比零件中心高出1%的零件直径较为适宜。2.1.2零件未装夹牢固零件未装夹牢固会导致切削力超出自身刚性承受能力，挠度过大，导致零件被抬高，造成加工深度突然增大出现扎刀现象，这时应该增加工件刚性，将零件装夹牢固，必要时可以使用顶尖、尾座等辅具。2.1.3刀具磨损严重刀具磨损严重会增大刀具与零件的摩擦力，降低切削性能，进而导致零件变形出现扎刀，此时应及时更换刀片。2.1.4切削用量不合理刀具切削量和切削速度过大，会出现扎刀现象，因此需要根据零件刚性和API油管螺纹螺距选择适当的加工量。
2.2乱扣
2.2.1数控车床主轴编码器同步传动皮带磨损当数控车床主轴编码器同步传动皮带磨损时，数控系统不能检测到真实的转速。由于主轴转速恒定不变，X轴或Y轴的移动速度是按照加工螺距大小和主轴转速来调整的，在加工时会出现X轴或Y轴的移动速度与主轴不同步[4]。刀具移动的距离不是一个螺距，加工到第二刀车削时，螺纹会出现乱扣，需要及时更换主轴同步皮带。2.2.2数控程序编制不正确数控车床是通过数控程序来保障螺纹加工过程中刀具的移动。在加工过程中必须使后一刀的起刀点与前一刀的起刀点位置重合，确定数控程序每段的导程相同，才不会出现乱扣。实际生产中，会出现前后导程不一致而导致乱扣[5]，这就要求编制数控程序人员加工前反复核对，保证数控程序的正确率。2.2.3X轴或Y轴丝杠磨损严重刀具移动的距离与数控程序给出数据不同步，将导致产生乱扣的现象，此时需要及时更换X轴或Y轴丝杠。
2.3螺纹表面粗糙度超差
2.3.1刀尖产生积屑瘤积屑瘤可以代替刀尖切削，但切削过程不稳定，会导致工件表面高低不平，增大表面粗糙度。合理选择刀具的加工参数，同时选用合适的切削液，可以降低积屑瘤的产生。2.3.2刀杆刚性不足加工会产生刀具颤动，降低表面粗糙度。这时应该选用刚性更好的刀杆，同时尽量减少刀杆的伸出长度。2.3.3车刀径向前角过大径向前角过大会使径向阻力增大而产生振动，使表面粗糙度值变大。适当减小车刀径向前角，可以提高螺纹表面粗糙度。2.3.4加工量不足或排屑方向不对在高速钢刀具加工螺纹时，加工量小于0.1mm会出现压不住刀的情况，导致表面粗糙度降低。排屑接触已加工螺纹表面时，会拉毛已加工螺纹表面，加工最后一刀加工量一定要大于0.1mm，并使切屑沿垂直轴线方向排出。2.3.5加工量过大当加工量过大时，刀具在加工过程受力超过刀杆承受能力时，将导致刀具震动，使表面粗糙度值变大，应该根据待加工零件的刚性选择合理的切削用量。
2.4牙型不正确
2.4.1刀具选择错误选用加工刀具时，应选择标准的符合加工螺纹螺距的螺纹梳刀进行加工。例如，当选用传统刃图4循环过程通过改变凸台板8的表面形状，就可以实现支撑板15在这一方向上的各种工艺动作，且不需要增加任何的动力单元。5.轴承;8.凸台板;11.固定销;12.滑销;13.直线轴承;15.支撑板;16.工艺板5.轴承;8.凸台板;11.固定销;12.滑销;13.直线轴承;15.支撑板;16.工艺板可见，改进后自动避让机构的轴承、限位板、销以及滑销组成的整体浮动部件，在固定销和直线轴承的导向作用和重力作用下，轴承压在凸台板的表面上。该部件会因为凸台板的上表面起伏出现相应的高低距离差。通过改变凸台板的表面形状，可以实现支撑板在这一方向上的各种仿形工艺动作，且不需要增加任何的动力单元[4]。
3结语
通过巧妙运用重力和仿形工艺，减少了自动避让机构气缸系统及其外围支持的零部件，降低了其完成同样动作的工艺成本。改进后的机构在只有一套动力系统的情况下，可以实现自动化设备需要的各种避让工艺。与现在常用的机构相比，这套单动力自动避让机构经济性能好、体积小以及可靠性高。
参考文献
[1]岑军健.非标准机械设计手册[M].北京：国防工业出版社，2008.
[2]张晓玲，沈韶华.实用机构设计与分析[M].北京：北京航空航天出版社，2010.
[3]吴宗泽.机械设计师手册[M].北京：机械工业出版社，2002.
[4]徐兵.机械装配技术[M].北京：中国轻工业出版社，2005.
《API油管螺纹数控车床加工方法及加工缺陷简析》来源：《现代制造技术与装备》，作者：刘琪 王泽 李卓昱