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數控車床修複鑽具螺紋的研（yán）究

2022-6-22 來（lái）源（yuán）：中國石油渤（bó）海鑽探（tàn）工程有限公司作者：王霄鵬，馬（mǎ）曄，高季楓，趙晗，朱紅等

摘要：使（shǐ）用普通管螺紋車床（chuáng）修（xiū）複鑽具螺紋，受操作人員（yuán）的（de）工作（zuò）經驗和車床精度影響，螺紋（wén）的錐度、牙型、倒角（jiǎo）等各部位尺寸極（jí）易產生誤差，影響加工精度和效率。同時，操作人員長時間彎腰（yāo）操作車（chē）床，易（yì）引起腰部疲勞，影響身（shēn）體健（jiàn）康。提出一種數控車床修（xiū）複鑽具螺紋的方法，利用光電編碼（mǎ）器的零點脈衝和宏（hóng）程序來定位，使刀尖對準待修螺紋螺旋線，從而實現數控車床（chuáng）修複鑽具螺紋。

關鍵詞：數控車床；螺紋修複（fù）；宏程序；對刀

0 引言

石油鑽具在（zài）鑽井過程中受力複雜、載荷大，其連接的螺紋容易磨損、牙型變形，若不及時修複容易引發脫落、刺漏等鑽具失效事故。因鑽具管材抗（kàng）拉抗扭性能（néng）優（yōu）良、購買價格高（gāo），為提高鑽具使用壽命、節約成本，鑽具螺紋一般采（cǎi）取修（xiū）複而不是（shì）切除。

1、石油鑽具螺紋修複的一般方法

石油鑽具普遍為錐型螺紋（圖 1），螺紋修複時（shí）：①根據螺紋磨損（sǔn）情況，切除端麵一定長度 L；②將台階麵也相應切除寬度L，將切除（chú）後的直徑輪廓加工（gōng）到符合尺寸要（yào）求的錐麵；③沿（yán）原螺紋螺旋線軌跡將整個螺紋加工到符合圖紙尺寸。如此將磨損後

的螺紋修複成（chéng）新，經過探傷後，使鑽具重新投入使用（yòng）。

圖 1 螺（luó）紋修複

石油鑽具螺紋修理目前大部分采用普通管螺紋（wén）車床修理，受操（cāo）作人員的工作經驗和車（chē）床精度影響，螺紋的錐度、牙（yá）型、倒角（jiǎo）等各部位尺寸（cùn）極易產生誤差；一些特殊螺紋的局部尺寸公（gōng）差在0.2 mm 以內，人工操作很（hěn）難控製，影響加工效率（lǜ）。同時，操作人

員長時間彎腰操作車（chē）床，易引起腰部疲勞（láo），影響身體健康。

2、車床加工（gōng）螺紋的原理

車床主軸帶動工件的旋轉運動是主運動，刀具的移動是進給（gěi）運動。普通管螺紋（wén）車床加工螺紋（wén）是依靠掛輪傳遞動力，帶動絲杠（gàng）轉動，再帶動大托板按照調整好的螺距移動，調節小托板移動刀尖軸向位置來實現對刀，進而完成螺紋車削。它們是通過純機械傳動實現的，螺紋加工過程中出（chū）現打刀、停電、變（biàn）速或者是修複舊螺紋，都可以較為輕（qīng）鬆地（dì）實現對（duì）刀和再次加工。

數（shù）控車床無論車削何（hé）種螺（luó）紋，主運（yùn）動與進給運動要保持特定關（guān）係，即（jí）必須準確做到工件（jiàn）轉一圈，刀具移（yí）動（dòng）一個螺距。主軸的轉（zhuǎn）速可通過程序調整，但轉角位置一般是不可控的。要實現（xiàn）切削螺（luó）紋的功（gōng）能（néng），必須用光電編（biān）碼器與主軸（zhóu） 1∶1 傳動連（lián）接。當主軸旋轉時，編碼器同步轉（zhuǎn）動，並發出一係列脈衝信（xìn）號進入數控係統，數控係（xì）統依據檢測到的主軸旋轉信號，選擇特定的轉角控製電（diàn）機（jī）開始進給，實現車削（xuē）螺（luó）紋所要求的（de）比例關係。

3、數控車床螺紋修複

數控車床每次（cì）螺（luó）紋進刀（dāo）前，數控係統掃描光電編碼器的（de）零點脈衝，其到來時開始進刀，否則處於等待狀態。如此保證了每次（cì）進刀車削螺旋線軌跡相同，防止亂扣（kòu）現象的發生。

但是（shì）在修複鑽具（jù）舊螺紋時，存在螺（luó）紋起始位置對刀問題。由於光（guāng）電編碼（mǎ）器的零點脈衝與待修螺紋起始位（wèi）置可能不同，在主軸旋（xuán）轉時，刀具按照 G92（或 G32）指令做螺紋車削進給運動（dòng）時，就（jiù）會與待修螺紋（wén）的螺旋軌跡不重（chóng）合，發生破壞原螺紋甚至打刀的情況，因此修複螺（luó）紋時必須先（xiān）定位、再車削。定位就是把零點脈衝作為基準，將待修螺紋起始（shǐ）位置與刀具對應一致。定（dìng）位後，刀具就可沿著待修螺紋的螺旋線軌跡運動，實（shí）現（xiàn）修複螺紋，所以修複螺紋的關鍵是定（dìng）位（wèi）問題。

本次研究的方法（fǎ）是在卡盤（pán）周圍表麵標記零點脈衝，以確定（dìng）螺紋（wén）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，轉到標（biāo）記位置（zhì），此時主軸（zhóu）位置就（jiù）是零點脈衝信號的位置，通過操作宏程序的單步運行（háng），使刀尖移（yí）動到待（dài）修（xiū）螺紋的某個位置上方；②選擇手搖脈衝發生器（qì）使刀尖移動到螺紋中部某一個螺旋槽裏，降低倍率微調刀尖 X、Z 值，觀察刀尖與螺旋槽直到重合（hé），此時要特別注意刀尖位置，否（fǒu）則容易擠碎刀塊；③選擇程序單步（bù）運（yùn）行，將此時刀尖軸向 Z 的位置信息的（de）係統變量 #5002 通過公共變量 #505讀取，即 #505=#5002，完成對刀操（cāo）作；④單（dān）步運行宏程序將刀尖移動（dòng）到（dào）遠離待修（xiū）螺紋 N 個螺距的位置，此時（X起，Z起）即是起刀點，再（zài）通過變量表（biǎo）達式指定 R 值，用螺紋（wén）循環切削指令 G92 完成螺紋加工；⑤在鑽具使（shǐ）用過程（chéng）中，螺紋牙型（xíng）有時磨損較大，即便已經完成對刀，但在（zài）運（yùn）行螺（luó）紋循環切削指（zhǐ）令 G92 過程中，也可能發（fā）現刀尖未完全與（yǔ）待修螺紋螺旋（xuán）線重合（吃偏刀），此時可賦值 #5 變量（liàng），用於微調刀尖 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 刀尖調整參數

以加（jiā）工 NC50 外螺紋程序為例。

（1）程序段 1，對刀操作：

在螺紋切削循環指令 G92 中（圖 3），參數 X、Z 表示每刀切削的終點坐標值（zhí），R 表示圓錐麵切削起（qǐ）點與終點的半徑差，F 表示（shì）螺紋螺（luó）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（dāo）移動到離對刀螺（luó）旋槽 10 個螺距的位（wèi）置，此時為起刀點。目前尚沒有查到資料可以確定數控車床在執行（háng） G32 或 G92 指令時（shí），刀具運（yùn）行的升速段的準確距離，因（yīn）此起（qǐ）刀（dāo）點與待修螺紋端麵之間距離（即 N 個螺距）視操作習（xí）慣（guàn）而定。再通過變量表達式 #4=[#3-#505-#5-56.5]/12 對參數 R 賦值，運行螺紋循環切削指令 G92，完成螺紋（wén）修複加工。

圖 3 螺（luó）紋循環切削（xuē）指令 G92

4、結論

在鑽（zuàn）具螺紋（wén）維修領域，以數控機床為代表的自動化技術是今後發展的方向（xiàng），本文介紹的方法應用成本低，無須對數控車床進行專門改造。同時，利用數控車床維修鑽具螺（luó）紋，提高了鑽具維修質量，螺紋修複後（hòu）尺（chǐ）寸穩定，降低操作人員的勞動（dòng）強度（dù），為石油鑽具螺紋維修提（tí）供了一種新的技術手段。

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