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數控車床修複（fù）鑽具（jù）螺紋的研（yán）究

2022-6-22 來源：中國（guó）石油渤海鑽探工程有限（xiàn）公司作者：王霄鵬，馬曄，高（gāo）季（jì）楓，趙（zhào）晗（hán），朱紅等

摘要：使用普通管螺紋車（chē）床（chuáng）修複鑽具螺紋，受操作人員的工作經驗和車床精度影（yǐng）響，螺紋的錐度、牙型（xíng）、倒角等各部位尺寸（cùn）極易產生（shēng）誤差（chà），影響加（jiā）工精度和效率。同（tóng）時，操作人員長時間彎腰操（cāo）作車床，易引（yǐn）起腰部疲勞，影響身體健康。提出一種數控車床修複鑽具螺紋的方法，利用光電編碼器的零（líng）點脈衝和宏程序來定（dìng）位，使刀尖對準待修螺紋螺旋線，從而實現數控（kòng）車床修（xiū）複鑽（zuàn）具螺紋。

關鍵詞：數控車床；螺（luó）紋修複；宏程序；對刀

0 引言（yán）

石油（yóu）鑽具在鑽井過程中受力複雜、載荷大，其連接的螺紋容（róng）易（yì）磨損、牙型變（biàn）形，若不及時修複容易引發脫落、刺漏等鑽具失效事故。因鑽具管材抗拉抗扭（niǔ）性能優良、購買價格高，為提高鑽具使用壽命、節約成本，鑽具螺紋一般采（cǎi）取修複而不是切除。

1、石油鑽具螺（luó）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：①根據螺紋（wén）磨損情況（kuàng），切除端麵一定長度 L；②將台（tái）階麵也相（xiàng）應切除寬度L，將切除後的直徑輪廓加工到符合尺寸要求的錐麵；③沿原螺紋螺旋線軌跡將整個（gè）螺（luó）紋加工到符合圖紙尺寸。如此（cǐ）將磨損後

的螺紋修複成新，經過探傷後，使鑽具重新投入使用。

圖 1 螺紋修複（fù）

石油鑽具螺紋修（xiū）理目前大部分采用普通管螺紋車床修理，受操作人員的（de）工作經驗和車床精度影響，螺紋的錐度、牙型、倒角等各部位尺（chǐ）寸（cùn）極易（yì）產生誤差；一些特殊螺紋的局部（bù）尺寸（cùn）公（gōng）差在0.2 mm 以內（nèi），人工操作很難控製，影響加工效率。同時，操作人

員長（zhǎng）時（shí）間彎腰操作車床，易引起腰（yāo）部疲勞，影響身體（tǐ）健康。

2、車（chē）床加工螺紋的原理（lǐ）

車（chē）床主軸帶（dài）動工件的旋轉運動是（shì）主運（yùn）動，刀（dāo）具的移動（dòng）是進（jìn）給運動。普通管螺（luó）紋（wén）車床加工螺紋是依（yī）靠掛輪傳（chuán）遞動力，帶動絲杠轉動，再帶（dài）動大托板按照調整好的螺（luó）距移（yí）動，調節（jiē）小托（tuō）板移動刀尖軸向（xiàng）位置來（lái）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（wén）加工過程中出現打刀、停（tíng）電、變速或者是修複舊螺紋，都可以較為輕鬆地實（shí）現對刀和再次加工。

數控車床無論車削何種螺（luó）紋，主運動與進給運動要（yào）保持特定關係，即必須準確做到工件轉一圈，刀具移動一個（gè）螺距。主軸的（de）轉速可通過程序調整，但（dàn）轉角位置一般是不可控的（de）。要實現切削螺紋的功能，必須用光（guāng）電編碼（mǎ）器與主軸 1∶1 傳動連接。當主軸旋轉（zhuǎn）時，編碼器同（tóng）步轉動，並發出一係列脈衝信號（hào）進入數控係統，數（shù）控係統依據檢（jiǎn）測到的主軸旋轉信號，選擇特定的轉角控製電機開（kāi）始進給（gěi），實現車削螺紋所要求的比（bǐ）例關係。

3、數控車床螺紋修（xiū）複

數（shù）控車床每次螺紋進刀前，數控係（xì）統掃描光電編碼器的零點脈衝，其到來時（shí）開始進刀，否則處於等（děng）待狀（zhuàng）態。如此保證（zhèng）了每次進（jìn）刀車削螺旋線軌（guǐ）跡相同，防止亂扣現象的發生。

但是在修複鑽具舊螺紋時，存在螺紋起始位置（zhì）對刀問題。由於光電編碼器的零點脈衝與待修螺紋（wén）起始（shǐ）位置可能（néng）不同，在主軸旋轉時（shí），刀具按照 G92（或 G32）指令做螺（luó）紋車削（xuē）進給運動時，就會與待修螺紋的螺旋軌跡不重合，發生破壞原螺紋甚至打刀的情況，因此修複螺紋時必須先定（dìng）位、再（zài）車（chē）削。定位就是把零點脈衝作為（wéi）基準，將待修螺（luó）紋起始位置（zhì）與刀具對應（yīng）一致。定位後，刀具就可沿著待修螺紋的螺旋線軌跡運動（dòng），實現修複螺紋，所以修複螺（luó）紋的關鍵是定位問題。

本次研究的方法是在卡盤周圍表麵標記零點（diǎn）脈衝，以確（què）定螺（luó）紋車（chē）削起點，利用宏程序來定位刀具位（wèi）置：①對刀時先盤（pán）動卡盤，轉到標記位置，此時主軸位置就是零點脈衝信號的位（wèi）置，通過操作宏程序的單（dān）步運行，使刀尖移動到待修（xiū）螺紋的某個位置上方；②選擇手搖脈衝（chōng）發生器使刀尖移動到螺紋中部某一個螺旋槽裏，降（jiàng）低倍率微調刀尖 X、Z 值，觀察刀尖與螺旋槽（cáo）直到重合，此（cǐ）時要特別注意刀尖位置，否則容易擠（jǐ）碎刀塊（kuài）；③選擇程序單步運行（háng），將此時刀尖軸向 Z 的位置信息的係統變量 #5002 通過公共變量 #505讀取，即 #505=#5002，完成對刀操作（zuò）；④單步運行（háng）宏程序將刀尖移動到遠離待修（xiū）螺（luó）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，用螺紋循環切削（xuē）指令 G92 完成螺紋加工；⑤在鑽具使用過程中，螺（luó）紋牙型有時磨損較大，即便已（yǐ）經完成對刀，但在運行螺紋循環切削（xuē）指（zhǐ）令 G92 過程中（zhōng），也可能發現刀尖（jiān）未完全與待修螺紋螺旋線重合（吃偏刀（dāo）），此時可賦值 #5 變量，用於微調刀尖 Z 值正向或負向（圖2），達到與待修（xiū）螺紋螺旋線重合的目的。

圖（tú） 2 刀尖調整參數

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 表示圓錐麵切削起點與終（zhōng）點的半徑差，F 表示螺紋螺距（NC50 螺紋螺距為（wéi） 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（gè）螺距（jù）的位置，此時為起刀點。目前尚沒有查到資料可以確定數控車（chē）床在執行 G32 或 G92 指令（lìng）時，刀具運行的升速（sù）段的準確距離，因此起刀點與待修（xiū）螺紋端（duān）麵之間距離（即 N 個螺（luó）距）視操作習慣而定。再通過變量（liàng）表達式 #4=[#3-#505-#5-56.5]/12 對參數 R 賦值（zhí），運行螺（luó）紋循環（huán）切削指令 G92，完成螺紋修複加工。

圖 3 螺紋循（xún）環切削指令 G92

4、結論（lùn）

在（zài）鑽具螺紋維修領域，以數控機床為代表的自動化（huà）技術是今後發展的方向，本文（wén）介紹的方法應用成本低（dī），無須（xū）對數控車（chē）床進行專門改造。同時，利（lì）用數控車床維修鑽具螺紋，提高了（le）鑽具維（wéi）修質量，螺紋修複後尺寸穩定，降（jiàng）低操作人員的勞動強度，為（wéi）石油鑽具螺紋維修提供了一種新的技術（shù）手段。

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