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數控車床修複鑽具螺（luó）紋的研究

2022-6-22 來源：中（zhōng）國石油（yóu）渤海鑽探工程有限公司作（zuò）者：王霄鵬，馬曄，高季楓，趙晗，朱（zhū）紅等

摘要：使用普（pǔ）通管螺（luó）紋車床修複鑽具螺（luó）紋，受操（cāo）作人員的工作經驗和車床精度影響，螺紋的錐度、牙型（xíng）、倒角等各部位尺寸極易產生誤（wù）差，影響加工精度和效率。同時，操作（zuò）人員長時間彎腰操作車床，易引起腰部疲勞，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點脈衝（chōng）和宏程（chéng）序來定位（wèi），使刀尖對準待修螺紋螺旋（xuán）線，從而實現數控車床修複鑽具螺紋。

關（guān）鍵（jiàn）詞：數控車床；螺（luó）紋修（xiū）複；宏程序；對刀

0 引言

石油鑽具在鑽井過程中受力複雜、載荷大，其連接的螺紋容易（yì）磨損、牙型變形，若不及時修複容易引（yǐn）發脫落、刺漏等鑽具（jù）失效事（shì）故（gù）。因鑽具管材抗拉抗扭性（xìng）能優良、購買價格高，為提高（gāo）鑽具使用壽命、節約成本（běn），鑽具螺紋一（yī）般采取修複而（ér）不是切除。

1、石油鑽具螺紋（wén）修複的一般方（fāng）法

石油鑽具普遍（biàn）為錐型螺紋（wén）（圖 1），螺紋修複時：①根據螺紋磨損情況，切（qiē）除端麵一定長度 L；②將台階麵也相應切除寬度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（yuán）螺紋螺旋（xuán）線（xiàn）軌跡將整個螺紋（wén）加工到（dào）符（fú）合圖紙尺寸。如（rú）此將磨損後

的螺紋修複成新，經過探傷後，使鑽具重新投入使用。

圖（tú） 1 螺紋修複

石油鑽具螺紋修理目前大部分采（cǎi）用普通管螺紋車（chē）床修理，受（shòu）操作人員（yuán）的工作經驗和車床精度（dù）影響，螺紋的錐度、牙型、倒角等各部位尺（chǐ）寸極易產生誤差；一些特殊螺紋的局部尺寸公差在0.2 mm 以（yǐ）內，人工操作很難控製（zhì），影響加工效率（lǜ）。同時，操作人

員長時間彎腰操作車床，易引（yǐn）起腰部疲勞，影響身體（tǐ）健康。

2、車床加工螺紋的原理

車床主軸帶動工件的旋（xuán）轉運動是主運動，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（lún）傳遞動力，帶動絲杠轉動，再帶動（dòng）大托板按（àn）照調（diào）整好的螺距移動，調節小托板移動刀尖軸向位置來實現對（duì）刀，進（jìn）而完成螺紋車削。它們是通過純機械（xiè）傳動實現的，螺紋加工過程中出現（xiàn）打刀、停電、變速或者是修複舊螺紋，都可以較（jiào）為輕鬆地實現對刀和再次加工。

數控車床無論車削何種螺紋，主運動與（yǔ）進給運動要保持特定關係，即必須準確做到工件轉一（yī）圈，刀具移動一個螺距。主軸的轉速可通（tōng）過程序調整，但轉角位置一般是不可控（kòng）的。要實現切削（xuē）螺紋的功能，必須用光電編碼器與主軸 1∶1 傳動連接。當（dāng）主軸旋（xuán）轉時，編碼器同步轉動，並發出一係列脈衝信（xìn）號進入數控係統，數控係統依據檢測到的主軸旋轉信號，選擇特定的轉角（jiǎo）控製電機開始（shǐ）進（jìn）給，實現車削螺紋所要求的比例關（guān）係。

3、數控車床螺紋（wén）修（xiū）複

數控車床每次螺紋進刀前，數控係統（tǒng）掃描光電編碼器的零點脈衝，其到（dào）來（lái）時開始（shǐ）進刀，否則處於等待狀態。如此（cǐ）保證了每次進刀車削螺旋線軌跡相同，防止亂扣現（xiàn）象的發生。

但是在修複鑽具舊螺紋時，存在（zài）螺紋起始（shǐ）位置對刀問題。由於光電編碼器的零點（diǎn）脈（mò）衝（chōng）與待修螺紋起始位（wèi）置可能不同，在主軸旋轉時，刀具（jù）按照 G92（或 G32）指令做螺（luó）紋車削進（jìn）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位、再車削。定位就是把零點脈衝作為基準，將待修螺（luó）紋起始位置與刀具對（duì）應一（yī）致。定位後，刀具就可沿著待（dài）修螺紋的螺旋線軌跡運動，實現修複螺（luó）紋，所以（yǐ）修複螺紋的關（guān）鍵（jiàn）是定位（wèi）問題。

本次研究的方法是（shì）在卡盤周圍表（biǎo）麵標（biāo）記零點（diǎn）脈衝，以確定螺紋車削起點，利用（yòng）宏程序來定位刀具位置（zhì）：①對刀時先盤動卡盤，轉到（dào）標記位置，此時（shí）主軸位置就是（shì）零點（diǎn）脈（mò）衝信號的位置，通過操作宏程序的單（dān）步運行，使刀尖移動到待修螺（luó）紋的某個位置（zhì）上方；②選擇手搖脈衝發生器使刀尖（jiān）移動到螺紋中（zhōng）部某一個（gè）螺旋槽裏，降低倍率微調刀尖（jiān） X、Z 值，觀（guān）察刀尖與螺旋槽直到（dào）重合，此時要特別注意刀尖（jiān）位置，否則容易擠（jǐ）碎刀塊；③選擇程序單步運行，將（jiāng）此時刀尖軸向 Z 的位置信息的（de）係統變量 #5002 通（tōng）過公共變量 #505讀取，即 #505=#5002，完成對刀操作；④單步運行宏程序將刀（dāo）尖移動到（dào）遠離（lí）待修螺紋 N 個螺距的位置，此（cǐ）時（X起（qǐ），Z起）即是起刀點，再通過變（biàn）量表達式指定 R 值，用螺（luó）紋循環切削（xuē）指令 G92 完成（chéng）螺紋加工；⑤在（zài）鑽具使用過程中，螺紋牙型有時磨損較大，即便已經完成（chéng）對刀，但在運行螺紋循環切削指令 G92 過程（chéng）中，也可能發現刀尖未（wèi）完全與待修螺紋螺旋線重合（吃偏刀），此時可賦值 #5 變量，用於微調刀尖 Z 值（zhí）正向或負向（圖2），達到與待修螺紋螺（luó）旋線重合的目的。

圖 2 刀尖調整參數

以加工 NC50 外螺紋程序（xù）為例。

（1）程序段 1，對刀操作：

在螺（luó）紋切削循環指令 G92 中（zhōng）（圖 3），參數 X、Z 表示（shì）每刀（dāo）切削的終點坐標（biāo）值，R 表示圓（yuán）錐麵切削起點與終點的半徑差，F 表示螺（luó）紋螺距（NC50 螺紋螺距（jù）為 6.35 mm）。運行變量表達式 Z[#505+#5+63.5] 使成（chéng）型刀移動（dòng）到（dào）離對刀螺旋槽 10 個螺距的位置，此時為起刀點。目前尚（shàng）沒有查到（dào）資料可以確定數（shù）控車床在執行 G32 或 G92 指令時，刀具運（yùn）行的升速段的準確（què）距離，因（yīn）此起刀點與待修螺紋端麵之間距離（即 N 個螺（luó）距）視操（cāo）作習慣而定。再通過（guò）變量表達式 #4=[#3-#505-#5-56.5]/12 對參數 R 賦值（zhí），運行螺紋循環（huán）切削指令 G92，完成螺紋修複加工。

圖 3 螺紋循環切削指令 G92

4、結論

在鑽具螺紋（wén）維修領域，以數控機床為（wéi）代表的自動（dòng）化技（jì）術是今後發展的（de）方向，本文介紹（shào）的方法應用（yòng）成本（běn）低，無須對數控車床進行專（zhuān）門改造。同時，利用數控車床（chuáng）維修鑽具螺紋，提高（gāo）了鑽具維修質（zhì）量，螺（luó）紋修複後尺寸穩定，降低操作人（rén）員的勞動強度，為（wéi）石油鑽具（jù）螺紋維修提供了一種新的技（jì）術手段。

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