數控車床修複鑽具螺紋的研究

0簡介

石油鑽具在鑽井過（guò）程中，承受複雜的應力和較大的（de）載荷，其連接螺紋容易磨損和（hé）齒變形。如果（guǒ）不及時修複，很容易造成鑽具脫落、刺漏等失效事故。由於鑽具管具有優良的抗拉（lā）、抗扭性能和較高的采購價格，為了（le）延長鑽具的使用壽命和節約成本，鑽具螺紋一般是修複而不是切斷。

1、石（shí）油（yóu）鑽具（jù）螺紋修複的一般方法

石油鑽井工具通常是錐形螺紋(圖1)。修複螺紋時，①根據（jù）螺紋磨損情況，切掉端麵一定長度L；(2)對應切割台階（jiē）麵的寬度L，並將切割後的直徑輪廓加工成（chéng）符合尺寸要求的（de）圓（yuán）錐麵；③沿原螺紋的螺旋軌跡加工整個螺紋，使（shǐ）其符（fú）合圖紙尺寸。磨損後

絲扣修複至（zhì）新，探傷後鑽具重新投入使用。

圖1螺紋修複

目（mù）前，石油鑽井工具螺紋大多由普通管（guǎn）螺紋車床修複。由（yóu）於操作者的工作經驗和車床的精度，螺紋的錐度、齒形、倒角等部位容易出現誤差。一些特殊螺紋的局部尺寸公差在0.2 mm以內，手（shǒu）工操作難以控製，影響加工效率。同時，操作員

長期彎腰操作車床容易造成腰部疲勞，影響健（jiàn）康。

2、車床加工（gōng）螺紋的原（yuán）理

主軸帶動工件的旋轉運動是主（zhǔ）要（yào）運（yùn）動，刀具的運動是進給運動。普通管螺紋車床加工螺紋是通過掛輪傳遞動力，帶動絲杠旋轉（zhuǎn），然後帶動大托板（bǎn）按（àn）調整（zhěng）後的螺距移動，調整小托板移動（dòng）刀尖軸向位置實現對刀，從而完成螺紋車削。它們是通過純機械傳動實現的，在螺紋加工過程中，如果（guǒ）出現切刀、停電、變速或舊螺紋修複等情況，可以輕鬆實現對（duì）刀和（hé）重新加（jiā）工。

數（shù）控車床無論轉哪種螺紋（wén），主運動和進給運動都要保持特定的關係，即工件必須轉一圈，刀具精確移動一個螺距。主軸轉速可通過程序調節（jiē），但轉角位置一般不可控。要實現（xiàn）切絲功（gōng）能，光電編碼器必須與主軸以1∶1傳動方式連接。當主軸旋轉時，編碼器同步旋轉，並向數控係統發送一係列脈衝信號（hào）。數控係統（tǒng）根據檢測到的主軸旋轉信號，選擇特定的轉角控製電機開始進給，實現車削螺紋所需的比（bǐ）例關係。

3、數控車床螺紋（wén）修複

數控車床每次螺紋進給前，數控係統掃（sǎo）描（miáo）光電編碼器的零脈衝，到達時開始進（jìn）給，否則（zé）處於等待狀態。這樣就保證了每次進給回轉的螺旋軌（guǐ）跡都是一（yī）樣的，防止了亂擰的（de）現象（xiàng）。

但是，在修複鑽具的舊螺紋（wén）時，存在螺（luó）紋起始位置（zhì）的對刀問（wèn）題。由於光電（diàn）編碼器的零脈衝可能與（yǔ）待修螺紋的起始位（wèi）置不同（tóng），當（dāng）主軸旋轉時，刀具按照G92(或G32)指令進行（háng）螺紋車削進給運（yùn）動時，會與（yǔ）待（dài）修螺紋的螺旋軌跡不重合（hé），導致原螺紋損（sǔn）壞甚至切削。因此，首先需要定位和轉動螺紋。定位就是（shì）以零脈衝為基（jī）準，使待修螺紋的起始（shǐ）位置與刀具相對應。定位後刀具（jù）可以沿著待修複螺紋的螺旋軌跡運動，所以修複螺紋的關鍵是定位（wèi）。

本研究的方法是在卡盤周圍（wéi）表（biǎo）麵標記零（líng）脈衝來確定螺紋車（chē）削的起點，用宏程序定位刀具位置:①對刀時，將卡盤轉到標（biāo）記位置，此時主軸位置就是零脈衝信號的位置，通（tōng）過一步操作宏程序，將刀尖移（yí）動到待修螺紋上方（fāng）的某個位置；②選擇手動脈衝發生器將刀尖移動到螺紋中間的一個（gè）螺旋槽（cáo），縮小放大倍數並微調刀尖的X和Z值，觀察（chá）刀尖和螺（luó）旋槽直到重合。這（zhè）時候要特別注意刀尖位置，否則容易壓壞刀塊；③選擇程序單步運行，通過公共變量#505讀取刀尖軸向（xiàng）Z位置信息的係統變量#5002，即#505=#5002，完成對刀操作；④單步運行宏程序，將刀尖移動到距離待（dài）修螺紋N個螺距的位置，該點(從X到Z)為起點，然後通（tōng）過變量表達式指定R的值，用螺紋圓弧切削（xuē）指令G92完成螺紋加工；⑤鑽（zuàn）具使用過程中，螺紋牙形有時會磨損。即使刀（dāo）具設置已經完成，在圓形切削指令G92的操（cāo）作過程中，可能（néng）會發現刀尖與要修複的螺紋螺旋線不完全（quán）重合(刀具被偏置)。此時可以賦值（zhí）變量#5來微調刀（dāo）尖(圖2)Z值的正或負，達到與待修複螺紋螺旋線重合的目的。

圖2工具提示調整參數

以NC50外螺紋加工程序為例。

(1)第1節，對刀操作:

在螺紋切削循環指令G92(圖3)中，參數X和Z代表每次切削終點的坐標值，R代表圓錐切削起點（diǎn）和終點的半徑差（chà），F代表螺距(NC50螺距為6.35 mm)。運行變量表達式Z[#505+#5+63.5]使（shǐ）成形刀具移動到距離刀具設置螺旋槽10個螺距的位置，該（gāi）位置為起點（diǎn）。目前（qián）沒有數據可以確定數控車床（chuáng）執行G32或G92指令時刀具升速段的準確距離，所以切削點與待修（xiū）螺紋端麵的距離(即N個螺距)取決於操作習慣（guàn）。然後（hòu），由變量表達式（shì）#4=[#3-#505-#5-56.5]/12指定參數R，並運行螺紋循（xún）環切削指令G92，以完成螺紋修複（fù）處（chù）理。

圖3螺紋圓形切削指令G92

4.結論。

在鑽具螺紋維修領域，以數控機床為代表的（de）自動化技術是未來的發展方向。本文介紹的方法應用成本（běn）低，不需要對數控車（chē）床進行專門（mén）改（gǎi）造。同時，利用數控車（chē）床修複鑽具螺紋提（tí）高了鑽（zuàn）具維修（xiū）質（zhì）量，修複後的螺紋尺寸穩定，降低了操作人員的勞動強度，為石油（yóu）鑽具螺紋維修提供了新的技術手段。