数控车床修复钻具螺纹的研究

0简介

石油钻具在钻井过程中，承受复杂的应力和较大的载荷，其连接螺纹容易磨损和齿变形。如果不及时修复，很容易造成钻具脱落、刺漏等失效事故。由于钻具管具有优良的抗拉、抗扭性能和较高的采购价格，为了延长钻具的使用寿命和节约成本，钻具螺纹一般是修复而不是切断。

1、石油钻具螺纹修复的一般方法

石油钻井工具通常是锥形螺纹(图1)。修复螺纹时，①根据螺纹磨损情况，切掉端面一定长度L；(2)对应切割台阶面的宽度L，并将切割后的直径轮廓加工成符合尺寸要求的圆锥面；③沿原螺纹的螺旋轨迹加工整个螺纹，使其符合图纸尺寸。磨损后

丝扣修复至新，探伤后钻具重新投入使用。

图1螺纹修复

目前，石油钻井工具螺纹大多由普通管螺纹车床修复。由于操作者的工作经验和车床的精度，螺纹的锥度、齿形、倒角等部位容易出现误差。一些特殊螺纹的局部尺寸公差在0.2 mm以内，手工操作难以控制，影响加工效率。同时，操作员

长期弯腰操作车床容易造成腰部疲劳，影响健康。

2、车床加工螺纹的原理

主轴带动工件的旋转运动是主要运动，刀具的运动是进给运动。普通管螺纹车床加工螺纹是通过挂轮传递动力，带动丝杠旋转，然后带动大托板按调整后的螺距移动，调整小托板移动刀尖轴向位置实现对刀，从而完成螺纹车削。它们是通过纯机械传动实现的，在螺纹加工过程中，如果出现切刀、停电、变速或旧螺纹修复等情况，可以轻松实现对刀和重新加工。

数控车床无论转哪种螺纹，主运动和进给运动都要保持特定的关系，即工件必须转一圈，刀具精确移动一个螺距。主轴转速可通过程序调节，但转角位置一般不可控。要实现切丝功能，光电编码器必须与主轴以1∶1传动方式连接。当主轴旋转时，编码器同步旋转，并向数控系统发送一系列脉冲信号。数控系统根据检测到的主轴旋转信号，选择特定的转角控制电机开始进给，实现车削螺纹所需的比例关系。

3、数控车床螺纹修复

数控车床每次螺纹进给前，数控系统扫描光电编码器的零脉冲，到达时开始进给，否则处于等待状态。这样就保证了每次进给回转的螺旋轨迹都是一样的，防止了乱拧的现象。

但是，在修复钻具的旧螺纹时，存在螺纹起始位置的对刀问题。由于光电编码器的零脉冲可能与待修螺纹的起始位置不同，当主轴旋转时，刀具按照G92(或G32)指令进行螺纹车削进给运动时，会与待修螺纹的螺旋轨迹不重合，导致原螺纹损坏甚至切削。因此，首先需要定位和转动螺纹。定位就是以零脉冲为基准，使待修螺纹的起始位置与刀具相对应。定位后刀具可以沿着待修复螺纹的螺旋轨迹运动，所以修复螺纹的关键是定位。

本研究的方法是在卡盘周围表面标记零脉冲来确定螺纹车削的起点，用宏程序定位刀具位置:①对刀时，将卡盘转到标记位置，此时主轴位置就是零脉冲信号的位置，通过一步操作宏程序，将刀尖移动到待修螺纹上方的某个位置；②选择手动脉冲发生器将刀尖移动到螺纹中间的一个螺旋槽，缩小放大倍数并微调刀尖的X和Z值，观察刀尖和螺旋槽直到重合。这时候要特别注意刀尖位置，否则容易压坏刀块；③选择程序单步运行，通过公共变量#505读取刀尖轴向Z位置信息的系统变量#5002，即#505=#5002，完成对刀操作；④单步运行宏程序，将刀尖移动到距离待修螺纹N个螺距的位置，该点(从X到Z)为起点，然后通过变量表达式指定R的值，用螺纹圆弧切削指令G92完成螺纹加工；⑤钻具使用过程中，螺纹牙形有时会磨损。即使刀具设置已经完成，在圆形切削指令G92的操作过程中，可能会发现刀尖与要修复的螺纹螺旋线不完全重合(刀具被偏置)。此时可以赋值变量#5来微调刀尖(图2)Z值的正或负，达到与待修复螺纹螺旋线重合的目的。

图2工具提示调整参数

以NC50外螺纹加工程序为例。

(1)第1节，对刀操作:

在螺纹切削循环指令G92(图3)中，参数X和Z代表每次切削终点的坐标值，R代表圆锥切削起点和终点的半径差，F代表螺距(NC50螺距为6.35 mm)。运行变量表达式Z[#505+#5+63.5]使成形刀具移动到距离刀具设置螺旋槽10个螺距的位置，该位置为起点。目前没有数据可以确定数控车床执行G32或G92指令时刀具升速段的准确距离，所以切削点与待修螺纹端面的距离(即N个螺距)取决于操作习惯。然后，由变量表达式#4=[#3-#505-#5-56.5]/12指定参数R，并运行螺纹循环切削指令G92，以完成螺纹修复处理。

图3螺纹圆形切削指令G92

4.结论。

在钻具螺纹维修领域，以数控机床为代表的自动化技术是未来的发展方向。本文介绍的方法应用成本低，不需要对数控车床进行专门改造。同时，利用数控车床修复钻具螺纹提高了钻具维修质量，修复后的螺纹尺寸稳定，降低了操作人员的劳动强度，为石油钻具螺纹维修提供了新的技术手段。