0簡介

石油鉆具在鉆井過程中，承受復(fù)雜的應(yīng)力和較大的載荷，其連接螺紋容易磨損和齒變形。如果不及時修復(fù)，很容易造成鉆具脫落、刺漏等失效事故。由于鉆具管具有優(yōu)良的抗拉、抗扭性能和較高的采購價格，為了延長鉆具的使用壽命和節(jié)約成本，鉆具螺紋一般是修復(fù)而不是切斷。

1、石油鉆具螺紋修復(fù)的一般方法

石油鉆井工具通常是錐形螺紋(圖1)。修復(fù)螺紋時，①根據(jù)螺紋磨損情況，切掉端面一定長度L；(2)對應(yīng)切割臺階面的寬度L，并將切割后的直徑輪廓加工成符合尺寸要求的圓錐面；③沿原螺紋的螺旋軌跡加工整個螺紋，使其符合圖紙尺寸。磨損后

絲扣修復(fù)至新，探傷后鉆具重新投入使用。

圖1螺紋修復(fù)

目前，石油鉆井工具螺紋大多由普通管螺紋車床修復(fù)。由于操作者的工作經(jīng)驗和車床的精度，螺紋的錐度、齒形、倒角等部位容易出現(xiàn)誤差。一些特殊螺紋的局部尺寸公差在0.2 mm以內(nèi)，手工操作難以控制，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，影響健康。

2、車床加工螺紋的原理

主軸帶動工件的旋轉(zhuǎn)運動是主要運動，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)，然后帶動大托板按調(diào)整后的螺距移動，調(diào)整小托板移動刀尖軸向位置實現(xiàn)對刀，從而完成螺紋車削。它們是通過純機械傳動實現(xiàn)的，在螺紋加工過程中，如果出現(xiàn)切刀、停電、變速或舊螺紋修復(fù)等情況，可以輕松實現(xiàn)對刀和重新加工。

數(shù)控車床無論轉(zhuǎn)哪種螺紋，主運動和進給運動都要保持特定的關(guān)系，即工件必須轉(zhuǎn)一圈，刀具精確移動一個螺距。主軸轉(zhuǎn)速可通過程序調(diào)節(jié)，但轉(zhuǎn)角位置一般不可控。要實現(xiàn)切絲功能，光電編碼器必須與主軸以1∶1傳動方式連接。當主軸旋轉(zhuǎn)時，編碼器同步旋轉(zhuǎn)，并向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送一系列脈沖信號。數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)檢測到的主軸旋轉(zhuǎn)信號，選擇特定的轉(zhuǎn)角控制電機開始進給，實現(xiàn)車削螺紋所需的比例關(guān)系。

3、數(shù)控車床螺紋修復(fù)

數(shù)控車床每次螺紋進給前，數(shù)控系統(tǒng)掃描光電編碼器的零脈沖，到達時開始進給，否則處于等待狀態(tài)。這樣就保證了每次進給回轉(zhuǎn)的螺旋軌跡都是一樣的，防止了亂擰的現(xiàn)象。

但是，在修復(fù)鉆具的舊螺紋時，存在螺紋起始位置的對刀問題。由于光電編碼器的零脈沖可能與待修螺紋的起始位置不同，當主軸旋轉(zhuǎn)時，刀具按照G92(或G32)指令進行螺紋車削進給運動時，會與待修螺紋的螺旋軌跡不重合，導(dǎo)致原螺紋損壞甚至切削。因此，首先需要定位和轉(zhuǎn)動螺紋。定位就是以零脈沖為基準，使待修螺紋的起始位置與刀具相對應(yīng)。定位后刀具可以沿著待修復(fù)螺紋的螺旋軌跡運動，所以修復(fù)螺紋的關(guān)鍵是定位。

本研究的方法是在卡盤周圍表面標記零脈沖來確定螺紋車削的起點，用宏程序定位刀具位置:①對刀時，將卡盤轉(zhuǎn)到標記位置，此時主軸位置就是零脈沖信號的位置，通過一步操作宏程序，將刀尖移動到待修螺紋上方的某個位置；②選擇手動脈沖發(fā)生器將刀尖移動到螺紋中間的一個螺旋槽，縮小放大倍數(shù)并微調(diào)刀尖的X和Z值，觀察刀尖和螺旋槽直到重合。這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Z位置信息的系統(tǒng)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修螺紋N個螺距的位置，該點(從X到Z)為起點，然后通過變量表達式指定R的值，用螺紋圓弧切削指令G92完成螺紋加工；⑤鉆具使用過程中，螺紋牙形有時會磨損。即使刀具設(shè)置已經(jīng)完成，在圓形切削指令G92的操作過程中，可能會發(fā)現(xiàn)刀尖與要修復(fù)的螺紋螺旋線不完全重合(刀具被偏置)。此時可以賦值變量#5來微調(diào)刀尖(圖2)Z值的正或負，達到與待修復(fù)螺紋螺旋線重合的目的。

圖2工具提示調(diào)整參數(shù)

以NC50外螺紋加工程序為例。

(1)第1節(jié)，對刀操作:

在螺紋切削循環(huán)指令G92(圖3)中，參數(shù)X和Z代表每次切削終點的坐標值，R代表圓錐切削起點和終點的半徑差，F(xiàn)代表螺距(NC50螺距為6.35 mm)。運行變量表達式Z[#505+#5+63.5]使成形刀具移動到距離刀具設(shè)置螺旋槽10個螺距的位置，該位置為起點。目前沒有數(shù)據(jù)可以確定數(shù)控車床執(zhí)行G32或G92指令時刀具升速段的準確距離，所以切削點與待修螺紋端面的距離(即N個螺距)取決于操作習(xí)慣。然后，由變量表達式#4=[#3-#505-#5-56.5]/12指定參數(shù)R，并運行螺紋循環(huán)切削指令G92，以完成螺紋修復(fù)處理。

圖3螺紋圓形切削指令G92

4.結(jié)論。

在鉆具螺紋維修領(lǐng)域，以數(shù)控機床為代表的自動化技術(shù)是未來的發(fā)展方向。本文介紹的方法應(yīng)用成本低，不需要對數(shù)控車床進行專門改造。同時，利用數(shù)控車床修復(fù)鉆具螺紋提高了鉆具維修質(zhì)量，修復(fù)后的螺紋尺寸穩(wěn)定，降低了操作人員的勞動強度，為石油鉆具螺紋維修提供了新的技術(shù)手段。