01
序言

GB/T 9253.2—2017中規(guī)定的石油天然氣工業(yè)用套管、油管和管線管螺紋，統(tǒng)一俗稱為API螺紋，廣泛應(yīng)用于泵、閥、防噴器等石油天然氣機械設(shè)備的管道聯(lián)接[1]。其中油管螺紋分為不加厚油管圓螺紋（TBG）和外加厚油管圓螺紋（UP TBG），套管螺紋分為套管短圓螺紋（CSG）、套管長圓螺紋（LCSG）和偏梯形套管螺紋（BCSG），另外還有一類管線管螺紋（LP）。在全部89種API螺紋中，除BCSG 16、185/8和20三種螺紋代號的錐度為1∶12外，其余錐度均為1∶16[2]。本文程序以錐度1∶16螺紋加工為例介紹。

API螺紋通常可以通過數(shù)控車削加工制造，但在一些石油天然氣機械設(shè)備中，特別是大型主體零件中有API螺紋時，因零件本體笨重，所以不便使用數(shù)控車削方法，只能通過數(shù)控銑削完成加工。這類螺紋代號眾多，如果每一種代號螺紋都獨立編程，不僅工作量大，而且調(diào)試繁瑣。為了規(guī)范編程和標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)，我們經(jīng)過數(shù)學(xué)計算，推導(dǎo)出API螺紋參數(shù)的變量關(guān)系，編寫出銑削外、內(nèi)兩種螺紋的參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)程序。無論是銑削該類螺紋中哪一種代號，只要在GB標(biāo)準(zhǔn)中查出幾個主要參數(shù)，改寫標(biāo)準(zhǔn)程序中前幾行的獨立變量值，即可直接銑削。為簡明起見，本文中也列出根據(jù)GB/T 9253.2—2017查取的銑削TBG螺紋所需的各獨立變量，以便讀者參考。

02
API螺紋銑削變量及其計算

2.1 銑削變量含義及其之間的數(shù)學(xué)運算關(guān)系

為了便于應(yīng)用時查取和比較內(nèi)、外螺紋各變量，現(xiàn)將各銑削變量含義列于表1中。表1中變量分為兩類，一類為獨立變量，包括#1～#5、#7、#11以及僅內(nèi)螺紋的#6、#8，在GB/T 9253.2—2017中可查出對應(yīng)數(shù)據(jù)；另一類為派生變量，可由獨立變量計數(shù)，根據(jù)銑削工況確定。

表1　銑削變量定義

派生變量可在程序內(nèi)計算得出。其中內(nèi)、外螺紋相同的參數(shù)在程序內(nèi)計算如下。

#3=25.4/#3

#9=#7+10

#15=#3/32

#24=#23*TAN[#11]

#25=#23/32

外螺紋參數(shù)在程序內(nèi)計算如下。

#8=FIX[#2/2-#5-#1/32]（即FIX[#12]）

#12=#2/2-#5-#1/32

#13=#2/2+#4-#5-#8-#1/32

#13=#13/[TAN[#11]-1/32]

#14=#13*TAN[#11]+#8

#8=#8+#20

#12=#12+#30

#14=#14+#20

#16=2*#8

d=#2+(#7+10-#1)/16+2*(#4-#5)

內(nèi)螺紋參數(shù)在程序內(nèi)計算如下。

#7=#7+2*#3+12.7+#1

#8=#8/2

#12=#2/2+#5+#1/32

#13=#8-#12+#4+TAN[#11]*#6

#13=#13/[TAN[#11]-1/32]

#14=#12-#4-#13/32

#8=#8-#20

#12=#12-#30

#14=#14-#20

D=#2-(#7+10-#1)/16-2*(#4-#5)

2.2 API螺紋銑削時獨立變量取值方法

為了便于銑削時查取并進(jìn)一步說明各代號螺紋獨立變量是如何取值的，以9種不加厚油管圓螺紋（TBG螺紋）為例，在GB/T 9253.2—2017中查取參數(shù)，根據(jù)定義將獨立變量建立統(tǒng)一表格，具體見表2。

表2 9種TBG螺紋獨立變量取值

API螺紋中錐度1∶16的其他螺紋可參照表2在GB/T 9253.2—2017中查取到相應(yīng)值。值得一提的是BCSG螺紋的內(nèi)螺紋無端面引導(dǎo)孔，其變量#6=0。另外，GB/T 9253.2—2017較前版本螺紋倒角有修改，外螺紋倒角均為#11=30，內(nèi)螺紋倒角除LP螺紋為#11=35外，其余均為#11=25。

03
銑削工藝及質(zhì)量控制

1）為簡明起見，內(nèi)、外螺紋工件毛坯分別按表1中公式計算出直徑d、長度（#7+10）和孔徑D、長度（#7+10），并加工成圓柱體和圓柱孔。

2）根據(jù)各代號螺紋的大小選擇足夠直徑的銑刀桿，以滿足加工剛性的需求。對于每英寸8牙和10牙的螺紋，銑削外圓錐或圓錐孔使用D32規(guī)格的銑刀，刀號T2，銑削外、內(nèi)螺紋使用D30規(guī)格的螺紋銑刀，刀號T3。對于TBG 1.050等代號的螺紋，銑刀桿直徑相應(yīng)選小，并增加銑削次數(shù)。

3）選擇自帶頂牙切削的螺紋銑刀，頂牙圓錐在銑削時半徑留0.2mm余量，由螺紋銑刀頂牙切削。

4）不作配合使用的螺紋以外的加工部位，粗、精銑用同一把刀一次銑削完成，在編程時不使用刀尖圓弧半徑補償和刀具磨耗補償。

5）設(shè)置#10作為螺紋銑刀磨耗補償或分次切削的精銑余量。當(dāng)#10＞0時，程序執(zhí)行頂牙銑削和2次螺紋銑削；#10≤0時，程序跳轉(zhuǎn)僅執(zhí)行1次螺紋銑削。

6）對于絕大部分每英寸10牙或8牙的API螺紋，其牙高為1.412mm或1.81mm。為提高螺紋加工精度，采用2次螺紋銑削，精銑時余量為30%左右，一般#10=0.4（另含0.2mm的頂牙切削量）。

7）當(dāng)發(fā)現(xiàn)螺紋銑刀有磨耗而牙型切削未達(dá)深度時，可設(shè)#10=－0.3（舉例），重新調(diào)用程序，此時程序直接跳轉(zhuǎn)至N201，進(jìn)行帶補償后的1次螺紋切削，然后結(jié)束。此程序之所以有2次#10≤0判斷，而不是直接跳轉(zhuǎn)至N202，是因為程序中T3刀銑削螺紋的起動設(shè)置在N201之后，且便于刀補#10僅一次計入。

8）在機床操作時，圓錐頂牙銑削和圓錐螺紋銑削，每一次進(jìn)給銑削的螺旋線，其起點與終點半徑均不相等。即使是起點與終點半徑相差最小的1∶16每英寸10牙的API螺紋，其差值也有（25.4/10）/32≈0.08mm=80μm。35°圓錐倒角部分的起點與終點半徑差值則更大。查閱FANUC系統(tǒng)使用說明書，找到控制G02/G03指令執(zhí)行時設(shè)定起點與終點半徑極限差值的參數(shù)NO.3410[3]，其默認(rèn)值為30μm，可設(shè)定該參數(shù)值為0，不進(jìn)行圓弧半徑差的檢查，編程時按起點半徑編程。本次銑削后，可立即修改回默認(rèn)值。

04
程序編制

基于FANUC系統(tǒng)分別編寫外、內(nèi)兩種API螺紋的數(shù)控銑削參數(shù)化標(biāo)準(zhǔn)程序，程序開頭的獨立變量取值以TBG 23/8代號的螺紋為例。程序中句后帶“（V）”標(biāo)記的為每一代號API螺紋的獨立變量參數(shù)，其值在GB/T 9253.2—2017中可以查取。

（1）外螺紋銑削程序 具體如下。

%

O2201(TBG2.3/8-10-W-T2D32\T3D30)

#10=0.4（設(shè)置螺紋刀補或精銑余量或分次切削）

#20=32/2（M）

#30=30/2（M）

#31=100（M）

#1=24.87（V）

#2=58.757（V）

#3=10（V）

#3=25.4/#3

#4=1.412（V）

#5=0.744（V）

#7=41.28（V）

#8=FIX[#2/2-#5-#1/32]

#9=#7+10

#11=30（V）

#12=#2/2-#5-#1/32

#13=#2/2+#4-#5-#8-#1/32

#13=#13/[TAN[#11]-1/32]

#14=#13*TAN[#11]+#8

#15=#3/32

#8=#8+#20

#12=#12+#30+#10 （計入刀補）

#14=#14+#20+0.2 （留0.2mm由螺紋銑刀頂牙切削）

#16=2*#8

IF[#10 LE 0]GOTO 201

N100 （銑削倒角和頂徑）

M6T2(T2D32)

#21=0

#23=0.5 （M）

#24=#23*TAN[#11]

#25=#23/32

G90G54G17G0X#16Y0

M03S2000F500

M08

G43H2Z#31

Z#21

G03X#8I-[#16/2-#8/2]

N10IF[#21LE-#13]GOTO11

#21=#21-#23

#8=#8+#24

G02X#8I-[#8-#24]Z#21

GOTO10

N11#21=-#13

G1Z#21（#13不被#23整除，引起過深）

X#14（恢復(fù)刀具至倒角終止處）

N12IF[#21LE-#9]GOTO13

#21=#21-#23

#14=#14+#25

G02X#14I-[#14-#25]Z#21

GOTO12

N13G03X#16I[#16/2-#14/2]

G0Z#31

M05

N201（銑削螺紋1）

M6T3(T3D30-TBG)

#21=0

G90G54G17G0X#16Y0

M03S2000F200

G43H3Z#31

Z#21

G03X#12I-[#16/2-#12/2]

N20IF[#21LE-#7]GOTO21

#21=#21-#3

#12=#12+#15

G02X#12I-[#12-#15]Z#21

GOTO20

N21G03X#16I[#16/2-#12/2]

N202 （銑削螺紋2）

IF[#10 LE 0]GOTO 300

#12=#2/2-#5-#1/32

#12=#12+#30 （重新定義#12，無刀補）

#21=0

G0Z#21

G03X#12I-[#16/2-#12/2]

N22IF[#21LE-#7]GOTO23

#21=#21-#3

#12=#12+#15

G02X#12I-[#12-#15]Z#21

GOTO22

N23G03X#16I[#16/2-#12/2]

N300

G0Z#31

X0Y250

M30

%

（2）內(nèi)螺紋銑削程序 具體如下。

%

O2202(TBG2.3/8-10-N-T2D32\T3D30)

#10=0.4（設(shè)置螺紋刀補或精銑余量或分次切削）

#20=32/2（M）

#30=30/2（M）

#31=100（M）

#1=11.33（V）

#2=58.757（V）

#3=10（V）

#3=25.4/#3

#4=1.412（V）

#5=0.744（V）

#6=7.9（V）

#7=24.87（V）

#7=#7+2*#3+12.7+#1

#8=61.9（V）

#8=#8/2

#9=#7+10

#11=25（V）

#12=#2/2+#5+#1/32

#13=#8-#12+#4+TAN[#11]*#6

#13=#13/[TAN[#11]-1/32]

#14=#12-#4-#13/32

#15=#3/32

#8=#8-#20

#12=#12-#30-#10 （計入刀補）

#14=#14-#20-0.2 （留0.2mm由螺紋刀頂牙切削）

IF[#10 LE 0]GOTO 201

N100 （銑削引導(dǎo)孔、倒角和頂徑）

M6T2(T2D32）

#21=0

#23=0.5（M）

#24=#23*TAN[#11]

#25=#23/32

G90G54G17G0X0Y0

M03S2000F500

M08

G43H2Z#31

Z#21

G02X#8I[#8/2]

#6=#6-#23 （#6不被#23整除，防止深度過切）

N10IF[#21LE-#6]GOTO11

#21=#21-#23

G02I-#8Z#21

GOTO10

N11#21=-[#6+#23]

G02I-#8Z#21

I-#8

N12IF[#21LE-#13]GOTO13

#21=#21-#23

#8=#8-#24

G02X#8I-[#8+#24]Z#21

GOTO12

N13#21=-#13

G1Z#21（[#13-#6]不被#23整除，引起過深）

X#14（恢復(fù)刀具至倒角終止處）

N14IF[#21LE-#9]GOTO15

#21=#21-#23

#14=#14-#25

G02X#14I-[#14+#25]Z#21

GOTO14

N15G02X0I-[#14/2]

G0Z#31

M05

N201（銑削螺紋1）

M6T3(T3D30-TBG)

#21=0

G90G54G17G0X0Y0

M03S2000F200

G43H3Z#31

Z#21

G02X#12I[#12/2]

N20IF[#21LE-#7]GOTO21

#21=#21-#3

#12=#12-#15

G02X#12I-[#12+#15]Z#21

GOTO20

N21G02X0I-[#12/2]

N202（銑削螺紋2）

IF[#10 LE 0]GOTO 300

#12=#2/2+#5+#1/32

#12=#12-#30（重新定義#12，無刀補）

#21=0

G0Z#21

G02X#12I[#12/2]

N22IF[#21LE-#7]GOTO23

#21=#21-#3

#12=#12-#15

G02X#12I-[#12+#15]Z#21

GOTO22

N23G02X0I-[#12/2]

N300

G0Z#31

X0Y250

M30

%

05
結(jié)束語

使用本文程序銑削有兩種代號TBG螺紋的法蘭。該編程方法同樣適用于尺寸較大，錐度1∶16的NPT螺紋（GB/T 12716—2011）以及PT、Rc、R1、R2螺紋（GB/T 7306.1—2000和GB/T 7306.2—2000）或其他錐度的錐度螺紋銑削加工。