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數(shù)控車床修復(fù)鉆具螺紋的研究

發(fā)布日期:2022-06-23 11:08:37  點(diǎn)擊次數(shù):5563

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(shí)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(jià)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(shí),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(tái)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(gè)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。

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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(yàn)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(shí),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(dòng)工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是主要運(yùn)動(dòng),刀具的運(yùn)動(dòng)是進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。普通管螺紋車床加工螺紋是通過掛輪傳遞動(dòng)力,帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn),然后帶動(dòng)大托板按調(diào)整后的螺距移動(dòng),調(diào)整小托板移動(dòng)刀尖軸向位置實(shí)現(xiàn)對刀,從而完成螺紋車削。它們是通過純機(jī)械傳動(dòng)實(shí)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(shí)現(xiàn)對刀和重新加工。


數(shù)控車床無論轉(zhuǎn)哪種螺紋,主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(dòng)一個(gè)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(shí)現(xiàn)切絲功能,光電編碼器必須與主軸以1∶1傳動(dòng)方式連接。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí),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(jī)開始進(jìn)給,實(shí)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(jìn)給前,數(shù)控系統(tǒng)掃描光電編碼器的零脈沖,到達(dá)時(shí)開始進(jìn)給,否則處于等待狀態(tài)。這樣就保證了每次進(jìn)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(shí),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(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí),刀具按照G92(或G32)指令進(jìn)行螺紋車削進(jìn)給運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)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(dòng)螺紋。定位就是以零脈沖為基準(zhǔn),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(yùn)動(dòng),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(biāo)記零脈沖來確定螺紋車削的起點(diǎn),用宏程序定位刀具位置:①對刀時(shí),將卡盤轉(zhuǎn)到標(biāo)記位置,此時(shí)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(dòng)到待修螺紋上方的某個(gè)位置;②選擇手動(dòng)脈沖發(fā)生器將刀尖移動(dòng)到螺紋中間的一個(gè)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(shí)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(yùn)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(yùn)行宏程序,將刀尖移動(dòng)到距離待修螺紋N個(gè)螺距的位置,該點(diǎn)(從X到Z)為起點(diǎn),然后通過變量表達(dá)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(shí)會(huì)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(huì)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(shí)可以賦值變量#5來微調(diào)刀尖(圖2)Z值的正或負(fù),達(dá)到與待修復(fù)螺紋螺旋線重合的目的。

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圖2工具提示調(diào)整參數(shù)


以NC50外螺紋加工程序?yàn)槔?/p>


(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(diǎn)的坐標(biāo)值,R代表圓錐切削起點(diǎn)和終點(diǎn)的半徑差,F(xiàn)代表螺距(NC50螺距為6.35 mm)。運(yùn)行變量表達(dá)式Z[#505+#5+63.5]使成形刀具移動(dòng)到距離刀具設(shè)置螺旋槽10個(gè)螺距的位置,該位置為起點(diǎn)。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(shí)刀具升速段的準(zhǔn)確距離,所以切削點(diǎn)與待修螺紋端面的距離(即N個(gè)螺距)取決于操作習(xí)慣。然后,由變量表達(dá)式#4=[#3-#505-#5-56.5]/12指定參數(shù)R,并運(yùn)行螺紋循環(huán)切削指令G92,以完成螺紋修復(fù)處理。

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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(jī)床為代表的自動(dòng)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(jìn)行專門改造。同時(shí),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(dòng)強(qiáng)度,為石油鉆具螺紋維修提供了新的技術(shù)手段。

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