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，統一俗稱為API螺紋，廣泛應用于泵、閥、防噴器等石油天然氣機械設備的管道聯接[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?？梢酝ㄟ^數控車削加工制造，但在一些石油天然氣機械設備中，特別是大型主體零件中有API螺紋時，因零件本體笨重，所以不便使用數控車削方法，只能通過數控銑削完成加工。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，而且調試繁瑣。為了規(guī)范編程和標準化作業(yè)，我們經過數學計算，推導出API螺紋參數的變量關系，編寫出銑削外、內兩種螺紋的參數化標準程序。無論是銑削該類螺紋中哪一種代號，只要在GB標準中查出幾個主要參數，改寫標準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學運算關系

為了便于應用時查取和比較內、外螺紋各變量，現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以及僅內螺紋的#6、#8，在GB/T 9253.2—2017中可查出對應數據；另一類為派生變量，可由獨立變量計數，根據銑削工況確定。

表1　銑削變量定義

派生變量可在程序內計算得出。其中內、外螺紋相同的參數在程序內計算如下。

#3=25.4/#3

#9=#7+10

#15=#3/32

#24=#23*TAN[#11]

#25=#23/32

外螺紋參數在程序內計算如下。

#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)

內螺紋參數在程序內計算如下。

#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，根據定義將獨立變量建立統一表格，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中查取到相應值。值得一提的是BCSG螺紋的內螺紋無端面引導孔，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
銑削工藝及質量控制

1）為簡明起見，內、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，銑刀桿直徑相應選小，并增加銑削次數。

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）設置#10作為螺紋銑刀磨耗補償或分次切削的精銑余量。當#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）當發(fā)現螺紋銑刀有磨耗而牙型切削未達深度時，可設#10=－0.3（舉例），重新調用程序，此時程序直接跳轉至N201，進行帶補償后的1次螺紋切削，然后結束。此程序之所以有2次#10≤0判斷，而不是直接跳轉至N202，是因為程序中T3刀銑削螺紋的起動設置在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系統使用說明書，找到控制G02/G03指令執(zhí)行時設定起點與終點半徑極限差值的參數NO.3410[3]，其默認值為30μm，可設定該參數值為0，不進行圓弧半徑差的檢查，編程時按起點半徑編程。本次銑削后，可立即修改回默認值。

04
程序編制

基于FANUC系統分別編寫外、內兩種API螺紋的數控銑削參數化標準程序，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）”標記的為每一代號API螺紋的獨立變量參數，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）內螺紋銑削程序 具體如下。

%

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

#10=0.4（設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。