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    數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對策

    更新時間:2017-07-05 11:11:00點擊次數:773次字號:T|T
    特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控制難、接頭應力水平高等不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好密封性能的專用油套管接頭,其結構設計特點決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高,深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加,對特殊螺紋接頭的性能及質量控制要求越來越高。目前,國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車床,就是為了更好地控制特殊螺紋接頭的產品質量。
    特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控制難、接頭應力水平高等不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好密封性能的專用油套管接頭,其結構設計特點決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高,深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加,對特殊螺紋接頭的性能及質量控制要求越來越高。目前,國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車床,就是為了更好地控制特殊螺紋接頭的產品質量。
    顫紋是特殊螺紋接頭加工過程中常見的加工缺陷,直接影響到特殊螺紋接頭的使用性能和產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點,總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產生的原因及對策,為特殊螺紋接頭的生產質量控制提供了一定參考。
    管頭甩動
    1 顫紋產生的原因
    (1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足
    特殊螺紋接頭加工過程中,顫紋常見于螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型面是經過連續加工獲得的,理論上會保持較好的加工表面光潔度,而不會像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足,就會在加工過程中發生振動,從而在螺紋加工表面產生顫紋。
    在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工時,為避免加工顫紋的產生,可以根據螺紋的設計長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式,確定合理的管體懸出長度(見圖1),以避免管體懸出過長、管頭擺動造成加工顫紋的產生。此外,在進行外螺紋加工時,可根據管體幾何尺寸,設計管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖2),這樣可以更有效地降低顫紋的產生。
    管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥
    特殊螺紋加工時的進給量遠大于普通車削,因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避免加工過程中產生顫紋,要求在設計時根據加工管體的材料和特殊螺紋接頭的結構設計特點,制定合理的刀具設計方案,特別是設計內螺紋刀桿時,應注意刀桿直徑和懸出長度的關系。一般懸出長度控制在刀桿直徑的1.5-2倍為宜,如果需要加工內孔小且長的內螺紋時,盡量選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀桿。這些刀桿是為了解決加工孔小行程長的內螺紋專門設計的,一般懸出長度控制在刀桿直徑的3-4倍。另外,選擇適當的刀具材料和熱處理工藝也很重要,合理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛性好的車床可以更有效地控制特殊螺紋接頭加工的質量,防止加工過程中出現顫紋。
    (2)加工試樣的裝夾方式不合理
    除了車床、刀具以及管體本身的剛性不足,加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋出現的主要原因,例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低,在螺紋加工過程中,試樣會發生位置移動,導致顫紋產生;如果夾持壓力過高,接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形,盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔,但松開后,接頭彈性恢復,導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過盈來實現,當橢圓度超差時,會在原本過盈的地方產生間隙或更大的過盈量,使特殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外,卡爪尺寸不合適,不能與加工試樣的外表面完美貼合,勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度時,便會在加工過程出現樣品移動,產生顫紋。
    油套管螺紋的加工是一個長期總結經驗的過程,其加工時的夾持壓力就是一個重要的數據經驗積累,主要根據加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中的移動,同時把樣品變形控制在彈性范圍內,這樣既可以有效消除加工顫紋,還可以保證特殊螺紋的橢圓度。
    同樣,卡爪的設計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級并結合車床的特點專門設計。目前,常見的有平面卡爪和圓弧包爪。平面卡爪的夾持形式為點線接觸,這種夾持方式接觸面積小,可以有效增加卡爪和樣品表面之間的夾持力,防止加工樣品的移動,但會導致樣品受力不均,使樣品加工后的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸面積大,受力均勻,加工后的樣品尺寸好,橢圓度佳,但加工時相對容易出現異動,產生顫紋。因此,在加工特殊螺紋接頭時,應盡量選擇圓弧包爪,且包爪與樣品接觸的工作面應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3),以增加其摩擦力。同時,圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配,最好在加工前根據加工樣品的外徑尺寸,進行圓弧包爪的工作表面的鏜車,以避免圓弧直徑相差太大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包裹角度的設計,太小可能會導致夾持力不足,太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互干涉,導致樣品夾持不緊,產生顫紋。因此,在特殊螺紋的加工過程中,盡量選擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪,包裹角度應達到整個樣品圓周的中上水平,這樣不僅可以保證樣品的加工尺寸,同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。
    設置多凹槽圓弧包爪及夾持工件
    (3)刀具加工質量差或安裝不規范
    刀片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝置設計不合理以及不規范安裝都會導致樣品加工時產生顫紋。同時,刀桿安裝時,刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。
    刀片、刀墊以及相關配件的質量情況直接決定了樣品的加工質量,質量差的刀片、刀墊安裝在刀桿上后,不能很好地相互配合,會產生間隙,還有可能存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化,這些都會導致顫紋產生。因此,在特殊螺紋接頭加工時,應選擇質量可靠的專業刀具。此外,刀片、刀墊安裝不規范、裝夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑,都會導致加工過程中顫紋的出現。因此,安裝新的刀片、刀墊時,應按照操作規范進行安裝。在加工過程中,也要定期檢查刀片、刀墊是否松動或是夾入鐵屑,如有隱患應及時處理,以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性也是影響顫紋出現的重要原因之一,應盡量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊制造廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案,以降低加工過程中產生顫紋的可能性。
    刀具安裝規范
    刀桿安裝不規范、刀尖與車床中心高距離相差大,會導致刀具在車削時的刀具角度和理想角度偏差太大,刀具受力不在最佳狀態,從而導致樣品加工過程中產生振動,出現顫紋。因此,在進行刀具對刀時,一定要注意刀具安裝的角度,避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外的專業刀具廠家會配套專用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不配套對刀器,在確定刀具安裝角度時,可用基準刀對拔外皮后實心棒料進行平端面車削,找到棒料的圓心,并留下一個小圓錐臺,將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐臺軸線的高度上即可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與車床主軸回轉中心是否共線,因此會存在一定誤差。根據經驗,刀尖與車床主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內,可以有效減少加工顫紋的產生。
    (4)加工參數及方式選取不當
    特殊螺紋接頭的加工工藝是決定特殊螺紋接頭質量的重要影響因素,不同的吃刀量、車削速度等都會導致樣品加工質量上的差異。此外,加工方式的選擇也需要根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加工方式,才能有效降低加工顫紋出現的幾率。
    特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋,因此,該螺紋的車削屬于重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現:當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時,在螺紋表面都會產生顫紋;而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時,螺紋表面完好。因此,在進行特殊螺紋接頭加工時,應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況,摸索出合理的車削速度,以避免產生顫紋。另外,合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太大時,刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加,刀片與樣品的接觸面積逐漸增大,螺紋車削即將完成時,刀片會承受非常大的切削載荷,從而引起刀片出現輕微顫動或崩刀,產生顫紋,影響螺紋的表面質量。吃刀量過小、轉速較高時,刀具以一定進給速度前進,被車削的試樣無法緊壓住刀片,導致刀片在車削過程中產生顫動,引起顫紋,同時吃刀量太小也會導致加工效率大幅降低,影響制造廠家的經濟效益。
    螺紋車削常見進刀方式
    2 避免顫紋產生的辦法
    選擇合理的車削方式,可以有效改善螺紋的表面質量并提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃同時工作,排屑困難,切削力較大,容易扎刀、振動、刀尖易磨損,但操作相對簡單,牙型精度較高,一般適合于小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工;側向進刀的特點是不易扎刀,單刃切削,排鐵屑順暢,切削力較小,但背吃刀量較大,牙型精度差,螺紋表面粗糙度較大,易出現顫紋,而且不參與切削一側的刀刃磨損大;改進型側向進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損大和工件表面粗糙度大的問題;交互式進刀切削時,兩側刀刃磨損均勻,較適用于加工大螺距螺紋。因此,對于特殊螺紋的車削,可采用改進型側向進刀或交互式進刀方式,以實現單刀刃或雙刀刃切削,避免3個刀刃同時工作,減小振動出現的機率,避免顫紋的發生。
    小結
    顫紋是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象,不僅影響特殊螺紋接頭的表面質量,還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化,因此,加工過程中應避免顫紋的產生。
    (1)車床、加工樣品以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因素,應當選擇剛性高的刀具和車床,同時根據加工管體的實際情況,適當設計或增加一些減振防顫的工裝或工藝;
    (2)試樣裝夾不規范、刀具安裝不合理也是引起顫紋的因素之一,生產廠家應建立相應的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件,定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查;
    (3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況,制定合理的加工工藝參數及加工方式,有效控制特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產生。
    (編輯:admin)
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