西門子840D系統(tǒng)R參數(shù)在油套管編程中的應(yīng)用

謝建雷，周海芳，郎 帆，趙春喜，方繼鴻

（1.渤海石油裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司，天津 300280； 2.中國(guó)石油管道局工程有限公司天津分公司，天津 300280）

0 引言

840D是由西門子公司開發(fā)的一種先進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)，將CNC和驅(qū)動(dòng)控制集成在一塊板上，將閉環(huán)控制的全部硬件和軟件集成在一個(gè)空間中，便于編程、操作和監(jiān)控。它的人機(jī)界面建立在FlexOs基礎(chǔ)上，更易操作、掌握。840D與西門子611D伺服驅(qū)動(dòng)模塊及西門子S7-300PLC模塊構(gòu)成的全數(shù)字?jǐn)?shù)控系統(tǒng)，應(yīng)用于眾多數(shù)控加工領(lǐng)域，能實(shí)現(xiàn)鉆、車、銑、磨等數(shù)控功能,在API油套管螺紋加工編程中廣泛應(yīng)用。

在西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中，通過使用計(jì)算參數(shù)R可以靈活編制加工程序，可以用同一程序?qū)Σ煌叽纭⒉煌瑤缀涡螤铑愃频墓ぜM(jìn)行加工，節(jié)省編程時(shí)間，操作簡(jiǎn)單，提高工作效率。渤海石油裝備新世紀(jì)機(jī)械制造有限公司的套管螺紋加工機(jī)床MPM T7，采用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)，主要用于加工油套管螺紋。下面將主要介紹計(jì)算參數(shù)R在油套管螺紋加工編程中的應(yīng)用。

1 油套管螺紋

油管和套管是油井管的主要組成部分，是封隔地層和產(chǎn)出油氣的唯一通道，在油氣勘探開發(fā)中有重要作用。其中，油套管之間全部靠螺紋進(jìn)行連接，油套管的螺紋加工質(zhì)量直接影響其使用的安全可靠性和油井的開采壽命。常用的API油套管螺紋為圓螺紋和偏梯形螺紋，圓螺紋（齒頂、齒底為圓弧狀）錐度為1∶16；牙型角為 60°，牙側(cè)角為 30°；螺距為 3.175 mm（8 牙/英寸）和 2.54 mm（10牙/英寸）；牙型高度1.81 mm（8牙/英寸）和1.412 mm（10牙/英寸）。偏梯形螺紋13 3/8英寸以下錐度為1∶16，16英寸以上錐度為 1∶12，螺距為 5.08 mm（5 牙/英寸）；牙型高為 1.575 mm；牙側(cè)角為 3°和 13°，牙型角為 13°。

以圓螺紋為例，圓螺紋套管公扣部分基本參數(shù)如圖1所示。在API Spec 5B中，手緊嚙合平面處螺紋中徑E1和管端至手緊面長(zhǎng)度L1是螺紋各部分要素進(jìn)行計(jì)算、加工、測(cè)量和檢驗(yàn)的基本尺寸，通過螺紋錐度和E1，L1的大小計(jì)算出螺紋小頭外徑尺寸，作為油套管螺紋程序加工的起刀位置，常用規(guī)格套管圓螺紋尺寸如表1。

圖1 套管圓螺紋公扣基本參數(shù)

2 840D螺紋加工代碼介紹

西門子數(shù)控系統(tǒng)中帶恒定螺距的切削螺紋代碼為G33，在帶縱向軸Z和橫向軸X的車床編程應(yīng)用：

（1）加工圓柱形螺紋。G33 Z K SF=

（2）加工錐螺紋。G33 X Z K/ISF=

其中，X，Z為直角坐標(biāo)中的終點(diǎn)；I，K為螺紋導(dǎo)程（K用于錐角＜45°，I用于錐角＞45°）；SF為起點(diǎn)偏置，編制復(fù)式螺紋程序時(shí)才需要。

在數(shù)控系統(tǒng)中，完成螺紋加工的要素為：主軸轉(zhuǎn)速n和螺紋螺距t，進(jìn)給速度F=nt，控制系統(tǒng)從已編程的主軸速度及螺距中計(jì)算所需的進(jìn)給率，車刀按照此進(jìn)給率穿過螺距長(zhǎng)度，所以在G33代碼中不用給出進(jìn)給速度F，其編程加工示例如圖2。

表1 常用規(guī)格套管圓螺紋尺寸/mm

圖2 G33編程加工示例

編程示例：加工如圖錐形螺紋

N10 G1 X60 Z0 S500 F100 M3

靠近起刀點(diǎn)，激活主軸

N20 G33 X110 Z-60 K4

錐形螺紋 Z和X方向終點(diǎn)，螺紋導(dǎo)程K=4，錐角＜45°

N30 G0 Z0 M30

退回，程序結(jié)束

3 840D計(jì)算參數(shù)R

西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中存在一種變量計(jì)算參數(shù)R，計(jì)算參數(shù)的格式為Rn=REAL（實(shí)數(shù)型），例如R99=123.45。計(jì)算參數(shù)R的具體數(shù)量由數(shù)控系統(tǒng)決定，MPM T7數(shù)控機(jī)床840D系統(tǒng)中提供了200個(gè)R參數(shù)，在加工程序中編程人員可以從R0到R199任意賦值或讀取R參數(shù)中的數(shù)值，使用R參數(shù)進(jìn)行上例的加工編程：

上例中，通過參數(shù)R可以賦值主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、坐標(biāo)位置、螺紋導(dǎo)程及數(shù)據(jù)計(jì)算。在程序中，使用參數(shù)R替代不同的數(shù)值，參數(shù)R的數(shù)值可以在參數(shù)界面中統(tǒng)一進(jìn)行更改,可以不更改程序、只更改參數(shù)R的數(shù)值就可以完成程序的改變。對(duì)于單一程序而言，編程中利用參數(shù)R的優(yōu)勢(shì)不明顯，但對(duì)于相似的加工程序，使用參數(shù)化的編程方式有助于提高程序的通用性，避免重復(fù)編程，特別適合油套管螺紋的加工。

4 計(jì)算參數(shù)R在油套管螺紋加工編程中的具體應(yīng)用

油套管螺紋加工程序應(yīng)用計(jì)算參數(shù)R進(jìn)行編程，可以將油套管螺紋程序統(tǒng)一化，特別是對(duì)于只更換規(guī)格時(shí)，只進(jìn)入?yún)?shù)界面對(duì)計(jì)算參數(shù)R進(jìn)行更改即可，簡(jiǎn)化了操作。具體應(yīng)用的參數(shù)R的程序如下所示：

;R parameters R參數(shù)介紹

S26=250; 管子有效長(zhǎng)度（從卡盤中心大擋料臂距離定位253）

R28=139.7; 管子外徑

;R32=3; 螺紋加工循環(huán)次數(shù)

;R40=180.; 粗加工、螺紋加工切削速度（m/min）

;R41=180.; 端面、倒角加工切削速度（m/min）

R43=3.175; 螺紋導(dǎo)程（螺距）

R62=-0.063; 螺紋錐度

R77=81.66; 有效螺紋長(zhǎng)度L2

R78=137.246;手緊面處中徑E1

R79=R26-61.49; 管端至手緊面長(zhǎng)度L1

R86=1.81; 齒高

R87=88.9; 管端至消失點(diǎn)總長(zhǎng)度L4

R94=125; 內(nèi)支撐直徑

油套管螺紋加工部分程序如下所示：

;Threading+internal chamfrain螺紋加工和內(nèi)倒角加工

N3030 G00 Z=R26+21.+21.5 M06 T14 D01;tool

selection

N3030R23=1000*R40/（3.14*R78）;rotation speed

N3040 MSG（“Threading”）

N3050 M04 S=R23

;PASS 1

N3060 G00 Z=R26+21.+21.5 X=R62*（（R26+21.+21.5）

-R79）+R78+R88+0.2

N3070M07

N3080 G33 Z=R26-R77X=R62*（（R26-R77）-R79）

+R78+R88+0.2 K=R43

N3090 G33 Z=R26-R77-（R87-R77）X=R62*（（R26-

R77）-R79）+R78+R88+0.2+（R87-R77）K=R43

N3091 IF R32==3 GOTO N3141

N3092 IF R32==2 GOTO N3145

;PASS 2

;N3100 G00 X=R28+100.

N3110 G00 Z=R26+21.+21.5+R96

N3120 G00 X=R62*（（R26+21.+21.5）-R79）

+R78+R88+0.1

N3130 G33 Z=R26-R77+R96X=R62*（（R26-R77）-

R79）+R78+R88+0.1 K=R43

N3140 G33 Z=R26-R77-（R87-R77）+R96 X=R62*

（（R26-R77）-R79）+R78+R88+0.1+（R87-R77） K=R43

N3092 IF R32==2GOTO N3145

N3141M07

;PASS 3

;N3100 G00 X=R28+100.

N3110 G00 Z=R26+21.+21.5+R96

N3120 G00 X=R62*（（R26+21.+21.5）-R79）+R78+R88

N3130 G33 Z=R26-R77+R96X=R62*（（R26-R77）-

R79+R78+R88K=R43

N3140 G33 Z=R26-R77-（R87-R77）+R96 X=R62*

（（R26-R77）-R79）+R78+R88+（R87-R77） K=R43

N3145 G00 Z=R26+21.+21.5+R96

加工不同規(guī)格的油套管時(shí)，只需進(jìn)入?yún)?shù)界面，選擇R參數(shù)，就能進(jìn)入R參數(shù)區(qū)，利用“Page”鍵進(jìn)行上下翻頁，對(duì)主要R參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)更改，即可完成油套管規(guī)格的更換，大大簡(jiǎn)化了操作。

操作者要對(duì)油套管程序中主要使用的R參數(shù)熟悉掌握，了解每個(gè)R參數(shù)代表的意義，只有這樣才能在以后更換油套管規(guī)格時(shí)熟練操作。對(duì)于一些原來沒有加工過的油套管,同樣可以利用R參數(shù)調(diào)整數(shù)控程序，進(jìn)行更改。

5 結(jié)論

在油套管螺紋加工數(shù)控編程過程中，可以充分利用西門子840D數(shù)控系統(tǒng)中的計(jì)算參數(shù)R，定義一些主要的油套管螺紋參數(shù),方便地進(jìn)行統(tǒng)一編程，從而將眾多的油套管螺紋加工程序統(tǒng)一化。這樣，加工不同規(guī)格油套管時(shí)，只需在系統(tǒng)參數(shù)界面對(duì)R參數(shù)進(jìn)行調(diào)整即可，大大簡(jiǎn)化了油套管螺紋加工的操作。另外，該系統(tǒng)中的R參數(shù)編程也適用于多幾何外形類工件的加工。

［1］API Spec 5B-2008.套管、油管和管線管螺紋的加工、測(cè)量和檢驗(yàn)規(guī)范（第15版）［S］.北京：石油工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所，2008.

［2］SINUMERIK840D/840Di/810D 高級(jí)編程手冊(cè) 03［Z］.2004.

［3］SINUMERIK 840Di，Manual 01［Z］.2005.

［4］艾裕豐，吳建，已尊義，等.API油管和套管螺紋加工與檢驗(yàn)探討［J］.工具技術(shù)，2013，47（3）：51-54.