一種鐵鉆工圓柱鉗牙制造工藝與分析

程曉麗， 郭小艷,2， 郭冬,2， 賈濤， 石超， 田建禮

（1.寶雞石油機械有限責任公司，陜西 寶雞721002；2.國家油氣鉆井裝備工程技術研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

近年來，隨著自動化鉆機的發展[1-2]，鐵鉆工在油田現場使用越來越廣泛，成為鉆桿、鉆鋌、甚至套管接頭上卸扣工作的現代化工具[3]，其上扣、卸扣、緊扣、沖扣等動作的完成，都與鉗牙離不開關系[4-5]，可以說鉗牙的性能好壞與鐵鉆工的性能息息相關。很多研究機構都對鉗牙做了深入的研究，裴峻峰、魏磊、閆文輝等[6-8]研究了鉗牙參數設計及優化；郭李彤、黃賢振等[9-10]進行了旋扣鉗及沖扣鉗的受力及運動學分析。如何正確地選擇鉗牙的材料，并找到合適的機械加工及熱處理方法，成為保證和提高鐵鉆工性能的瓶頸。筆者經過多次試驗，提出了一套針對鐵鉆工鉗牙的制造工藝方案，經過試驗及現場應用驗證，完全達到了技術要求。

1 鉗牙結構及加工難點

1.1 鉗牙的材料選擇

鉗牙是鐵鉆工旋扣鉗鉗體與鉆具直接接觸的部件，工作時需要承受擠壓力和摩擦力，最大卸扣轉矩一般可達140～160 kN·m[3]，工況極為惡劣，此外還必須具有較長的使用壽命，這就要求鉗牙材料要有較高的機械強度及表面硬度。材料選用低碳合金鋼20CrMnTi，其化學成分[11]如表1所示。20CrMnTi具有較好的綜合力學性能[11],并具有較高的低溫沖擊韌性，如表2所示。晶粒長大傾向小，冷熱加工性能均較好，變形小，抗疲勞性能好。淬透性較高，在保證淬透情況下，表面滲碳硬化處理后，表面硬度可達

58～62 HRC，硬度高，耐磨損性能好，心部硬度30～35 HRC，具有良好的韌性。

表1 20CrMnTi化學成分質量分數 %

1.2 鉗牙的結構

鉗牙整體為圓柱形結構，在圓柱形結構上，根據鉆具規格設有R88 mm的圓弧形缺口。為了增大鉗牙與鉆具之間的摩擦力，在圓弧形缺口軸向及徑向方向上均設計有2.5 mm深的溝槽，且為了防止鉗牙在熱處理及使用過程中出現裂紋，造成齒形崩裂，在槽底設有R1.2 mm的倒角，具體結構如圖1所示。

1.3 加工難點

首先牙形圍繞R88 mm圓心均勻分布，牙外徑所在圓弧R88 mm的圓心與工件圓心不在同一點上，即工件圍繞自身圓心旋轉時無法加工出這種牙形；如何在加工中保證90°牙形角及R1.2 mm牙根圓角半徑。

2 加工工藝的制定

2.1 工藝路線的制定

針對上述加工難題，按照基準先行、先粗后精的原則，圓柱鉗牙具體工藝流程如圖2所示。粗車工件外圓后，用鏜床加工鉗牙圓弧，再用銑床加工牙型及端部缺口，最后經熱處理后磨外圓完成。

2.2 工件裝夾方式及刀具選擇

圖1 鉗牙結構圖

圖2 加工圓柱鉗牙的具體工藝流程

鏜床加工R88 mm圓弧時，為了將圓柱鉗牙固定在臥式鏜床的工作臺上，便于裝夾找正，可采用將卡盤固定于立板上的裝夾方式，也可通過定制虎鉗鉗口，將圓柱鉗牙用虎鉗直接裝夾定位。經實際對比，直接用虎鉗裝夾的方式占用鏜床工作臺空間少，裝夾速度快，優勢較大。如圖3所示。

圖3 鉗牙在鏜床上的裝夾方式

銑床加工牙型槽時，采用一夾一頂的裝夾方式，利用加工中心VB1000A的X、Y、Z和B軸的聯動相互插補，達到既能旋轉又能直線運動的加工，如圖4所示。

采用普通立銑刀和端面銑刀要實現溝槽2個相鄰面的成型，需要分成2個工序，加工效率低，并且無法保證槽底R1.2 mm 圓弧角。采用裝有陶瓷刀片方肩銑刀，刀片圓弧R1.2 mm，溝槽2個相鄰面及槽底R1.2 mm圓弧一次成型，效率高，零件加工精度高，如圖5所示。

圖4 鉗牙在銑床上的裝夾方式

2.3 工件的加工工藝

1） 材 料。20CrMnTi材料，毛坯采用鍛件，毛坯尺寸為φ50 mm×155 mm，質量為1.8 kg。

圖5 方肩銑刀

2）三爪裝夾找正，車平端面。加工中心孔B2。夾頂外伸大于143 mm，車外圓φ45.2+mm×143 mm。倒面，裝夾找正，車端面總長142 mm，車端面M12螺紋，孔口倒角2×60°（磨床頂尖用）。

3）虎鉗裝夾找正，鏜俯視圖中的R88 mm圓弧，長度127 mm（留15 mm夾位）。鏜左視圖中的90°×R1.2 mm槽。

4）分度頭裝夾找正，頂中心孔，銑牙形各部位。

5）裝夾找正，銑左視圖中的右端缺口，根部R5 mm圓角，銑左視圖中的左端圓弧槽R46 mm。

6）去各部毛刺，打磨鉗牙處R0.5 mm過渡圓角，棱角倒鈍。

7）碳氮共滲。滲層深0.8～1.2 mm,淬火回火后硬度為58～62 HRC。

3 鉗牙的熱處理

20CrMnTi是性能良好的滲碳鋼，淬透性較高。由于合金元素鈦的影響，對過熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火，且滲碳速度較快，過渡層較均勻，滲碳淬火后變形小。

3.1 20CrMnTi的熱處理流程（如圖6）

圖6 20CrMnTi的熱處理流程

3.2 20CrMnTi的熱處理工藝（如表3）

表3 20CrMnTi的熱處理工藝

4 工件的加工檢測

牙板形狀尺寸難以使用常規的檢測工具測量，利用線切割加工樣板毛坯，再經鉗工修整，使用三坐標測量儀進行計量，制成高精度樣板。最終采用高精度樣板對鉗牙牙型進行檢驗，效率高、精度好（如圖7）。

圖7 牙型檢測樣板

5 結 語

通過對圓柱形鉗牙的材料選擇、裝夾方式和工裝、機械加工工藝及熱處理工藝的分析，采用20CrMnTi低合金鋼成功完成圓柱形鉗牙產品的制造（如圖8）。產品組裝后參與了鐵鉆工旋扣試驗，各項指標均達到試驗要求，鉗牙強度高，耐磨損，現場工作表現良好，驗證了上述方案的合理性和先進性。

圖8 鉗牙量產成品