美制矮牙埃克母螺紋加工及檢測

李芳，曹偉，唐瑞，袁剛

0 引言

隨著石油鉆具產(chǎn)品國產(chǎn)化的推進，越來越多的特殊螺紋在設(shè)計和制造中出現(xiàn)，美制矮牙埃克姆（STUBACME）螺紋就是其中之一。這些螺紋相對于普通的公制螺紋，在螺紋的設(shè)計和檢測上有很多特殊的要求，常見普通螺紋的加工和檢驗方法已不能完全適用。公司組織人員對美制矮牙埃克姆（STUBACME）螺紋的加工和檢測技術(shù)進行攻關(guān)，對螺紋加工過程中的常見問題進行了分析并提出了改進措施，得出了完整的螺紋加工工藝和檢測方法，實現(xiàn)了螺紋的批量加工。

1 主要技術(shù)指標和要求

1.1 美制矮牙埃克姆（STUBACME）螺紋簡介

美制矮牙埃克姆（STUBACME）螺紋出現(xiàn)于二十世紀初期，通常用于產(chǎn)生移動或傳動空間受限制的特殊場合，主要應用于機械制造、石油和冶金行業(yè)，在FED-STD-H28/13A《美國聯(lián)邦標準螺紋手冊H28A》和《ASME/ANSIB1.8-1988（R2001）》中對該螺紋進行了詳細的講解。

1.2 螺紋的技術(shù)要求

1.2.1 矮牙埃克姆（STUBACME）螺紋的基本牙型

矮牙埃克姆（STUBACME）螺紋的基本牙型如圖1所示，標準系列的螺紋尺寸可從《ASME/ANSIB1.8-1988（R2001）》或《公制、美制和英制螺紋標準手冊》查詢到。現(xiàn)在使用一些軟件，輸入螺紋規(guī)格，可以快捷準確查詢到所需數(shù)據(jù)。

1.2.2 牙型角

圖1 基本牙型示意圖

在軸平面內(nèi)測量的牙型角應該為29°，此29°的角平分線應該垂直于螺紋軸線。

1.2.3 螺距

螺紋的螺距是相鄰兩牙對應點在平行于軸線方向上的測量距離。螺距的計算公式P=25.4/牙數(shù)，螺紋牙數(shù)應用最多的是3、4、5、6、8、10、12、14、16。

1.2.4 牙高

矮牙埃克母（STUBACME）螺紋的基本高度為0.3P。當設(shè)計需要使用比0.3P牙高更矮或更高的螺紋，應從《ASME/ANSIB1.8-1988（R2001）》附錄A中獲得有關(guān)數(shù)據(jù)。

1.2.5 公差帶種類及其選擇

矮牙埃克母（STUBACME）螺紋的默認公差帶代號為2G，省略不標。如果采用特殊公差帶，例如3G和4G，則需標注。螺紋特征代號與公差帶間用“—”號分開。

1.2.6 旋向

左旋螺紋應在公差帶代號之后標注“LH”，右旋螺紋不標注旋向代號。

2 螺紋加工

2.1 螺紋加工前的操作準備

（1）螺紋加工前應仔細消化圖紙和作業(yè)指導書，理解螺紋規(guī)格和尺寸公差要求。

（2）根據(jù)螺紋規(guī)格準備量具，主要是游標卡尺、千分尺、深度尺、角度尺、塞（環(huán)）規(guī)、螺紋樣板、量針、粗糙度樣塊、百分表、膠泥、投影儀等。

（3）根據(jù)螺紋規(guī)格準備刀具，主要是螺紋內(nèi)、外刀片和內(nèi)外刀桿，為減少刀墊角度調(diào)整誤差，推薦采用同一廠家、同一型號的刀片和刀桿。

（4）檢查機床運轉(zhuǎn)是否正常，數(shù)控系統(tǒng)是否穩(wěn)定。

（5）準備螺紋防護帽和吊裝防護裝置，防止撞傷工件表面。

（6）正確穿戴勞保用品。

2.2 螺紋的加工方法

2.2.1 工件的找正

根據(jù)工件的長度和直徑大小來選用機床，長度超過1.5m，直徑超出240mm的工件，建議選用數(shù)控管螺紋車床，低于以上尺寸的建議選用普通數(shù)控車床。無論采用哪種機床，工件必須牢固裝夾在機床上，用百分表檢測跳動值在圖紙要求范圍內(nèi)。采用管螺紋車床時前后卡盤和工件外圓跳動都要用百分表檢查，跳動一致并找正工件側(cè)母線，以防螺紋兩端中心線不同軸而報廢。

2.2.2 刀具安裝

螺紋刀片安裝正確與否直接影響螺紋的牙形和螺紋量規(guī)測量結(jié)果，刀片安裝前，要用螺紋樣板比對。如果沒有樣板可查詢刀片上的產(chǎn)品信息判斷，標準螺紋的刀片有標識—T.P.I（每英寸的牙數(shù)），如16T.P.I就是每英寸16牙的刀片。現(xiàn)在Sandvik、Toolflo、Kenna等知名刀具制造商都是根據(jù)ANSI螺紋標準模塊化制造，可以直接應用。

另外，刀片鎖緊在刀柄后安裝在刀座上，必須用百分表檢測刀片是否與工件理論中心線垂直。百分表示值有變化，說明刀柄沒有完全安裝正確，應調(diào)整后再檢查，直至合格。

2.2.3 加工工藝方法選擇

工件結(jié)構(gòu)和機床類型決定了切削螺紋的加工方法。朝卡盤方向進行加工是最常用的方法，也可以遠離卡盤的方向進行切削。當用左手型刀具加工右手型螺紋或用右手型刀具加工左手型螺紋時，螺旋升角的影響會改變刀具的切削角度，所以必須更換刀墊，以對負螺紋角進行補償。

角度刀墊用下式計算

式中λ——刃傾角

P——螺距

d2——螺紋有效直徑

例如：P=1.5，d2=25，λ=arc tan（1.5/（25π）），λ=1.09°

圖2為外螺紋的通用加工方法，圖3為內(nèi)螺紋的通用加工方法，圖中粗箭頭表示機床主軸旋轉(zhuǎn)方向，細箭頭表示刀具進給方向。

2.2.4 通用車螺紋程序

數(shù)控化生產(chǎn)的產(chǎn)品尺寸一致性和效率高于普通機床，長時間的螺紋車削，形成固化、簡單、快捷的螺紋程序。

矮牙埃克姆（STUBACME）螺紋刀片是帶修光刃的成形刀片，在車削前，必須粗車螺紋大、小徑名義尺寸，單邊留精車量0.2-0.3mm，以保證車螺紋時全牙型刀片能把螺紋牙型車完整。

車螺紋數(shù)控程序不需要再單獨編制，只需要在通用格式中填入數(shù)據(jù)就能運行，下面是兩種常見數(shù)控系統(tǒng)的程序格式。

圖2 外螺紋通用加工方法

圖3 內(nèi)螺紋通用加工方法

FANUC系統(tǒng)格式：

T0___

G00 X__

Z0

G76 P010060 Q100 R 0.1

G76 X__Z__R__P__Q__F__

G00 Z___

M30;

注釋：R__在車內(nèi)螺紋時直接輸入，車外螺紋時需要在輸入值前加“—”號。

SIEMENS系統(tǒng)格式：

CYCLE 97（—，—，—，—，—，—，—，—，—，—，—，0.00000,1,1,1,1）

PIT__ SPL__

FPL__ DM1__

DM2__ APP___

ROP___ TDZP___

IANG___ NRC___

2.2.5 螺紋切削參數(shù)

螺紋切削參數(shù)是指線速度Vc，走刀量f，切削深度ap。

線速度Vc=πD·n/1000，其中D為工件直徑，n為主軸轉(zhuǎn)速。車螺紋時應高速切削，參照刀片包裝盒上推薦參數(shù)，計算主軸轉(zhuǎn)速。

走刀量f=25.4/牙數(shù)。

車螺紋時通過將整個螺紋切深分成數(shù)次小的切深，避免切削刃的齒廓角過載并同時保持其敏感度。走刀次數(shù)和進刀量對于螺紋切削具有決定性的影響，直接關(guān)系到螺紋的表面質(zhì)量，按下列公式計算每次走刀量

式中 △ap——徑向進給

x——實際走刀（從1到nap的系列值）

ap——螺紋總深度

nap——走刀次數(shù)

j——第一次走刀=0.3mm，第二次走刀=1mm，第三次走刀=x-1mm

2.2.6 車削后處理

螺紋精車完成后，去除不完整螺紋半扣或不完整螺紋尖邊毛刺，并用120-240目砂紙砂光。

3 螺紋加工常見問題及改進措施

3.1 螺紋表面質(zhì)量不良

螺紋表面質(zhì)量不良的直觀表現(xiàn)是：螺紋表面粗糙度低于圖紙或規(guī)范要求，螺紋牙側(cè)面表面粗糙度差。原因分析及改進措施見表1。

3.2 螺紋牙型不合格

牙型不合格歸納成下列幾點：

表1 粗糙度不合格原因分析及改進措施

（1）牙型與標準牙型樣板不一致，見圖4，原因及改進措施見表2。

表2 牙型與標準牙型樣板不一致的原因分析及改進措施

（2）牙頂（牙底）過切或未切削到，見圖5。產(chǎn)生的原因是刀片有缺口或刀片在加工中產(chǎn)生破損。改進措施是更換螺紋刀片。

（3）螺紋最后一牙消失點位置不適當，量規(guī)不能達到要求的完整螺紋深度，見圖6。產(chǎn)生的原因是刀具退出過快。改進措施是刀具走到指定的位置再退刀。

圖4 牙型與標準牙型樣板不一致

圖5 牙頂（牙底）過切或未切削到

圖6 螺紋最后一牙消失點位置不適當，量規(guī)不能達到要求的完整螺紋深度

3.3 導程（螺距）不正確

不正確的導程（螺距）導致螺紋不能旋合，或產(chǎn)生不平均的負荷分配，顯著地影響連接壽命。承受了大部分扭矩負荷的單一螺紋會壞掉，增加的局部壓力集中會導致過早的疲勞故障。導程（螺距）不合格歸納成下列兩點：

（1）導程（螺距）不一致，見圖7；

（2）螺紋第一牙或最后一牙太寬或擠壓，見圖8，產(chǎn)生原因是車床上絲杠間隙過大，可通過調(diào)整絲杠間隙并檢查精度改進。

圖7 導程（螺距）不一致

4 螺紋檢測

矮牙埃克姆（STUBACME）螺紋的各項技術(shù)參數(shù)必須完全符合圖紙和規(guī)范等技術(shù)文件中的要求才能判定螺紋合格。

4.1 外觀表面質(zhì)量檢測要求和方法

圖8 螺紋第一牙或最后一個太寬或擠壓

標準中對螺紋表面質(zhì)量的檢測規(guī)定如下：

（1）目視檢測螺紋所有表面不能有尖角或刀口狀棱邊；

（2）目視內(nèi)、外螺紋全長范圍內(nèi)，螺紋表面應無裂紋、破損、刀痕、碰傷、臺階、振紋等破壞螺紋連續(xù)性的任何缺陷；

（3）粗糙度樣塊比對檢測螺紋表面粗糙度，至少達到Ra3.2或更高。

4.2 螺紋牙形檢測要求和方法

標準中對螺紋牙形的檢測規(guī)定如下：

（1）標準樣板卡在零件的螺紋上，完全重合或無間隙。

（2）通過膠泥、投影儀檢測，模型比對符合規(guī)范和圖紙要求。

4.3 量規(guī)綜合測量

標準STUB ACME螺紋用符合標準的螺紋硬規(guī)檢測時，通規(guī)應旋入螺紋要求長度，止規(guī)旋合不超出3扣視為合格。

4.4 量針法（三針或單針）測量外螺紋單一中徑

量針法測量螺紋單一中徑是一種精度較高的方法。根據(jù)被測外螺紋的具體情況，量針法分為三針法、兩針法（雙球）法和單針（單球）法三種，一般采用三針法。雙針法僅適于扣數(shù)較少的螺紋，單針法適于直徑大于50mm的大直徑螺紋。

4.5 其他要求的檢測

圖9 量針法測量外螺紋中徑方法

螺紋大小徑尺寸、長度，形位公差等采用卡尺、內(nèi)徑表、百分表、千分尺等檢測并加以控制。

5 結(jié)論

本文從加工前的準備，刀具的選擇和安裝，工藝參數(shù)，加工方法和數(shù)控程序等方面對螺紋的加工工藝進行了總結(jié)和優(yōu)化；對加工過程中的常見問題進行了分析并提出了改進措施；對螺紋的檢測方法也進行了詳細的介紹。這些都為快速加工批量合格的STUBACME螺紋提供了有力的工藝技術(shù)支持和參考經(jīng)驗。