API 油管螺紋數控車床加工方法及加工缺陷簡析

劉 琪 王 澤 李卓昱

（長慶油田分公司機械制造總廠，西安 710201）

1 API 油管螺紋的數控車床加工

1.1 API 油管螺紋特點

API 油管螺紋相對普通螺紋具有自密封、拆性好、連接強度高等特點[1]。在1:16 的圓錐體上分布著它的牙型，技術要求高加工難度較大。以生產常用2 7/8″TBG 油管螺紋為例：牙型角60°，螺距2.54mm，原始三角形高度2.2mm，牙型高度1.412mm。常加工產品材料硬度HB260 ～320，硬度較高，加工難度大。通過壓力試驗驗證API 油管螺紋可靠性，試驗過程中需要使用規定的螺紋密封脂，緊固后在規定時間內最小靜水壓試驗壓力下無滲漏現象。常用試驗壓力為25 ～70MPa，在30min 內無滲漏。

1.2 API 油管螺紋加工尺寸分析、計算

以加工油管短接（圖1）為例，使用沈陽機床廠CW6163數控車床和FANUC 數控操作系統。

由圖1 可知，此零件兩頭均是2 7/8″TBG 油管螺紋，它的加工工藝可以定為先加工外圓、內孔到圖示尺寸，車1:16 外錐留適量余量，最后使用專用梳刀在數控車床上加工API 油管螺紋。由于數控加工采用的是螺紋末端尺寸編程，需查油管圓螺紋牙型尺寸（如表1 和表2 所示），獲得相關的參數進行程序編輯。其中，hn（hs)為牙型高度；Srn（Srs)為牙型截底高；Scn（Scs)為牙型截頂高；P 為螺距；D 為油管螺紋中徑；Q 為油管孔直徑；L4為油管螺紋加工長度；d2為油管端面螺紋大徑；d3為油管端面螺紋小徑；D4為接箍端面螺紋大徑；D5為接箍端面螺紋小徑。查表1 和表2 可得：螺紋大端大徑D4=73.02mm，螺紋長度L=52.40mm，螺紋小端大徑d4=D4-L/16=69.7450mm，牙型高h=1.4122mm，螺紋底徑d=D4-2h=73.02-2×1.4122=70.1956mm。

圖1 油管短接示意圖

表1 油管圓螺紋牙型高度尺寸

表2 平式油管螺紋尺寸表

螺紋加工的起刀點一般設在螺紋端面外3 ～5mm 處。由于采用三齒梳刀片加工，因此用三齒螺距長度+3mm 設為起刀點，取整數為10mm。起刀點處的尺寸為：

用R 表示螺紋加工徑向起始端尺寸與螺紋徑向終端尺寸的一半，即：

車削分刀時，進刀量第一刀可以大一些，以后逐步減小[2]。第一刀進刀量為0.8 ～1.5mm，最后一刀進刀量不應小于0.1mm。每層背車刀量根據加工情況可適當調整，據經驗數據得出第一刀為ΔD，第二刀為，第n 刀為，吃刀量依次遞減（此法僅供參考）。圖2 為用3 齒梳刀車削2 7/8″TBG 油管螺紋的切削分層圖。

油（套）管圓螺紋牙型及手緊上緊基本尺寸如圖3 所示。其中，牙型傾斜角為ψ=1°47′24″=1.79°，圓錐度為2tanψ=0.0625。

圖2 用3 齒梳刀車削2 7/8″TBG 油管螺紋的切削分層圖

圖3 油（套）管圓螺紋牙型

1.3 編制數控加工程序

在2 7/8″TBG 油管螺紋加工過程中，只有每刀加工尺寸發生變化，其余參數均未發生改變，所以可以編成一個車螺紋的子程序。循環過程如圖4 所示。

螺紋加工過程中，每次切削的余量逐漸減少。為了保障API 油管螺紋加工表面粗糙度，最后一刀為精車，余量最小[3]。

2 7/8″TBG 油管螺紋車削數控程序如下：

M44

M03S420

T0101

G00X69.12Z10

G01X73.02Z-52.4F0.35

G00Z3.0

圖4 循環過程

G00X63.0

G01X72.0Z-8.5F0.2

G00Z200.0

G00X200.0

M03S400

T0303

G00X100.0Z10.0

G92X72.3Z-52.40R-1.95F2.54

X71.745

X71.345

X71.045

X70.8

X70.55

X70.35

X70.196

G00X200.Z200.0

M05

M30

2 API 油管螺紋常見缺陷及解決方法

在API 油管螺紋加工過程中，數控系統錯誤、刀具磨損和機床磨損等因素會造成工件與刀具間的相對運動，影響螺紋的加工質量，影響生產進度，需要得到及時解決。

2.1 扎刀

2.1.1 刀具安裝不合適

當刀具安裝過高加工到一定深度時，刀具后刀面會與加工面接觸，使摩擦力增大，嚴重時會造成零件變形出現扎刀情況；當刀具安裝過低時，會出現排屑不暢，刀具受力方向是零件的中心，如果橫進絲杠與螺母的間隙過大，會導致加工深度不斷變深，零件被抬起出現扎刀。出現以上兩種情況時需要及時調整刀具的高度，保障刀尖與零件的軸線高度相同。在粗加工和半精加工時，刀尖高度比零件中心高出1%的零件直徑較為適宜。

2.1.2 零件未裝夾牢固

零件未裝夾牢固會導致切削力超出自身剛性承受能力，撓度過大，導致零件被抬高，造成加工深度突然增大出現扎刀現象，這時應該增加工件剛性，將零件裝夾牢固，必要時可以使用頂尖、尾座等輔具。

2.1.3 刀具磨損嚴重

刀具磨損嚴重會增大刀具與零件的摩擦力，降低切削性能，進而導致零件變形出現扎刀，此時應及時更換刀片。

2.1.4 切削用量不合理

刀具切削量和切削速度過大，會出現扎刀現象，因此需要根據零件剛性和API油管螺紋螺距選擇適當的加工量。

2.2 亂扣

2.2.1 數控車床主軸編碼器同步傳動皮帶磨損

當數控車床主軸編碼器同步傳動皮帶磨損時，數控系統不能檢測到真實的轉速。由于主軸轉速恒定不變，X 軸或Y 軸的移動速度是按照加工螺距大小和主軸轉速來調整的，在加工時會出現X軸或Y軸的移動速度與主軸不同步[4]。刀具移動的距離不是一個螺距，加工到第二刀車削時，螺紋會出現亂扣，需要及時更換主軸同步皮帶。

2.2.2 數控程序編制不正確

數控車床是通過數控程序來保障螺紋加工過程中刀具的移動。在加工過程中必須使后一刀的起刀點與前一刀的起刀點位置重合，確定數控程序每段的導程相同，才不會出現亂扣。實際生產中，會出現前后導程不一致而導致亂扣[5]，這就要求編制數控程序人員加工前反復核對，保證數控程序的正確率。

2.2.3 X 軸或Y 軸絲杠磨損嚴重

刀具移動的距離與數控程序給出數據不同步，將導致產生亂扣的現象，此時需要及時更換X 軸或Y 軸絲杠。

2.3 螺紋表面粗糙度超差

2.3.1 刀尖產生積屑瘤

積屑瘤可以代替刀尖切削，但切削過程不穩定，會導致工件表面高低不平，增大表面粗糙度。合理選擇刀具的加工參數，同時選用合適的切削液，可以降低積屑瘤的產生。

2.3.2 刀桿剛性不足

加工會產生刀具顫動，降低表面粗糙度。這時應該選用剛性更好的刀桿，同時盡量減少刀桿的伸出長度。

2.3.3 車刀徑向前角過大

徑向前角過大會使徑向阻力增大而產生振動，使表面粗糙度值變大。適當減小車刀徑向前角，可以提高螺紋表面粗糙度。

2.3.4 加工量不足或排屑方向不對

在高速鋼刀具加工螺紋時，加工量小于0.1mm 會出現壓不住刀的情況，導致表面粗糙度降低。排屑接觸已加工螺紋表面時，會拉毛已加工螺紋表面，加工最后一刀加工量一定要大于0.1mm，并使切屑沿垂直軸線方向排出。

2.3.5 加工量過大

當加工量過大時，刀具在加工過程受力超過刀桿承受能力時，將導致刀具震動，使表面粗糙度值變大，應該根據待加工零件的剛性選擇合理的切削用量。

2.4 牙型不正確

2.4.1 刀具選擇錯誤

選用加工刀具時，應選擇標準的符合加工螺紋螺距的螺紋梳刀進行加工。例如，當選用傳統刃磨式刀具時，應使用磨床正確刃磨車刀刀尖，以保證加工質量。

2.4.2 刀具安裝方法不正確

裝夾刀具時應使用樣板對刀，或使用百分表找正刀桿。

2.4.3 刀具磨損

根據零件的加工硬度和加工量，合理選擇加工參數，實時檢測螺紋加工情況，及時更換成型螺紋梳刀或刃磨刀具。

3 結語

數控車床常用插補原理來加工API 油管螺紋，提高螺紋加工精度和加工效率。形成螺紋缺陷的因素有刀具、設備和操作人員等，在生產實踐中要根據具體缺陷進行分析，找出癥結所在，采用正確的處置措施，才能保證API 油管螺紋的加工質量和使用性能。