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API螺纹加工技术研究

  • 原创更新时间:2018-06-19点击:87次
  •        API 螺纹是美国石油协会认可的石油专用螺纹,执行API Spec-7标准,API 螺纹系列在井内钻住结构件和井下工具得到越来越广泛的应用 ;尤其是连接钻柱结构件的 API 系列钻具接头螺纹,更是起着不可或缺的作用。因此熟悉和掌握 API 系列的相关技术规范和设计要求,采用合理的加工参数及检测方法控制 API 石油管螺纹的质量,是公司开展石油钻探行业不可或缺的。
     
           API 螺纹为锥度螺纹,其牙型有偏梯形牙型、三角形,螺纹直径大,零件壁薄,加工时刚性差,加工时需要控制API 螺纹的锥度误差、螺距误差、牙型误差及振刀纹的产生,螺纹的检测也不同于一般螺纹,需要专用的 API 螺纹工作量规。
     
           1、研究目标
     
           1.1 API 螺纹的设计要求
     
           API 螺纹执行 API Spec-7标准,旋转台肩式连接,是石油钻探行业连接钻住结构件最主要的机械结构。这种带锥螺纹具有通过轴向位移来补偿连接部分直径误差的特点,因此互换性程度高、结合紧密并且装拆容易。由于旋转台肩式连接在工作中承受高扭矩,故采用螺纹涂料来防止螺纹擦伤和旋转过紧问题。
     
           2、API 螺纹锥度误差、螺距误差、牙型误差的控制
     
           API 螺纹的锥度、螺距、牙型是重要的参数,精度要求较高,对螺纹连接性能有较大影响。
     
           2.1 API 螺纹锥度误差的控制
     
           API 螺纹零件的加时,当锥度的锥度3/8TPF 时,3/8TPF解释为 :每英寸3/8英寸 ;对应的角度为0.8952°,加工螺纹程度必须沿着0.8952°的角度进行加工,通过角度换算零件的 X 与 Z 值的比例关系是1:64 ;车加工螺纹 X 方向上刀0.01mm 时,Z 向方向进0.64mm,因此该螺纹的锥度为螺纹的加工带来极大的难度。API 螺纹椎体一般分为粗车及精车两个步骤加工,API螺纹内、外椎体粗车后,单边留车量0.2mm~0.3mm,以保证精车 API 螺纹牙型的完整性。
     
           2.2 API 螺纹紧密距误差的控制
     
           螺距公差,API 螺纹刀制造公差是造成 API 螺纹连接密封性能的最主要因素。螺距公差在 API 螺纹连接时的累积紧密距,在间隙值中所占比例最大,达到50%,因此螺距误差是影响 API 螺纹紧密性能的主要因素。在数控车床上加工 API 螺纹都是工件旋转,螺纹车刀沿工件轴线按所要求的螺距参数等量平移,工件的螺距精度主要靠车床相关部件的运动精度来保证。虽然 API 螺纹零件的螺距误差接近或超过累积螺距公差状态的情况极少,但一旦出现,对成批零件密封性能的影响是致命的。为了减小工件的螺距误差,保证 API 螺纹连接密封性能,应采取以下控制措施 :
     
           (1)定期检查机床,消除和减小机床的主轴回转误差、导轨导向误差和传动误差等,以提高 API 螺纹加工时的螺距精度。
     
           (2)刀具杆的选择,一般 API 螺纹的刀具都有对应的刀片及刀杆号,但由于 API 螺纹车加工中产生应力很大,在选择刀杆的过程中,要尽量选择直径粗的刀杆,增加刀具的刚性,减少刀具振动造成螺纹的振纹。
     
           (3)振刀纹的消除,API 螺纹的加工中,振刀纹是影响螺纹加工最关键最难解决的问题,刀杆的装夹必须先拉直,再根据程序中 Z 值尽量让刀杆少探出,减小刀具的振动,避免振刀纹的产生;再通过增加零件的刚性,减少零件的振动,避免振刀纹产生。
     
           2.3 API 螺纹牙型误差的控制
     
           API 螺纹是一种特殊的连接,螺纹的牙型对油管螺纹的连接的密封性能产生重大影响。虽然国际及 API 标准规定的牙型误差只有两项(牙型高度公差和牙型角公差),而且从表面上看这两项公差值都较大,但实际上 API 螺纹加工时因工件装夹、刀具的问题、走刀方式、上刀量而引起的牙型形状误差及横截面圆度误差都应包含在内。为了减小 API 螺纹的牙型误差,还应采取一下措施 :
     
           (1)API 螺纹椎体车好后,先用普通螺纹车刀粗车,以减轻车螺纹时载荷,保证螺纹牙型正确。
     
           (2)API 螺纹粗车后,再利用螺纹车刀精车,精车走刀3次以上,API 螺纹的牙顶,牙侧及牙底必须精车,以保证牙型的完整正确。
     
           (3)为了保证螺纹车刀在加工中有效的控制牙型,加工时注意观察刀具的磨损情况,及时更换刀片。
     
           3、API 螺纹的工艺性分析
     
           API 螺纹直径大,其螺纹牙型为梯形锥度螺纹且螺距大,零件内部是内孔加工时零件壁薄,刚性差容易出现振刀现象。从零件图中我们知道 API 螺纹的锥度起于一点,而这一点在加工中不易测量,难以控制,另外,从牙型放大图中我们可以看出螺纹尺寸要求严,这些因素势必给 API 螺纹加工带来困难。
     
           4、API 螺纹的加工
     
           4.1 API 螺纹小径的加工前,必须将螺纹的小径车加工
     
           到尺寸,且螺纹的小径的锥度也是3/8,这就要求车加工径向值的公差范围只有0mm~0.1mm。
     
           4.2 API 螺纹的加工 :API 螺纹都有对应加工的刀杆号与刀片号,加工螺纹前螺纹刀杆必须拉直,加工螺纹的刀杆要尽量选择粗的刀杆,刀杆越粗刀具的刚性越好,越能减少振刀纹的产生 ;API 螺纹加工方法是先用专用车道粗车去除余量,再用专用车刀精车。这种加工方法的优点是:(1)粗车时,车刀可以采用较大的前角后角,切削轻快,可减少工件的挤压变形 ;(2)在程序中我们使用跳步功能,这样在螺纹加工时能先去掉牙型角的大部分余量,精车螺纹时减轻切削载荷。
     
           4.3 API 螺纹加工的夹具
     
           合理装夹及提高工件的刚度,API 螺纹零件一般是空心薄壁件,安装时我们采用专用卡爪,卡爪材料为45# 钢,硬度28-35HRC,而且工件被夹持部位圆柱度应控制在0.03mm,卡爪夹持部位定期修切,使之与工件接触良好,从而使夹紧力均匀,减少工件的加紧变形 ;当工件悬伸较长时或刚度较低时,采用中心架做辅助支撑,中心架靠近螺纹,以便增加零件的辅助刚性。
     
           5、API 螺纹首扣的铣加工
     
           根据 S-272632规定,API 螺纹首扣需要进行加工,从工艺上我们考虑由于 API 螺纹尺寸较大用钳工打磨难以保证API 螺纹的锥度,影响 API 螺纹的密封性。基于以上考虑我们新开发了数控车床动力头,在数控卧车上精零件进行铣加工,数控车床上加工完螺纹后,不能卸下零件,在保证与车螺纹相同状态下,通过程序 G28 C0,来确定螺纹的起始0度,通过动力头直接进行螺纹首扣的加工,保证 API 螺纹的加工精度和质量。使用动力头铣加工螺纹,对刀 Z 值最好与车加工的 Z 值一致,在零件每旋转一周,动力头的 Z 值必须走一个螺距,用以保证铣刀铣削加工沿着螺纹的旋向进行,我们从刀具使用开始,程序原点,对刀点,对刀方式每一步认真考虑,计算。铣螺纹首扣的过程,是两轴联动的过程,在试件加工中,便加工边调整 Z 值,Z 值调整后,一定不能改动。
     
          6、 结论
     
           API 螺纹加工目前国内加工较少,API 螺纹加工是一项系统工程,从操作者到机床设备,到刀具夹具的使用,每一个环节都至关重要,每一个环节出现问题,都会影响到 API螺纹的螺纹连接的密封性能。因此,需要人人重视螺纹加工过程,从而使 API 螺纹的质量得到有效控制与保证。

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