API螺紋加工技術研究
2018-6-19 來源：中國航發(fā)沈陽黎明航空發(fā)動機有限責任公司 作者：史韻琦 楊琢 何恩緒 朱穎
摘要 ：本文主要介紹了軸類薄壁零件 API 螺紋加工的全過程，闡述了 API 螺紋的特點，加工過程中遇到的問題及解決方法、振刀具紋的控制及不完整螺紋的首扣加工進行了分析和闡述。
關鍵詞 ：錐螺紋 ；螺距誤差 ；銑首扣
0、引言
API 螺紋是美國石油協(xié)會認可的石油專用螺紋，執(zhí)行API Spec-7標準，API 螺紋系列在井內鉆住結構件和井下工具得到越來越廣泛的應用 ；尤其是連接鉆柱結構件的 API 系列鉆具接頭螺紋，更是起著不可或缺的作用。因此熟悉和掌握 API 系列的相關技術規(guī)范和設計要求，采用合理的加工參數(shù)及檢測方法控制 API 石油管螺紋的質量，是公司開展石油鉆探行業(yè)不可或缺的。
API 螺紋為錐度螺紋，其牙型有偏梯形牙型、三角形，螺紋直徑大，零件壁薄，加工時剛性差，加工時需要控制API 螺紋的錐度誤差、螺距誤差、牙型誤差及振刀紋的產生，螺紋的檢測也不同于一般螺紋，需要專用的 API 螺紋工作量規(guī)。
1、研究目標
1.1 API 螺紋的設計要求
API 螺紋執(zhí)行 API Spec-7標準，旋轉臺肩式連接，是石油鉆探行業(yè)連接鉆住結構件最主要的機械結構。這種帶錐螺紋具有通過軸向位移來補償連接部分直徑誤差的特點，因此互換性程度高、結合緊密并且裝拆容易。由于旋轉臺肩式連接在工作中承受高扭矩，故采用螺紋涂料來防止螺紋擦傷和旋轉過緊問題。
2、API 螺紋錐度誤差、螺距誤差、牙型誤差的控制
API 螺紋的錐度、螺距、牙型是重要的參數(shù)，精度要求較高，對螺紋連接性能有較大影響。
2.1 API 螺紋錐度誤差的控制
API 螺紋零件的加時，當錐度的錐度3/8TPF 時，3/8TPF解釋為 ：每英寸3/8英寸 ；對應的角度為0.8952°，加工螺紋程度必須沿著0.8952°的角度進行加工，通過角度換算零件的 X 與 Z 值的比例關系是1:64 ；車加工螺紋 X 方向上刀0.01mm 時，Z 向方向進0.64mm，因此該螺紋的錐度為螺紋的加工帶來極大的難度。API 螺紋椎體一般分為粗車及精車兩個步驟加工，API螺紋內、外椎體粗車后，單邊留車量0.2mm~0.3mm，以保證精車 API 螺紋牙型的完整性。
2.2 API 螺紋緊密距誤差的控制
螺距公差，API 螺紋刀制造公差是造成 API 螺紋連接密封性能的最主要因素。螺距公差在 API 螺紋連接時的累積緊密距，在間隙值中所占比例最大，達到50%，因此螺距誤差是影響 API 螺紋緊密性能的主要因素。在數(shù)控車床上加工 API 螺紋都是工件旋轉，螺紋車刀沿工件軸線按所要求的螺距參數(shù)等量平移，工件的螺距精度主要靠車床相關部件的運動精度來保證。雖然 API 螺紋零件的螺距誤差接近或超過累積螺距公差狀態(tài)的情況極少，但一旦出現(xiàn)，對成批零件密封性能的影響是致命的。為了減小工件的螺距誤差，保證 API 螺紋連接密封性能，應采取以下控制措施 ：
（1）定期檢查機床，消除和減小機床的主軸回轉誤差、導軌導向誤差和傳動誤差等，以提高 API 螺紋加工時的螺距精度。
（2）刀具桿的選擇，一般 API 螺紋的刀具都有對應的刀片及刀桿號，但由于 API 螺紋車加工中產生應力很大，在選擇刀桿的過程中，要盡量選擇直徑粗的刀桿，增加刀具的剛性，減少刀具振動造成螺紋的振紋。
（3）振刀紋的消除，API 螺紋的加工中，振刀紋是影響螺紋加工最關鍵最難解決的問題，刀桿的裝夾必須先拉直，再根據(jù)程序中 Z 值盡量讓刀桿少探出，減小刀具的振動，避免振刀紋的產生；再通過增加零件的剛性，減少零件的振動，避免振刀紋產生。
2.3 API 螺紋牙型誤差的控制
API 螺紋是一種特殊的連接，螺紋的牙型對油管螺紋的連接的密封性能產生重大影響。雖然國際及 API 標準規(guī)定的牙型誤差只有兩項（牙型高度公差和牙型角公差），而且從表面上看這兩項公差值都較大，但實際上 API 螺紋加工時因工件裝夾、刀具的問題、走刀方式、上刀量而引起的牙型形狀誤差及橫截面圓度誤差都應包含在內。為了減小 API 螺紋的牙型誤差，還應采取一下措施 :
（1）API 螺紋椎體車好后，先用普通螺紋車刀粗車，以減輕車螺紋時載荷，保證螺紋牙型正確。
（2）API 螺紋粗車后，再利用螺紋車刀精車，精車走刀3次以上，API 螺紋的牙頂，牙側及牙底必須精車，以保證牙型的完整正確。
（3）為了保證螺紋車刀在加工中有效的控制牙型，加工時注意觀察刀具的磨損情況，及時更換刀片。
3、API 螺紋的工藝性分析
API 螺紋直徑大，其螺紋牙型為梯形錐度螺紋且螺距大，零件內部是內孔加工時零件壁薄，剛性差容易出現(xiàn)振刀現(xiàn)象。從零件圖中我們知道 API 螺紋的錐度起于一點，而這一點在加工中不易測量，難以控制，另外，從牙型放大圖中我們可以看出螺紋尺寸要求嚴，這些因素勢必給 API 螺紋加工帶來困難。
4、API 螺紋的加工
4.1 API 螺紋小徑的加工前，必須將螺紋的小徑車加工
到尺寸，且螺紋的小徑的錐度也是3/8，這就要求車加工徑向值的公差范圍只有0mm~0.1mm。
4.2 API 螺紋的加工 ：API 螺紋都有對應加工的刀桿號與刀片號，加工螺紋前螺紋刀桿必須拉直，加工螺紋的刀桿要盡量選擇粗的刀桿，刀桿越粗刀具的剛性越好，越能減少振刀紋的產生 ；API 螺紋加工方法是先用專用車道粗車去除余量，再用專用車刀精車。這種加工方法的優(yōu)點是：（1）粗車時，車刀可以采用較大的前角后角，切削輕快，可減少工件的擠壓變形 ；（2）在程序中我們使用跳步功能，這樣在螺紋加工時能先去掉牙型角的大部分余量，精車螺紋時減輕切削載荷。
4.3 API 螺紋加工的夾具
合理裝夾及提高工件的剛度，API 螺紋零件一般是空心薄壁件，安裝時我們采用專用卡爪，卡爪材料為45# 鋼，硬度28-35HRC，而且工件被夾持部位圓柱度應控制在0.03mm，卡爪夾持部位定期修切，使之與工件接觸良好，從而使夾緊力均勻，減少工件的加緊變形 ；當工件懸伸較長時或剛度較低時，采用中心架做輔助支撐，中心架靠近螺紋，以便增加零件的輔助剛性。
5、API 螺紋首扣的銑加工
根據(jù) S-272632規(guī)定，API 螺紋首扣需要進行加工，從工藝上我們考慮由于 API 螺紋尺寸較大用鉗工打磨難以保證API 螺紋的錐度，影響 API 螺紋的密封性?；谝陨峡紤]我們新開發(fā)了數(shù)控車床動力頭，在數(shù)控臥車上精零件進行銑加工，數(shù)控車床上加工完螺紋后，不能卸下零件，在保證與車螺紋相同狀態(tài)下，通過程序 G28 C0，來確定螺紋的起始0度，通過動力頭直接進行螺紋首扣的加工，保證 API 螺紋的加工精度和質量。使用動力頭銑加工螺紋，對刀 Z 值最好與車加工的 Z 值一致，在零件每旋轉一周，動力頭的 Z 值必須走一個螺距，用以保證銑刀銑削加工沿著螺紋的旋向進行，我們從刀具使用開始，程序原點，對刀點，對刀方式每一步認真考慮，計算。銑螺紋首扣的過程，是兩軸聯(lián)動的過程，在試件加工中，便加工邊調整 Z 值，Z 值調整后，一定不能改動。
6、 結論
API 螺紋加工目前國內加工較少，API 螺紋加工是一項系統(tǒng)工程，從操作者到機床設備，到刀具夾具的使用，每一個環(huán)節(jié)都至關重要，每一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響到 API螺紋的螺紋連接的密封性能。因此，需要人人重視螺紋加工過程，從而使 API 螺紋的質量得到有效控制與保證。
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