石油钻杆接头螺纹的数控修复加工方法.PDF

童 ， 石 油钻杆 接 头螺 纹 的数 控修 复加 工 方祛 张耀辉王 启 民王 秀 梅等 石油钻 杆接头螺纹 的数控 修复加 工方 法 下 ＼ 堡塑量三星氐／王秀梅王士立 李继斌 摘 要分 析 了石 油 钻 杆 接 头 螺 纹 数 控 修 复 加 工 的 关 键 f “l 题 ； 提 出 工 件 的寻住算 法和加 工余量 的 自动分 配方 法， 介绍 刀具路 径的动 态柱 正方法 ． 解 决 了工件 不定位的情 况下进行数控加 工 的问题 ； 实际应用表 明 ， 所提 出的数 控 修 复 方 法 是 关 键 词 中 国 图 书 蹙星 塑三 墼 墼垫 三 法 分类 号TG5 1 9 ． 1 石油 钻 井时 ， 钻杆是 一根 一根地 用 内外锥管 螺纹联接在 一起 的 。 由于钻井时钻杆受力大 ， 温度 高 ， 加之 高压泥浆 的冲刷摩擦 ， 钻杆 台肩面 和螺纹 牙型很容 易变形 、 磨损或 局部损坏 ， 从 而造成 整根 钻杆报废 。 目前 ， 我国石油钻井钻杆 大部 分是从 国 外进 口的． 价格 昂贵 。 为 了节省外汇 ， 降低成 本 ， 目 前 国 内均 利用 锥螺 纹 的特点 ， 对螺 纹牙 型进行 机 械加工修 复， 以使 钻杆得 到多次 重复利用。 以外 螺纹 为例 一 见图 1 ， 修复时 ， 把 端面切 圉 1 锥 螺绞 数控修 复 加工 方祛 及 寻位算 祛 示意 图 掉一定 的长度 ， 台肩 面也 相应 地切 除厚 度为 f 0 的余量 ， 再把 直径增 大了 的外锥面 加工 到要 求 的 尺寸， 最后 再沿着原来螺纹螺旋槽 的轨迹 ． 把 变浅 了的螺纹沟槽 加工 到设计 深度 ， 即可把损坏 了的 螺纹修 复一新 ． 使钻杆得到重复利用 。 石 油 钻 杆 接 头 螺 纹 螺 距 大 6 ． 3 5 0 mm 或 5 ． 0 8 0 mm ， 完整牙型螺纹至 台肩面 的距 离短 ≤ 1 2 ． 7 mm _ 1 ， 为 了达 到一 定 的表面 粗糙 度要 求 ， 加工螺纹时 还要 有相 当高 的切 削速 度 ， 这 就使得 收藕 日期 I 1 9 9 8 -- 0 1 --0 5 謦 目 日期 ； 1 9 9 8 一O 4 一O 4 墓 张 耀辉副教 授 刀具的纵 向移动速度很快 。为 了防止螺纹刀具与 台肩面相 碰 ， 操作 工人 必须 全神贯 注 、 反 应灵 敏、 动作迅速 ， 劳动强度很 大 。为 了解决这个 问题 ， 井 提高加工 精度 的一致性 ， 采 用 数控 自动加 工修 复 方 法 很有 必 要 。 1 锥 螺 纹数 控修 复加 工的 关键 问题 零 件 的修 复加 工不 同于一 般 的加 工 ． 特 别是 在 原螺纹 沟槽 上用 数 控加 工 方 法修 复 螺纹 更 困 难 。加之 石油 钻杆笨重 ． 定位 找正 不方便 。因而 ， 要 用数控加 工方 法修 复石 油钻 杆接 头螺纹 ， 必须 解决下 面两个关键 问题 。 1 ． 1 工件欠定位的情况下如何进行 数控 加工 为 了保证 加工 的尺 寸精度 以及 加工表面对其 它表 面的位 置精度 ， 加工时 必须使 工件相对 于 刀 具切 削成 形运 动处 于准确 的位 置 ， 并使 这一 既定 位 置在加工过程 中保持恒定 。传统 的制造系统 一 般遵循“ 定位～ 夹紧一加工” 这 一制造操作模 式 一 般 石 油 钻 杆 长 约 1 0 m ， 重 达 3 O O k g以 上 ， 修 复前有 较大 的变形 ， 加工 修 复时安装 找正很不 方便 ， 一般在管螺纹车床上用 四爪卡盘装 夹 ， 由人 工进行 找正 。在 主轴 卡盘 中伸出 的长度不易精确 控制 ． 不能做到轴 向定位 。 传统 的数控加工不能解 决 这 个 问 题 。 另 一方面 ， 在数控车床 上车削螺 纹时 ． 车床主 轴上必 须安装 有光 电编码 器 ． 以光 电编码器 的零 位 信号作为 同步信号 ， 保证加工螺纹时不“ 乱 扣” 。 因此 ， 用 数控 加工方法修复石油钻杆接头螺纹时 ， 为 了能沿 着原来 的螺 纹沟槽 切削 ， 石油 钻杆在 安 装时 ． 必 须保证 螺纹螺 旋线 的起 点和 主轴上光 电 编 码器 的零 位信号 相对 应 ， 即必须 在 圆周 方 向进 633 。 杆 一 类 纂 可 石 一 资 维普资讯 中 晷机槭 工程 第 l O卷第 6期 1 9 3 9年 6月 行定位 ， 而这在实际操作 中是不 可能实现 的。 这又 给用数 控加工方 法修 复螺纹带来 了困难 。 为了解决这 个 问题 ， 在工 件不定 位 的情 况 下 进 行数控加 工 ， 实现 石油钻杆 接 头螺纹 的数控加 工修复 ， 必 须从 根本上 打破 传统 制造操 作模 式 的 约柬 ， 采 用 “ 固定一寻位一加 工” 这 一全新 的制造 操作模 式 ] ， 即工件在加 工前不在机床上 定位 ， 只 需随机地 固定 其状 态 即可 。 加 工开始时 ， 先 甩工件 轮廓扫描 系统 或其 它 办法 获取 工件 轮 廓表 面 信 息 ； 然后 以模 式识 别 和寻位 计算 等手段求 得工件 的真实状态 ， 并 由此得 到加 工 坐标 系与设 计坐标 系之问的实 际关 系 ； 最后根据这 些实际信息 ， 自适 应地 生成 刀具 轨迹 和机 床运 动控 制命 令 ， 即可加 工出符合要求 的零 件 。 1 ． 2加 工 余 ■ 自动 分 配 问题 由于 石油钻 杆接 头螺纹 的损 坏程度 不 同， 所 需修 复切除量 。 不 同 ． 即加工余量不 同 如果修 复 切除量 太小 ， 则不 能把螺纹完全修 复 ； 反之 ， 会造 成材料和 工时 的浪费 。 如果用 一个 固定 的数 控加工程序 去加工 ， 显然 不能实 现所 要求 的不 同 切除量 ， 即使能实现也可能会造成加 工采量过 太 ， 损 坏 机 床 或 刀 具 。 为 了解决 这个 问题 ， 系统 必须能 够根据 每次 加工时确定 的修 复切 除量 ， 自适 应地 改变走 刀次 数 ， 自动分配 加工 余量 。 2 寻 位 算 法 与加 工余 量 的 自动分 配 根据前面所述石油钻杆接头螺纹数控修复加 工的两个关 键问题 及其 解决方 案 ， 下面进 行具体 分析计算 。 2 ． 1 钻 杆端 面位置的寻位算 法 数控 加工的坐标系原点设定在机床 主轴 的回 转 中心 上 ， 坐标系原点在轴线方 向的位置 可任 取 ． 只要方便 刀架转位 即可 ， 见 图 1 。 坐标轴 的正方 向 是 刀具与工件距离增 大的方向 ， 并且 值 为直径 设刀具 起始 点的坐标 为 。 ． ￡ 。 此处 一 0 。 在 工件 找正夹紧后 不需 轴 向定位 和周 向定位 ， 用 数控 系统的手动键 沿 一 、一 方 向移动螺纹车 刀 使螺纹 车刀正好对到某一螺纹沟槽的底部 。 设 此时 刀尖 位置 的坐标为 ， ． 则此时 刀尖位 置 至 工件 端 面 的距 离 为 1 3 式 中 ， d为 螺 纹 锥 部 小 端 小 径 ； K 为 螺 纹锥 度 。 由 图 l可 以看 出 ， 工件 端面距 刀具起始 点 的 距 离 。 为 。 一 2 由式 1 和式 2 即可确 定工 件在 数控加 工 坐 标 系 中 的 位 置 2 ． 2 螺纹轨迹的寻位算法 在 把 工 件 安 装 好 、 把 刀 具 对 到某 一 螺 纹 沟 槽 中间底部的情 况下 ， 则 螺纹 轨迹 的程 点应在 刀具 右 边某 一整数倍螺距 的位 置上 ， 见 图 l 。 设工件 的 螺 距为 t ， 则刀具右移的螺距倍 数应满 足下列条件 n t一 ～ f At 0 H 1 ， 2， ⋯ 3 满 足 O的 n即为 刀具应右移 的螺距倍数 ， 记 为 由于工件在周 向不 定位 ， 其位置是臆 机的， 工 件安装 好后 ， 主轴 光 电编码 器一般 不 可能正 好处 于零位 ， 必 须进行补偿 设光电编码器每转发 出的 脉 冲数 为 Ⅳo ， 在 工件安装 好的静 止状 态光电编码 器 的脉 冲累计读数 为 ， 则 螺纹轨迹起 点的补偿 量 H一 N o 4 式 中， 主轴 正转时 Ⅳ 为 正值 ， 主轴 反转时 N 为负 值 t 主轴转 向由编码 器信号的鉴向电路识别 由式 3 和式 4 可知， 螺纹轨迹起始点距对 刀点 ， 在 方 向的距 离 f ≠ 5 因此 ， 螺纹轨迹起 点距 刀具起始点的距离 L l } 【 l n o t 一 6 J C 根据式 6 即可确 定螺纹轨迹起 点在数控 加 工坐标系 中的位置 。 2 ． 3 加工 余量的 自动分配 由 于石油钻杆接 头螺纹 的损 坏程 度不 同 ． 所 需修复切 除量 也不 同， 即端面 所需 切掉 的长度 不 同 ， 从而造成其它各个表 面的加工余量不同 。 这 里以端 面加工余 量的 自动分配为例进行分析 。 根 据 石油钴杆接 头螺纹 的损坏 程度 ， 由操 作 者 根据经 验决 定 所需修 复切 除量 。并输人 计算 机 。 ～般修复切除量 一 刀切不完 ， 要分几次走 刀 切除 。 为了实现加工余量 的 自动分 配 ， 数控加工 程 序 中端 面余量 的切 除耍用循 环指 令编 程 设 车端 维普资讯 石 油钻杆 接 头螺 纹 的数 控修 复加 工 方法 张耀 辉王 启 民王 秀梅 等 面时选定 的切 削深度为 n ， 则车端 面的走刀循环 次数 由下式确定 f o 一 0 ≤ 0 一 1， 2， ⋯ 7 满足 ≤ n 的 m 即为车端 面的走 刀循 环次数 ， 记为 ％ 。 即以切 削深度 n 。 车端面 。 刀 ， 再 以切削 深度 口 车 端面一刀 即可 。 这样 ， 根据 修复切削 量 o 的不 同 ， 车端面 的走刀次数 可 自适应地进行 调整 ， 从 而可以实 现加工余 量的 自动分配 。 用同样 的方法 ． 可 以实现车 台肩面、 锥面 和螺 纹时余量 的 自动分配 。 3刀 具 路径 的动 态校 正 由于工件不定位 ， 余 量不确定 ， 在进行数控编 程 时 ， 工件 的 实际位 置和 加工余 量大 小是 不知道 的 ， 因此 刀具路 径上 的各 坐标 点 以及循 环指 令 中 的走刀循 环次数 都是 未知 的 ， 而且对 于一批 零件 的加工是变化 的。在这种情 况下进行数控加工修 复 ， 必须根 据上 述工 件 的寻位算 法和 加工余 量 的 自动分 配方法 ， 对刀具路径 进行动态校正 ， 其基本 思 想 见 圉 2 。 圈 e 工件t t 余量 实际1 1 分配 幽 寻位广一]动抒 广～ 图 2中， 刀具 路径静 态 生成模块 的功 能 是根 据被加工 零 件 的几 何工艺 信息 ， 对零 件进行 数控 加工编程 ， 产 生韧始 的刀具 路径 ， 其 中有些 坐标 点 和走刀循环次数是未 知的 。工件寻位模块 的功能 是 在手 动对 刀的基础 上 ， 用式 1 和式 2 表达 的 寻位算法 ， 确定工 件在数控 加工 坐标 系中的位 置 ， 用式 3 ～式 6 表 达的寻位 算法 ， 确 定螺纹 轨迹 起点 中数 控加 工坐标 系 中的位 置． 从 而求解 出工 件的实际位置 。余量 自动分 配模块 的功能 是根据 人工 确定 并输人 计算 机 的修 复 切除量 。 ， 对加 工 余 量进行 自动分 配 ， 确定数 控加 工程序 中 的走刀 循环次数和 各个 加工 表面最后 一 刀的切 削深度 ， 从而 产生加工余 量分配信息 。刀具路径 动态校正 模块 的功能 则是根 据被 加工零件 的数控程 序 、 工 件寻位模块 提供 的工件 实际位 置信 息 ， 以及余量 自动 分配模块 提供 的加 工余量 分 配信息 ， 对初始 刀具 路径 上 的各坐标 点及程序循环指令 中的走 刀 循环次数进行实时修正， 从而产生 出新的实际刀 具路 径 。 然后 ， 将此 刀具路径信息送往 刀具轨迹插 补 模 块 ， 生成具 体 的机床 坐标运 动控 制指令 。最 后 ， 通过机 床控制模 块控制 机床运动 ， 从而准确实 现所 要求 的刀具 运 动轨迹 ， 加 工修复 出符 台要求 的零件 。 上面介绍 的石 油钴杆接头螺纹 的数控加工修 复方 法已在实 际生产 中应用 。与手动操作加工修 复 相 比， 数控加工修 复提高 了生 产率 ， 提高 了加工 精度 的一致性 ， 大大减轻 了工人 的劳动强度 ， 特别 是 减轻了工人 的精神 紧张程度 。 参考 文 献 I 王敏 谦 ， 壬 宝元 GB 9 2 5 3 ． 1 --8 8 ． 石 油钻 杆接 头螺 纹， 2周凯 ． 机 械工 程学 报 ， 1 9 9 7 ， 3 3 1 3 9 4 7 编辑卢湘 帆 张■ 癣男 ， 1 9 5 0年 生 。目睹 科技大 学 长抄 市4 1 0 0 7 3 机械 电 子工程与仪嚣系酎教授． 主要从事 C A D ／ C AM 一体化、 特种工程 材科的加工技术、 加工过程中的检 测与控制等方面的研究工作 获部 委级辩 技成 果奖 3硬 发表论 文 2 0余篇 王启 民 王舞梅王 士立 长抄 市4 1 0 0 7 3 国坊科 拉大学 李 蛙斌河南省 南 阳市4 7 3 l 3 2 河 南石 油勘探 局 国外 机 电工 程 文 献 篇 名 数 据 库 推 出 光 盘 为方便广大科技工作者查阅国外先 进技术资料 ． 更好 地运用现 代信 息手段 ， 开发利用 现 有 科 技 资 源 ， 经 过 近 1年 的 努 力 ． 自 主 开 发 出 国外 机 电工程文 献篇 名数据 库 ， 该 数据库 以每 年投人数 百万 元采集 的上 千种 机械 、 电工 、 汽 车 、 仪表、 自动化 、 金属加工 、 能源 、 环境 等行业及 相关 领 域原版外文期刊和会议文 献为数据源 。将 其 中 刊载的科技 论文与技术评论文章 的篇 名 、 著者、 关 键词 、 文摘、 原文 出处 、 收藏单 位 等信息装 入数据 库 ， 每年更新数据 5万余 条。 其 中各数据项均具有 检索功 能， 且能提供原文 服务 。 近 日， 该 数据 库 光 盘 1 9 9 9年 版 ， 已 由机械 工业 出版社 出版 。 中 国机械工程学会会讯 编辑部可为本会会 员提供优惠服务 ， 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