抽油杆接箍半挤压丝锥的研制及应用.doc

抽油杆接箍半挤压丝锥的研制及应用第28卷增刊石油机械加工翻造.抽油杆接箍半挤压丝锥的研制及应用周飞(黑龙江省石油化工机械厂)吴则中(石油勘探开发科学研究院)摘要抽油杆接箍半挤压丝锥综合了切削丝锥和挤压丝锥的优点,挤压扭矩小,温升小,能耗少,工作效率高,加工精度高,接箍使用寿命长.简述了半挤压丝锥的结构和工作原理,阐述了其几何参数的确定方法,并到出了有关的计算公武.提出半挤压丝锥应用中工艺参数的选择方法,包括攻丝前预制孔的选择和攻丝速度的选择,并阐日月了半挤压丝锥制造中的工艺要点.最后就用半挤压丝锥加工抽油杆接箍内螺纹作了社会和经济效益评价.主题词半挤压丝维结构工艺参数制造应用抽油杆接箍在我国,过去一般采用切削丝锥加工抽油杆接箍的内螺纹,8o年代中期研制成功挤压丝锥.其后,黑龙江省石油化工机械厂,石油勘探开发科学研究院机械所,玉门石油管理局机械厂,上海工业大学和东北输油管理局铁岭机械厂共同研制成功抽油杆接箍半挤压丝锥,并于1992年8月通过原中国石油天然气总公司的技术鉴定.此项成果居国内领先水平,目前已为铁岭机械厂,大庆石油管理局采油二厂抽油杆修造厂和山东省淄博石油设备厂所采用.结构及优点1.切削丝锥和挤压丝锥的优缺点加工抽油杆接箍内螺纹的丝锥有切削丝锥和挤压丝锥两种切削丝锥的主要缺点是:切断内螺纹的金属纤维,内螺纹表面粗糙度和精度较低,因此接箍的疲劳寿命低.主要优点是扭矩小,工作效率高,可重磨,价格低.挤压丝锥的主要优点是接箍的疲劳寿命长(比切削丝锥加工的接箍长10多倍),主要缺点是挤压扭矩大,工作效率低,不可重磨.2.半挤压丝锥的结构半挤压丝锥结构见图1.图1半挤压丝锥结构l挤压齿2一方尾;3一切削齿半挤压丝锥作用机理是先切削后挤压,切削部分先导人,将接箍螺纹预先加工成半成型螺纹,留了合适的挤压余量,尔后挤压锥部分的棱脊旋人半成型螺纹内,挤压预留的金属,使金属向螺纹小径方向(齿尖)移动,螺纹牙型高度逐渐丰满,形成最终成型的螺纹齿顶(小径处).在金属塑变过程中,表面层组织呈流线状分布,在齿根处被挤压的金属呈圆弧状连续流线,玲作硬化的作用提高了螺纹疲劳强度.半挤压丝锥的挤压齿由于在半成型的齿面上挤压金属,负载减少,挤压扭矩和温升均减小,能耗也就降低;切削齿可重磨,保持切削齿的锋利,提?周飞,高级工程师,生于1934年.1965年毕业于喑尔滨理工大学机槭系机槭制造工艺及其设备专业,长期从事非标刃具和量具以及模具的设计研制工作.地址:(20D434)上海市凉城二村52号202室.电话:(021)652e475.(收稿日期:1999一o804;修改稿收到日期:1999一o813)第28喜增刊周飞等:抽油杆接箍半挤压韭锥的研制厦应甩高了工件半成型齿面的质量,从而提高了工件最终成型螺纹的质量,也提高了刀具的耐用度.3.半挤压丝锥的优点用半挤压丝锥攻制抽油杆接箍螺纹的优点是:(1)可攻制经调质热处理硬度35HRC以下的抽油杆接箍螺纹孔,一次成型,尺寸稳定;(2)工作效率比挤压丝锥高2倍,切削挤压速度为1020m/rain;(3)可重磨34次,寿命相当于挤压丝锥的3倍;(4)攻丝扭矩小,可减少能耗33%;(5)经半挤压丝锥加工的接箍螺纹精度高,表面粗糙度不大于1.6,接箍牙型达到APIl1B规.ttm范要求,接箍螺纹疲劳寿命与全挤压接箍相当.几何参数的确定半挤压丝锥的结构是前部切削,后部挤压,两者之间有一过渡区.在需确定的参数中,过渡区的结构和参数是最主要的.经终齿挤压后,成型尺寸取决于挤压终齿的尺寸精度.为减少工作中的摩擦,终齿挤压后必须有倒锥,在进入挤压齿前为使挤压余量保持稳定,在重磨切削齿后,尺寸基本不变,切削终齿留有校正齿,这些要点都必须在设计半挤压丝锥的结构和几何参数中确定.1.半挤压丝锥中径的确定丝锥的挤压齿在挤压过程中受径向挤压力的作用,齿型稍微变粗,中碳钢工件塑性差,螺纹经挤压后稳定性好,其回弹量随工艺条件影响较大.丝锥中径尺寸可按下式确定d中mx=Dee叫+Adee+eaeeK一乱中(I)d中i=d中一中(2)式中D一工件中径最大值;zSdee按cB9毋76丝锥螺纹公差查表:ed啐】与工件材料有关的回弹量;丝锥制造公差,可取工件公差的1/7;回弹量修正系数,与工件材料,润滑条件,工作速度有关,工艺条件好时取K=1.2.丝锥大径的确定经多次试验,发现半挤压丝锥主要是挤压齿外径磨损.若外径增加过大(包括过渡区挤压齿).造成齿顶变尖,散热不好,尖部脆弱,容易错落,使磨损加剧.根据挤压丝锥磨损机理研究及试验结果,丝锥的挤压部大径可按下式确定:d大径一=D+(0.010.02jP+墨(3)式中D工件最小大径(GB7229-87);P螺距;丝锥的磨损量;E工件材料的回弹量;与工作条件有关的修正系数.3.挤压锥引入角及挤压棱齿数的确定挤压锥引入部分是挤压的过渡区,引入角大,每齿挤压量大;引入角小,过渡区增大.挤压过程中,每齿所承担的挤压量与棱齿数和挤压余量有关.按挤压余量分担于每个齿的负载考虑,设定过渡区的长度,再优化引入角是比较合理的.每齿挤压量一般以不超过0.02mm为宜,所以确定挤压引入半角n=230,挤压棱齿数z=8.4.挤压校正齿部和引入齿部的确定由多次试验得知,挤压过渡医舶几何参数和结构形式对丝锥的寿命影响较大.引入角引入后,负载逐渐加大,至拐点(即校正第l齿)负载最大,磨损最严重,以后向柄部方向逐渐减弱.在磨损机理上要求过渡区长些,校正齿多些.但过渡区过长,丝锥也长,成本上升,效率也下降;校正齿过多,摩擦增大,扭矩增大.要避免这些情况.须对校正齿进行优化考虑到前齿磨损后仍有足够的后续齿保证补偿螺纹成型尺寸的稳定,校正齿取三扣为佳,三扣以后做成倒锥;挤压引入齿首扣由挤压余量(挤入角)决定,为使挤压首扣轻松旋入.又要考虑环形槽处去半扣的因素,所以要设定挤压首扣低于切削终扣.挤压部结构如图2所示.囤2挤压部结构5.挤压余量和切削齿尺寸的确定半挤压丝锥前部切削齿在工作中先切去一部分金属,留有挤压余量由丝锥后部挤压齿完成挤压螺纹成型,被切去金属的多少与被加工螺纹牙型的成型质量关系很大.石油机械2OOO点若挤压余量小,螺纹牙尖处敞口大,牙高不足;挤压余量过大,则造成丝锥折断.经多次计算和测试,确定半挤压丝锥的挤压余量(中径差)以0.35045mm较为合适.由此,可决定切削齿校正扣的尺寸.6.切削部结构形式和主要参数的确定半挤压丝锥切削部结构形式为全尖齿,如图3所示齿形b切削图形囤3切州部结构(是齿形)从切削图形可以看出,全尖齿的切削用量较均匀合理,最终切削齿均匀切去加工余量,被加工的表面质量提高,为保证后续挤压质量创造了条件.半挤压丝锥采用全尖齿形切削齿的另一个优点是,遇到因工件材料,预制孔径及工艺条件等意外因素使丝锥夹住时,因其切削锥相当于锥形螺纹,可立即倒车退出,丝锥不会损坏.现场试验中,为获得较高的生产率,丝锥装夹应与工件对中.若切削锥角小,对中性好,但锥部过长,生产效率低;反之,对中性不好,披加工件质量就受影响,切削中铁屑排出方向与后续挤压齿导人影响较大.为避免碎屑进入挤压区,在过渡区设定环形槽,切削齿部设定刃倾角.但刃倾角过大会影响螺纹铲磨.经验算和试验,对于挤压8棱,切削四槽的半挤压丝锥,取前锥半角a为23O,取切削刃倾角为3.,取切削齿前角为l0.切削前端直径要小于预制孔的直径,可取小于底孔直径的0.1P(P为螺距),切削锥部长度由前锥角决定,切削锥部总长不宜超过11P抽油杆接箍内螺纹是较深的通孔,要考虑在一次攻丝成型中的卷屑,容屑和排屑,取齿数Z=4:容屑槽按常规选定.7铲背量和油槽的确定半挤压丝锥挤压齿铲背量与挤压齿棱边数n有关,棱边数多,j;=值相对减小;棱边数一定,值大,棱边就尖,挤压摩擦减小,扭矩也小;但棱边过尖,耐用度下降,同时值也受螺纹磨砂轮直径的限制.为提高棱边耐用度,在设计铲磨凸轮时考虑了丝锥棱边有为0.5rrma的圆弧,丝锥的值可按下列简化公式求得K=zrd/(2n)tga(4j式中d丝锥挤压校正齿的大径;n丝锥挤压齿的棱边数;设定的丝锥后角值,一般8.为在切削和挤压过程中得到润滑和玲却,丝锥纵向开u形槽等分8处,分布于距棱脊29o30处,其中4槽开通于容屑槽,另4槽与前部环形槽相通.牙型半角和螺距公差按同规格丝锥选取.工艺参数的选择1.攻丝前预制孔尺寸的选择攻丝前预制孔尺寸直接影响被加工螺纹型面质量.底孔过大,螺纹型面成型不好,齿尖(小径处)敞口大,螺纹小径止规止不住,造成废品;底孔过小,总挤压量过大,金属余量封死,造成丝锥央住,甚至丝锥折断或工件螺纹撕裂.因此,对底孔的尺寸大小除要作挤压余量计算外,还需进行试验优选.计算式为d=D一0.55p一(0.70.9)K2(5)式中d预制孔径;D工件螺纹大径:一螺距;与工艺条件有关的修正值2.攻丝速度的选择在实际应用中,操作者希望有较高的攻丝速度.就中碳钢而言,因其塑性差,若速度过高,挤压表面内层来不及蠕变就披挤压棱挤走,看似粗糙度小,其实内在质量不好.经剖析工件,速度过高的齿根流线层薄但速度过低,生产效率也低.从与攻丝扭矩关系上看,速度增大,扭矩也增大.北石所和上海工大曾进行测试,取222rrma(英寸)(CYG22)半挤压丝锥,工件预制孔径18.3ram,攻丝速度=48m/min,测得扭矩为101N-m.在速度恒定情况下,预制孔径与扭矩成反比;在孔径恒定情况下,攻丝速度与工作扭矩成正比.当攻丝速度增至2.5倍时,扭矩增加16%,攻丝速度与工作温度也成线性关系.图4为攻丝速度与工作扭矩关系曲线,图5为攻丝速度与工作温度关系曲线.第28卷增刊周飞等:抽油杆接箍半挤压丝锥的研制厦应甩V蝎攻丝速度(m/min)圈4攻丝速度与工作扭矩关系曲线25024023022021O200190攻丝速度(m/rain)圈5攻丝速度与工作温度关系曲线比较图4和图5,可见<6m/rain和=1214nv/min较好.在试验中,取102(hn/mln,对于2.2mm(英寸)半挤压丝锥,可取=13m/min,相当于无槽丝锥攻丝速度的2倍.选择半挤压丝锥前部切削齿攻丝速度时,应注意避免产生屑瘤3.半挤压丝锥的润滑半挤压丝锥安装在立式钻床主轴上,切削锥切下的铁屑便于排出.润滑油自上而下注入被加工件的孔中(通过8个u形槽),由机床冷却润滑泵供油.润滑油采用上海工大配制的sc一挤压油,或采用汉沽产的挤压油.在条件允许的情况下尽量采用浸油润滑,丝锥2支或3支一组交替使用,可提高使用寿命.制造工艺要点半挤压丝锥既有切削可重磨功能,又有冷挤压螺纹一次成型功能,在制造中有其独特之处.在选材上应选用适应这种特点的基树,多次对比试验表明,选用WCr4V最为合适,选用W6MosCr4也可,其它高速钢不宜选用.在热处理上,对工作部分硬度宜控翩在631HRC.硬度过高,工作部分易脆裂;过低则磨损快.涂层TiN厚度考虑在机加工工序中,柄部在涂层后高频处理.用工具显微镜检测牙型半角和螺距,三针检测中径,丝锥要按O/smBo692标准执行.由于半挤压丝锥机理是先切削后挤压内螺纹成型,切削量和挤压量的差值是主要参数,工艺中要保证最终挤压齿的尺寸,要特别注意TiN涂层的厚度,注意涂前尺寸及精度为使半挤压丝锥在使用过程中过渡区不至于急剧磨损,要处理好坷削齿与过渡区参数的关系.切削终扣尺寸由挤压校正扣决定,挤压首扣又受挤入角的限定,挤人角在切削齿之问是不连续的,而螺距是连续的,且要保证螺距累积误差,需由全形模板保证.半挤压丝锥加工关键工序中,铣序要保证等分性.铲磨用的双向阿基米德曲线凸轮的制造可用单向阿基米德曲线凸轮在C8955机床上用外包容法仿铲,且经仿铲的