471型管端车丝机外圆加工刀具的改进

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1 引言

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471型CNC管端车丝机床采用GE-FANDE-11T数控系统，加工过程中，工件固定不动，刀盘旋转，对管端进行多刀螺纹加工，加工精度和加工效率较高。但加工过程中曾出现管端螺纹锥度呈不规则变化的现象，尤其在加工低钢级大直径薄壁管时，甚至可能导致螺纹锥度超差。为此，我们通过分析外圆加工的合理切削用量，从减小加工时管端所受径向切削力入手，对外圆刀具的几何参数进行了合理改进，达到了保证管端螺纹锥度加工精度的目的。
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图1 471型车丝机刀盘刀杆布置图
(a)	(b)
图2 车丝刀杆和外圆刀杆示意图
9 V, U# {1 l3 }8 v" v* N/ O( w$ i+ ]' ]5 f- E3 [2 ^! S/ w0 I! C% B3 H# e7 H; f9 w* Q( d' ?4 ]" C( U, @' X0 N7 V4 R9 @9 k; ~- v2 T; c" M% Z `2 M. b& C9 y! R* x7 f* @3 @$ O0 M9 a5 d9 L, R2 S0 c$ }: V" l5 p) w$ h, H( ]6 S5 L! x% E2 e/ Q: _' x: I6 T7 |, @ {- t, j9 j7 s2 E' T: c( n9 d2 n2 X2 y' [; t) J; S 表1 车丝刀杆和外圆刀杆规格及尺寸 车丝刀杆 (英寸) 规格 5.5” 7” 9.625” X1 8.314” 7.773” 6.284” 外圆刀杆 (英寸) 规格 5.5” 7” 9.625” X2 8.796” 8.255” 6.766”
图3 外圆车刀进给量与表面粗糙度的关系
图4 5.5”车丝刀杆基准调整示意图
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2 车丝机管端螺纹加工工艺

471型车丝机对钢管管端的加工工序包括平端面、倒内棱、车外圆和车螺纹。当钢管到达加工工位时，钢管夹具夹紧钢管，刀盘罩伸出，开始供给冷却液；然后6把正楔刀杆伸出，6把外圆车刀粗倒外棱；倒棱完毕后，正楔刀杆退回，反楔刀杆伸出，端面车刀、内倒棱刀和外倒棱刀进行平端面、倒内棱和精倒外棱加工；加工完毕后，反楔刀杆退回，正楔刀杆伸出，同时内支撑装置伸入钢管端部，涨爪张开支撑住钢管端部，6把外圆车刀和3把螺纹梳刀同时旋转并作径向和轴向进给，加工出1:16锥度，完成车外圆和车螺纹工序后，内支撑涨爪缩回，即完成了一个管端的加工流程。 7 n. v$ f( z$ i" X

3 外圆加工切削用量分析

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1. 切削速度
   471型车丝机的主轴转速为100～400r/min，可加工石油套管规格(英制)为4.5”～10.75”。加工实践证明，加工外圆时切削速度控制在176m/min左右，可获得较好的机床稳定性和较长的梳刀工作寿命。
2. 进给量
   如图1所示，471型车丝机的刀盘上装有6把正楔刀杆(3把外圆刀杆、3把车丝刀杆)和3把反楔刀杆(外倒棱刀杆、内倒棱刀杆、端面刀杆各1把)。9把刀杆沿圆周间隔40°均布，其中3把外圆刀杆相互间隔120°，3把车丝刀杆相互间隔120°，相邻车丝刀杆与外圆刀杆相互间隔40°(且车丝刀杆在前)。3把外圆刀杆上的外圆车刀与3把车丝刀杆上的外圆车刀并不在同一平面上，如图2所示。图2中车丝刀杆(a)和外圆刀杆(b)的规格及相应尺寸X₁、X₂见表1。 $ r3 S* a: e, g7 T
   外圆刀杆上的外圆车刀比车丝刀杆上的外圆车刀在轴向上靠前尺寸为0.285”-0.276”=0.009”。综合考虑加工圆扣螺纹和梯扣螺纹的情况，外圆刀杆上的外圆车刀靠前0.009”相当于外圆刀杆上的外圆车刀提前转过｛0.009”［/(T₁+T₂)/2］｝×360°=20°(T₁为梯扣螺纹螺距，T₁=0.2”；T₂为圆扣螺纹螺距，T₂=0.125”)，这样即可保证6把外圆车刀在同一横截面上的加工轨迹相隔约60°，即6把外圆车刀在同一横截面上的加工轨迹近似为6条均匀分布的螺旋线。所以，每把刀的进给量为T/6，即加工圆扣螺纹套管时，每把外圆车刀的进给量约为0.53mm；加工梯扣螺纹套管时，每把外圆车刀的进给量约为0.85mm。 ; `9 R7 l* {; _2 r
   在此需特别指出，安装刀杆时切勿将外圆刀杆安装在车丝刀杆之前，否则相邻的外圆刀杆与车丝刀杆在同一横截面上的加工轨迹相隔40°-20°=20°，即相邻外圆刀杆与车丝刀杆的外圆车刀加工轨迹几乎重合，6把外圆车刀的加工轨迹近似为3条螺旋线，刀具进给量接近T/3。由图3可知，此时外圆刀具加工出的表面粗糙度轮廓最大高度为Ry=(f²/8r_e)×1000(µm)(式中re为外圆刀具半径，mm；f为进给量，mm/r)。由此可知，如刀杆位置安装错位，则外圆车刀加工表面的R_y值将比正确安装时增大近4倍，这会显著增大螺纹梳刀的切削负荷，降低螺纹加工精度和螺纹梳刀寿命。因此安装刀杆时必须保证车丝刀杆在前，外圆刀杆在后。
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3. 切削深度 $ y; ^. E( G7 d% s. J
   471型车丝机外圆车刀的切削深度主要取决于套管的LL¢值及套管壁厚偏差。由图2可知，车丝刀杆顶点到外圆车刀A点的距离为(X₁+0.482)”，等于外圆刀杆顶点到外圆车刀B点的距离X₂。因此，6把外圆车刀在刀盘上的径向距离相等，即加工时外圆车刀的切削深度相同。加工螺纹时，应以3^#车丝刀杆加工1;16锥度至套管管端、3:螺纹梳刀精车齿顶至套管的LL¢位置为基准调整刀具位置，如图4所示。
   外圆车刀加工后为螺纹梳刀精车齿所留加工余量为0.592-0.482-(0.67+0.276)/32=0.0804”。根据API5CT规定，钢管外径的最大允许偏差为±1%，即钢管最大外径为D_max=1.01D。外圆车刀在管端的最大切削深度为t_max=D_max/2-LL¢/2-0.0607”。根据API58可算出LL¢数值，将钢管外径D和LL¢值带入上式，即可算出加工不同外径API短圆螺纹时的最大切削深度t_max(见表2)。 k' r& g- n+ q; J" U G e1 s2 s
   因此，外圆车刀的最大切削深度为0.1252”=3.18mm。

综上所述，外圆车刀的切削用量为：切削速度v=176m/min；进给量：加工圆扣螺纹时f=0.53mm，加工梯扣螺纹时f=0.65mm；切削深度t=0～3.18mm。
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图5 PMC外圆车刀几何参数

图6 PMC外圆车刀工作角度

图7 SANDVIK外圆车刀的几何参数

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图8 改进型外圆车刀的几何参数

4 外圆车刀几何参数对径向切削力的影响

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1. PMC外圆车刀
   目前使用的PMC外圆车刀几何参数如图5所示。为形成刀具的工作后角，PMC外圆车刀刀座刀窝在水平面和垂直面上各有7°倾斜角(如图2所示，∠A=∠B=7°)，因此其工作角度为(见图6)：工作前角g_oe=7°，工作后角a_oe=7°，负倒棱宽度b_re=0.57mm，负倒棱角度g₀₁=-2°。
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2. SANDVIK外圆车刀
   为了提高石油套管管端螺纹锥度的稳定性，根据471型车丝机外圆车刀的切削用量及被加工材料性能(基本属中碳合金钢)，我们选用瑞典SANDVIK公司的RCMT1606MO4025外圆车刀进行了切削试验，结果表明该刀具加工的螺纹锥度的稳定性优于PMC外圆车刀。
   SANDVIK外圆车刀的几何参数如图9所示。安装该刀具的刀座刀窝无倾斜角，其工作角度为(见图7)：工作前角g_oe=18°，工作后角a_oe=7°，负倒棱宽度b_re=0.15mm；IC=16mm，S=6.35mm，R_n=-15°。
3. 刀具几何参数对径向切削力的影响
   PMC外圆车刀和SANDVIK外圆车刀的几何参数对径向切削力的影响见表3。
   相比之下，SANDVIK外圆车刀在加工过程中对钢管产生的径向切削力小于PMC外圆车刀，因此套管管端螺纹锥度的稳定性也优于PMC外圆车刀；但SANDVIK外圆车刀只能单面使用，刀具消耗量将提高一倍。

5 外圆车刀几何参数的合理改进

为了提高加工螺纹锥度的稳定性，同时克服SANDVIK外圆车刀只能单面使用的缺点，我们将新型外圆车刀设计为双面刀具，其几何参数如图8所示。刀座刀窝仍采用PMC刀座形式，刀窝处带有倾斜角∠A=∠B=7°(见图2)。改进后的外圆车刀工作角度与SANDVIK外圆车刀相同。 - X b" l. R0 X V. o

加工实践表明，改进后的新型外圆车刀既保持了SANDVIK外圆车刀具径向切削力小、螺纹锥度稳定性好的特点，又具有PMC外圆车刀可双面使用、刀具消耗量低的优势。