1 引言
天津鋼管公司于1993年引進四臺471型cnc管端車絲機。該機床采用ge-fande-11t數控系統(tǒng)，加工過程中，工件固定不動，刀盤旋轉，對管端進行多刀螺紋加工，加工精度和加工效率較高。但加工過程中曾出現(xiàn)管端螺紋錐度呈不規(guī)則變化的現(xiàn)象，尤其在加工低鋼級大直徑薄壁管時，甚至可能導致螺紋錐度超差。為此，我們通過分析外圓加工的合理切削用量，從減小加工時管端所受徑向切削力入手，對外圓刀具的幾何參數進行了合理改進，達到了保證管端螺紋錐度加工精度的目的。
圖1 471型車絲機刀盤刀桿布置圖
(a)
(b)
圖2 車絲刀桿和外圓刀桿示意圖
表1 車絲刀桿和外圓刀桿規(guī)格及尺寸
車絲刀桿
(英寸)
規(guī)格
5.5”
7”
9.625”
x1
8.314”
7.773”
6.284”
外圓刀桿
(英寸)
規(guī)格
5.5”
7”
9.625”
x2
8.796”
8.255”
6.766”
圖3 外圓車刀進給量與表面粗糙度的關系
圖4 5.5”車絲刀桿基準調整示意圖
表2外圓車刀zui大切削深度
鋼管外徑
ll¢
tmax
5.5”
5.217”
0.0886”
7”
6.701”
0.1041”
9.625”
9.310”
0.1252”
2 車絲機管端螺紋加工工藝
471型車絲機對鋼管管端的加工工序包括平端面、倒內棱、車外圓和車螺紋。當鋼管到達加工工位時，鋼管夾具夾緊鋼管，刀盤罩伸出，開始供給冷卻液；然后6把正楔刀桿伸出，6把外圓車刀粗倒外棱；倒棱完畢后，正楔刀桿退回，反楔刀桿伸出，端面車刀、內倒棱刀和外倒棱刀進行平端面、倒內棱和精倒外棱加工；加工完畢后，反楔刀桿退回，正楔刀桿伸出，同時內支撐裝置伸入鋼管端部，漲爪張開支撐住鋼管端部，6把外圓車刀和3把螺紋梳刀同時旋轉并作徑向和軸向進給，加工出1:16錐度，完成車外圓和車螺紋工序后，內支撐漲爪縮回，即完成了一個管端的加工流程。
3 外圓加工切削用量分析
切削速度
471型車絲機的主軸轉速為100～400r/min，可加工石油套管規(guī)格(英制)為4.5”～10.75”。加工實踐證明，加工外圓時切削速度控制在176m/min左右，可獲得較好的機床穩(wěn)定性和較長的梳刀工作壽命。
進給量
如圖1所示，471型車絲機的刀盤上裝有6把正楔刀桿(3把外圓刀桿、3把車絲刀桿)和3把反楔刀桿(外倒棱刀桿、內倒棱刀桿、端面刀桿各1把)。9把刀桿沿圓周間隔40°均布，其中3把外圓刀桿相互間隔120°，3把車絲刀桿相互間隔120°，相鄰車絲刀桿與外圓刀桿相互間隔40°(且車絲刀桿在前)。3把外圓刀桿上的外圓車刀與3把車絲刀桿上的外圓車刀并不在同一平面上，如圖2所示。圖2中車絲刀桿(a)和外圓刀桿(b)的規(guī)格及相應尺寸x1、x2見表1。
外圓刀桿上的外圓車刀比車絲刀桿上的外圓車刀在軸向上靠前尺寸為0.285”-0.276”=0.009”。綜合考慮加工圓扣螺紋和梯扣螺紋的情況，外圓刀桿上的外圓車刀靠前0.009”相當于外圓刀桿上的外圓車刀提前轉過｛0.009”［/(t1+t2)/2］｝×360°=20°(t1為梯扣螺紋螺距，t1=0.2”；t2為圓扣螺紋螺距，t2=0.125”)，這樣即可保證6把外圓車刀在同一橫截面上的加工軌跡相隔約60°，即6把外圓車刀在同一橫截面上的加工軌跡近似為6條均勻分布的螺旋線。所以，每把刀的進給量為t/6，即加工圓扣螺紋套管時，每把外圓車刀的進給量約為0.53mm；加工梯扣螺紋套管時，每把外圓車刀的進給量約為0.85mm。
在此需特別指出，安裝刀桿時切勿將外圓刀桿安裝在車絲刀桿之前，否則相鄰的外圓刀桿與車絲刀桿在同一橫截面上的加工軌跡相隔40°-20°=20°，即相鄰外圓刀桿與車絲刀桿的外圓車刀加工軌跡幾乎重合，6把外圓車刀的加工軌跡近似為3條螺旋線，刀具進給量接近t/3。由圖3可知，此時外圓刀具加工出的表面粗糙度輪廓zui大高度為ry=(f2/8re)×1000(µm)(式中re為外圓刀具半徑，mm；f為進給量，mm/r)。由此可知，如刀桿位置安裝錯位，則外圓車刀加工表面的ry值將比正確安裝時增大近4倍，這會顯著增大螺紋梳刀的切削負荷，降低螺紋加工精度和螺紋梳刀壽命。因此安裝刀桿時必須保證車絲刀桿在前，外圓刀桿在后。
切削深度
471型車絲機外圓車刀的切削深度主要取決于套管的ll¢值及套管壁厚偏差。由圖2可知，車絲刀桿頂點到外圓車刀a點的距離為(x1+0.482)”，等于外圓刀桿頂點到外圓車刀b點的距離x2。因此，6把外圓車刀在刀盤上的徑向距離相等，即加工時外圓車刀的切削深度相同。加工螺紋時，應以3#車絲刀桿加工1;16錐度至套管管端、3:螺紋梳刀精車齒頂至套管的ll¢位置為基準調整刀具位置，如圖4所示。
外圓車刀加工后為螺紋梳刀精車齒所留加工余量為0.592-0.482-(0.67+0.276)/32=0.0804”。根據api5ct規(guī)定，鋼管外徑的zui大允許偏差為±1%，即鋼管zui大外徑為dmax=1.01d。外圓車刀在管端的zui大切削深度為tmax=dmax/2-ll¢/2-0.0607”。根據api58可算出ll¢數值，將鋼管外徑d和ll¢值帶入上式，即可算出加工不同外徑api短圓螺紋時的zui大切削深度tmax(見表2)。
因此，外圓車刀的zui大切削深度為0.1252”=3.18mm。
綜上所述，外圓車刀的切削用量為：切削速度v=176m/min；進給量：加工圓扣螺紋時f=0.53mm，加工梯扣螺紋時f=0.65mm；切削深度t=0～3.18mm。
圖5 pmc外圓車刀幾何參數
圖6 pmc外圓車刀工作角度
圖7 sandvik外圓車刀的幾何參數
表3 刀具參數對徑向切削力的影響
刀具參數
徑向切削力
工作后
aoe
7°(pmc)
不變
7°(sandvik)
工作前角
goe
7°(pmc)
goe增大，徑向
切削力減小
18°(sandvik)
負倒棱寬度
bre(mm)
0.54(pmc)
bre減小，徑向切削力減小
0.15(sandvik)
圖8 改進型外圓車刀的幾何參數
4 外圓車刀幾何參數對徑向切削力的影響
pmc外圓車刀
目前使用的pmc外圓車刀幾何參數如圖5所示。為形成刀具的工作后角，pmc外圓車刀刀座刀窩在水平面和垂直面上各有7°傾斜角(如圖2所示，∠a=∠b=7°)，因此其工作角度為(見圖6)：工作前角goe=7°，工作后角aoe=7°，負倒棱寬度bre=0.57mm，負倒棱角度g01=-2°。
sandvik外圓車刀
為了提高石油套管管端螺紋錐度的穩(wěn)定性，根據471型車絲機外圓車刀的切削用量及被加工材料性能(基本屬中碳合金鋼)，我們選用瑞典sandvik公司的rcmt1606mo4025外圓車刀進行了切削試驗，結果表明該刀具加工的螺紋錐度的穩(wěn)定性優(yōu)于pmc外圓車刀。
sandvik外圓車刀的幾何參數如圖9所示。安裝該刀具的刀座刀窩無傾斜角，其工作角度為(見圖7)：工作前角goe=18°，工作后角aoe=7°，負倒棱寬度bre=0.15mm；ic=16mm，s=6.35mm，rn=-15°。
刀具幾何參數對徑向切削力的影響
pmc外圓車刀和sandvik外圓車刀的幾何參數對徑向切削力的影響見表3。
相比之下，sandvik外圓車刀在加工過程中對鋼管產生的徑向切削力小于pmc外圓車刀，因此套管管端螺紋錐度的穩(wěn)定性也優(yōu)于pmc外圓車刀；但sandvik外圓車刀只能單面使用，刀具消耗量將提高一倍。
5 外圓車刀幾何參數的合理改進
為了提高加工螺紋錐度的穩(wěn)定性，同時克服sandvik外圓車刀只能單面使用的缺點，我們將新型外圓車刀設計為雙面刀具，其幾何參數如圖8所示。刀座刀窩仍采用pmc刀座形式，刀窩處帶有傾斜角∠a=∠b=7°(見圖2)。改進后的外圓車刀工作角度與sandvik外圓車刀相同。
加工實踐表明，改進后的新型外圓車刀既保持了sandvik外圓車刀具徑向切削力小、螺紋錐度穩(wěn)定性好的特點，又具有pmc外圓車刀可雙面使用、刀具消耗量低的優(yōu)勢。