API螺纹加工技术研究
2018-6-19 来源：中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司 作者：史韵琦 杨琢 何恩绪 朱颖
摘要 ：本文主要介绍了轴类薄壁零件 API 螺纹加工的全过程，阐述了 API 螺纹的特点，加工过程中遇到的问题及解决方法、振刀具纹的控制及不完整螺纹的首扣加工进行了分析和阐述。
关键词 ：锥螺纹 ；螺距误差 ；铣首扣
0、引言
API 螺纹是美国石油协会认可的石油专用螺纹，执行API Spec-7标准，API 螺纹系列在井内钻住结构件和井下工具得到越来越广泛的应用 ；尤其是连接钻柱结构件的 API 系列钻具接头螺纹，更是起着不可或缺的作用。因此熟悉和掌握 API 系列的相关技术规范和设计要求，采用合理的加工参数及检测方法控制 API 石油管螺纹的质量，是公司开展石油钻探行业不可或缺的。
API 螺纹为锥度螺纹，其牙型有偏梯形牙型、三角形，螺纹直径大，零件壁薄，加工时刚性差，加工时需要控制API 螺纹的锥度误差、螺距误差、牙型误差及振刀纹的产生，螺纹的检测也不同于一般螺纹，需要专用的 API 螺纹工作量规。
1、研究目标
1.1 API 螺纹的设计要求
API 螺纹执行 API Spec-7标准，旋转台肩式连接，是石油钻探行业连接钻住结构件最主要的机械结构。这种带锥螺纹具有通过轴向位移来补偿连接部分直径误差的特点，因此互换性程度高、结合紧密并且装拆容易。由于旋转台肩式连接在工作中承受高扭矩，故采用螺纹涂料来防止螺纹擦伤和旋转过紧问题。
2、API 螺纹锥度误差、螺距误差、牙型误差的控制
API 螺纹的锥度、螺距、牙型是重要的参数，精度要求较高，对螺纹连接性能有较大影响。
2.1 API 螺纹锥度误差的控制
API 螺纹零件的加时，当锥度的锥度3/8TPF 时，3/8TPF解释为 ：每英寸3/8英寸 ；对应的角度为0.8952°，加工螺纹程度必须沿着0.8952°的角度进行加工，通过角度换算零件的 X 与 Z 值的比例关系是1:64 ；车加工螺纹 X 方向上刀0.01mm 时，Z 向方向进0.64mm，因此该螺纹的锥度为螺纹的加工带来极大的难度。API 螺纹椎体一般分为粗车及精车两个步骤加工，API螺纹内、外椎体粗车后，单边留车量0.2mm~0.3mm，以保证精车 API 螺纹牙型的完整性。
2.2 API 螺纹紧密距误差的控制
螺距公差，API 螺纹刀制造公差是造成 API 螺纹连接密封性能的最主要因素。螺距公差在 API 螺纹连接时的累积紧密距，在间隙值中所占比例最大，达到50%，因此螺距误差是影响 API 螺纹紧密性能的主要因素。在数控车床上加工 API 螺纹都是工件旋转，螺纹车刀沿工件轴线按所要求的螺距参数等量平移，工件的螺距精度主要靠车床相关部件的运动精度来保证。虽然 API 螺纹零件的螺距误差接近或超过累积螺距公差状态的情况极少，但一旦出现，对成批零件密封性能的影响是致命的。为了减小工件的螺距误差，保证 API 螺纹连接密封性能，应采取以下控制措施 ：
（1）定期检查机床，消除和减小机床的主轴回转误差、导轨导向误差和传动误差等，以提高 API 螺纹加工时的螺距精度。
（2）刀具杆的选择，一般 API 螺纹的刀具都有对应的刀片及刀杆号，但由于 API 螺纹车加工中产生应力很大，在选择刀杆的过程中，要尽量选择直径粗的刀杆，增加刀具的刚性，减少刀具振动造成螺纹的振纹。
（3）振刀纹的消除，API 螺纹的加工中，振刀纹是影响螺纹加工最关键最难解决的问题，刀杆的装夹必须先拉直，再根据程序中 Z 值尽量让刀杆少探出，减小刀具的振动，避免振刀纹的产生；再通过增加零件的刚性，减少零件的振动，避免振刀纹产生。
2.3 API 螺纹牙型误差的控制
API 螺纹是一种特殊的连接，螺纹的牙型对油管螺纹的连接的密封性能产生重大影响。虽然国际及 API 标准规定的牙型误差只有两项（牙型高度公差和牙型角公差），而且从表面上看这两项公差值都较大，但实际上 API 螺纹加工时因工件装夹、刀具的问题、走刀方式、上刀量而引起的牙型形状误差及横截面圆度误差都应包含在内。为了减小 API 螺纹的牙型误差，还应采取一下措施 :
（1）API 螺纹椎体车好后，先用普通螺纹车刀粗车，以减轻车螺纹时载荷，保证螺纹牙型正确。
（2）API 螺纹粗车后，再利用螺纹车刀精车，精车走刀3次以上，API 螺纹的牙顶，牙侧及牙底必须精车，以保证牙型的完整正确。
（3）为了保证螺纹车刀在加工中有效的控制牙型，加工时注意观察刀具的磨损情况，及时更换刀片。
3、API 螺纹的工艺性分析
API 螺纹直径大，其螺纹牙型为梯形锥度螺纹且螺距大，零件内部是内孔加工时零件壁薄，刚性差容易出现振刀现象。从零件图中我们知道 API 螺纹的锥度起于一点，而这一点在加工中不易测量，难以控制，另外，从牙型放大图中我们可以看出螺纹尺寸要求严，这些因素势必给 API 螺纹加工带来困难。
4、API 螺纹的加工
4.1 API 螺纹小径的加工前，必须将螺纹的小径车加工
到尺寸，且螺纹的小径的锥度也是3/8，这就要求车加工径向值的公差范围只有0mm~0.1mm。
4.2 API 螺纹的加工 ：API 螺纹都有对应加工的刀杆号与刀片号，加工螺纹前螺纹刀杆必须拉直，加工螺纹的刀杆要尽量选择粗的刀杆，刀杆越粗刀具的刚性越好，越能减少振刀纹的产生 ；API 螺纹加工方法是先用专用车道粗车去除余量，再用专用车刀精车。这种加工方法的优点是：（1）粗车时，车刀可以采用较大的前角后角，切削轻快，可减少工件的挤压变形 ；（2）在程序中我们使用跳步功能，这样在螺纹加工时能先去掉牙型角的大部分余量，精车螺纹时减轻切削载荷。
4.3 API 螺纹加工的夹具
合理装夹及提高工件的刚度，API 螺纹零件一般是空心薄壁件，安装时我们采用专用卡爪，卡爪材料为45# 钢，硬度28-35HRC，而且工件被夹持部位圆柱度应控制在0.03mm，卡爪夹持部位定期修切，使之与工件接触良好，从而使夹紧力均匀，减少工件的加紧变形 ；当工件悬伸较长时或刚度较低时，采用中心架做辅助支撑，中心架靠近螺纹，以便增加零件的辅助刚性。
5、API 螺纹首扣的铣加工
根据 S-272632规定，API 螺纹首扣需要进行加工，从工艺上我们考虑由于 API 螺纹尺寸较大用钳工打磨难以保证API 螺纹的锥度，影响 API 螺纹的密封性。基于以上考虑我们新开发了数控车床动力头，在数控卧车上精零件进行铣加工，数控车床上加工完螺纹后，不能卸下零件，在保证与车螺纹相同状态下，通过程序 G28 C0，来确定螺纹的起始0度，通过动力头直接进行螺纹首扣的加工，保证 API 螺纹的加工精度和质量。使用动力头铣加工螺纹，对刀 Z 值最好与车加工的 Z 值一致，在零件每旋转一周，动力头的 Z 值必须走一个螺距，用以保证铣刀铣削加工沿着螺纹的旋向进行，我们从刀具使用开始，程序原点，对刀点，对刀方式每一步认真考虑，计算。铣螺纹首扣的过程，是两轴联动的过程，在试件加工中，便加工边调整 Z 值，Z 值调整后，一定不能改动。
6、 结论
API 螺纹加工目前国内加工较少，API 螺纹加工是一项系统工程，从操作者到机床设备，到刀具夹具的使用，每一个环节都至关重要，每一个环节出现问题，都会影响到 API螺纹的螺纹连接的密封性能。因此，需要人人重视螺纹加工过程，从而使 API 螺纹的质量得到有效控制与保证。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
