接箍加工中旋转刀架的改造及复合刀具的应用

郑明强

摘要：在油套管的接箍加工中，数控车床加工占据了相当重要的地位。但由于我厂部分数控车床已服役十多年，其设计和性能已不适宜于当前专业化接箍加工。主要体现为生产效率低，产品不合格率上升。通过对数控车床刀架的改造，并安装使用专用复合刀具，成功的解决了以上难题。

关键词：油套管接箍加工；复合刀具；直排式平移刀架

一、接箍加工的现状分析

我厂目前的数控车床大都为旋转式十二工位刀架，每个刀位只能安装一把刀具，这些刀具也只能安装一个种类的刀片，针对于API接箍的加工中，会存在生产效率低、产品不合格率上升、设备使用率低等现状。

1.生产时间较长

以5¹/₂^＂套管接箍为例，在加工前准备阶段，需在旋转刀架上安装端面车刀、镗孔车刀和内螺纹梳刀三把刀具，增加了刀具安装时间。为了保证整个刀架均衡受力，此三把刀具应均匀分布在旋转刀架的三个方位，保证每两把刀具间夹角为120°适宜。在加工过程中，完成一只接箍的加工需进行多个工序，每进行一步工序，就要更换一把刀具，而在更换刀具时，刀架需先从加工工位退到安全位置后，然后完成拔出—转位—定位—锁紧四个步骤，再进入到加工工位，开始下一个工序的加工。因此，要完成一只接箍产品的加工，至少需要更换四次刀具，增加了单只接箍生产加工时间。

2.产品不合格率上升

在上面阐述刀具使用，刀架旋转的原理中，我们发现旋转刀架在不断旋转换刀过程中，会加快刀架内部轴承、定位装置、锁紧装置等零部件的磨损。另外，切削加工过程中切削液、切屑等杂物较多，在刀架旋转时，一旦发生杂物进入、刀架不正位等现象，便会造成定位不准等故障，轻者设备报警停止工作，重者使加工出来的接箍紧密距、锥度等单项参数超出公差范围，使产品的质量下降，不合格率上升。同时定位不准导致刀具的中心高不正确，加剧刀具刀片的磨耗，以及螺纹在加工过程中出现不同程度的振纹，最终致使加工工件报废。

3.设备使用率低

旋转式刀架采用机械传动加电气控制相结合，结构较复杂，电气线路繁多，定位精密度要求高，一旦出现故障，很难及时排查出原因。且配件不易购买，需向车床厂家定购。因此排查故障、采购配件、解决故障等诸多环节增加，导致车床设备平均无故障工作时间变短，平均有效度减小。

其次，以上述为例，三把刀具安装、调试，且后期任一把刀具出现问题后的更换刀具、重新对刀的工作，都降低了设备的使用效率。

通过上面的现状分析，数控设备潜能得不到充分发挥，不仅生产效率低，产品不合格率上升、而且设备使用率降低。现针对上述问题，对数控车床刀架进行改造，采用直排式平移刀架，并直排式平移刀架上安装专用复合刀具，来提高接箍加工的生产效率和合格率。

二、接箍加工的优化方案

1.刀架优化

对接箍数控车床刀架进行改造，移除旋转刀架及控制刀架旋转的电气装置，把刀座直接固定在可平移的滑板上，形成直上直下的直排式刀架，使加工过程中，不再旋转换刀具。如图1所示。

内孔车刀

端面车刀

内螺纹车刀

图1 直排式刀架 图2：复合刀具

2.刀具优化

由于采用了直排式刀架，刀具的安装工位就只有1个，同样以5¹/₂＂套管接箍的加工为例，刀具由原来的3把变为1把复合刀具。在车削过程中，刀具换刀只进行X轴和Z轴的平移。同时，在刀具优化过程中，考虑到了加工工艺、进给、主轴的转向、刀片间的干涉等因素，将三种加工刀片集成到了一把刀具上，形成复合刀具。如图2所示。

3.工艺优化

接箍加工步骤如下：车端面和外倒角---车内孔和内倒角---车内

螺纹---车毛刺。

首先，由图2所示的端面车刀来完成接箍加工过程中的车端面及

车接箍外倒角的工序。根据端面刀在此复合刀具上的布局位置，在保持整个加工过程都是主轴反转的情况下，端面刀只能在X轴的正方向上进行车削加工。

其次，加工接箍内孔和内倒角的工序由图2所示的内孔车刀来完

成。根据内孔刀在此复合刀具上的布局位置，在保持整个加工过程都是主轴反转的情况下，内孔刀只能在X轴的负方向上进行车削加工。

再次，加工接箍内螺纹的工序由图2所示的内螺纹车刀来完成。根据内螺纹车刀在此复合刀具上的布局位置，在保持整个加工过程都是主轴反转的情况下，内螺纹刀只能在X轴的正方向上进行车削加工。

最后，去除内螺纹起始位置的毛刺工序由图2所示的内孔车刀来完成。与加工内孔一样，内孔刀只能在X轴的负方向上进行车削。

三、优化后的实施情况

1.节省加工时间，提高加工效率

1）.加工前，只需要安装一把复合刀具，节约了安装时间。

2）.加工换刀时，刀架不再进行拔出—转位—定位—锁紧四个步骤，就能进行下一道加工工序，使换刀的等待时间明显缩短。

3）.复合刀具因要集成三个刀片，在设计上，刀柄相应较粗，这样可适当增加背吃刀量、进给速度、主轴转速等参数，从而提高了加工效率。

4）.加工工艺的优化，复合刀具的一次走位就能完成平端面、倒角、镗孔等多项任务，程序运行时间缩短。

通过实操测试，5¹/₂〞的套管接箍加工前后对比如表1所示，单班生产效率提高了66.7%。

51/2〞	刀架改造、复合刀具应用前		刀架改造、复合刀具应用后
	单班产量（只）	单只时间（min）	单班产量（只）	单只时间（min）
	60	8	100	5

表1 单班生产对比

2.产品合格率上升

1）.直排式平移刀架结构简单，无电气线路，刀具安装到刀座上后，刀座与数控设备导轨直接固定，其整体性和刚性明显增加，刀架刀具出现故障几率较低，且故障出现也一目了然，维修简单，受损部件更换容易。设备故障率的大幅度降低，使得产品合格率得到相应提高。

2）.复合刀具的使用，也使刀杆、刀片的更换频率减少，刀片磨损降低，刀具寿命增加，刀具间的位置相对固定，也对产品合格率有一定的影响。

通过实操测试，5¹/₂〞的套管接箍加工前后对比如表2所示，一个月的产品合格率提高了2.73%。

51/2"接箍一个月工作量	刀架改造、复合刀具应用前			刀架改造、复合刀具应用后
	加工量 （单位：只）	不合格数（单位：只）	合格率	加工量 （单位：只）	不合格数（单位：只）	合格率
	3658	165	95.46%	5872	106	98.19%

表2 合格率对比

3.经济效益得到提高

通过实际操作后发现，刀架改造及复合刀具的应用，不仅提高了生产效率和产品质量，而且降低了电能、设备维护、刀片消耗等方面的成本，使整台数控设备得到了有效发挥，加工能力得到了大幅度提升，取得了较好的经济效益。

通过以上论述及实践可知，我厂的数控设备刀架改造及复合刀具的应用，不仅提高了设备的生产性能，而且生产效率也随之大幅度提高，生产成本相应下降，经济效益明显。

参考文献：

[1] 郭伟. 石油油套管外螺纹复合刀具的设计与应用.胜利油田井下作业分公司.成都工具研究所.2009.

[2] 郭伟.复合刀具在石油管螺纹加工中的应用.胜利油田井下作业分公司.2008.