黃鉆，鄧明，孔博，張振峰

1德州大陸架石油工程技術(shù)有限公司；2成都工具研究所有限公司

1 引言

石油作為重要的不可再生資源和戰(zhàn)略儲(chǔ)備物資，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要作用與功能，經(jīng)提煉生產(chǎn)的各類產(chǎn)品早已廣泛應(yīng)用到人們生活中。在我國(guó)，隨著大規(guī)模石油勘探開發(fā)的持續(xù)，油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)進(jìn)度緩慢，開采難度越來(lái)越大，導(dǎo)致我國(guó)油氣能源對(duì)外依存度不斷攀升。

伴隨廉價(jià)易采石油資源的枯竭，油氣增儲(chǔ)上產(chǎn)逐步邁向超深井和高溫高壓井，對(duì)開采所用工具的材質(zhì)要求越來(lái)越高。高溫高壓石油開采工具主要以鎳基高溫合金材料為主，該類材料具有較強(qiáng)的熱穩(wěn)定性和組織穩(wěn)定性，良好的延展性和韌性，因而能保持較好的機(jī)械強(qiáng)度，并成為超深井和高溫高壓井工具的常用材料之一。然而，鎳基高溫合金因硬度大、強(qiáng)度高、耐熱耐壓、導(dǎo)熱性差以及加工硬化傾向大，給攻螺紋加工帶來(lái)挑戰(zhàn)[1-3]。

螺紋連接作為零件之間的主要聯(lián)接方式之一，因制造簡(jiǎn)單、連接可靠和拆卸方便等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械行業(yè)中被廣泛應(yīng)用。螺紋加工可分為車削、磨銑、攻套和滾壓等多種加工形式，對(duì)于小尺寸內(nèi)外螺紋加工，攻套加工是較常見的加工方法，也是應(yīng)用較為廣泛一種螺紋加工方法[2]。

2 螺紋加工難點(diǎn)分析

鎳基高溫合金以鎳為基體，鎳含量約為65%，并含有鉻、鎢、鉬、鈷、鋁、鈦、硼和鋯等多種元素。其主要加工難點(diǎn)有：①鎳基高溫合金比奧氏體不銹鋼堅(jiān)硬，加工硬化十分明顯，在切削熱和應(yīng)力作用下，鎳基高溫合金的組織會(huì)發(fā)生金相轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致加工表面產(chǎn)生強(qiáng)化和硬化現(xiàn)象，加工切削區(qū)域的切應(yīng)力大幅增加，并使總加工切削力增加，加劇刀具磨損；②鎳基高溫合金導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較低，為12.3～171W/(m·K)，尤其是螺紋加工時(shí)產(chǎn)生的熱量70%～80%需要切屑帶走，由于該材料的導(dǎo)熱率低，切屑帶走的熱量相對(duì)較少，進(jìn)而使刀具壽命變短；③鎳基高溫合金的塑性高，加工時(shí)切屑不易卷曲或折斷，不利于排屑，易發(fā)生黏刀，影響已加工表面的質(zhì)量，從而造成已加工表面粗糙度低，且加快刀具磨損；④與常規(guī)工具相比，高溫高壓固井工具內(nèi)孔螺紋設(shè)計(jì)要求螺紋深、精度要求高(靠螺紋和錐面密封)等特點(diǎn)，因此，在鎳基高溫合金螺紋加工中，螺紋絲錐易發(fā)生斷裂、崩齒及磨損過快，導(dǎo)致中徑超差及表面粗糙度大等問題，很難保證產(chǎn)品質(zhì)量和加工效率[4，5]。

3 螺紋加工方法與技巧

螺紋加工方法一般有兩種：手攻螺紋和機(jī)攻螺紋。

3.1 手攻螺紋

在鎳基高溫合金螺紋加工中手攻螺紋占有絕對(duì)地位。實(shí)際生產(chǎn)中，因鎳基高溫合金的金屬特性以及某些不規(guī)則零件的螺紋孔位置受限，不能用機(jī)械加工完成。而且小孔徑螺紋加工時(shí)，因直徑小、絲錐強(qiáng)度低和排屑困難等原因，會(huì)造成機(jī)攻螺紋時(shí)絲錐容易折斷，因此，鎳基高溫合金小尺寸螺紋加工常采用手工進(jìn)行。手攻螺紋的質(zhì)量取決于操作者的技能水平，需要采用合適的切削參數(shù)、合理的裝夾工裝與夾具來(lái)提高螺紋加工質(zhì)量。

(1)工件裝夾

將工件需要攻螺紋的一面水平放置并夾持于平臺(tái)或臺(tái)鉗上，放置在鉆床的軌道面上，確保待加工工件裝夾裝正和牢固，方便觀察與測(cè)量。

(2)手攻螺紋絲錐定位與旋入

常規(guī)手工攻螺紋定位方法受人為因素影響較大，可以采用鉆床輔助定位。在確保鉆床主軸相對(duì)工件垂直時(shí)，用鉆夾頭夾緊絲錐，利用絲錐自定位導(dǎo)向功能，慢速旋轉(zhuǎn)(主軸轉(zhuǎn)速控制在40r/min)。當(dāng)絲錐切削工件的切削力大于鉆夾頭夾持絲錐的夾緊力時(shí)，絲錐會(huì)相對(duì)于工件處于靜止的非工作狀態(tài)，此時(shí)可反向退出絲錐，采用人工攻螺紋。

在進(jìn)行手動(dòng)螺紋加工前，可以采用直角尺測(cè)量絲錐是否與工件基準(zhǔn)面垂直(見圖1)。如果有偏差(見圖1b和圖1c)，必須退出絲錐，使用二錐校正后方可繼續(xù)攻螺紋。當(dāng)絲錐旋進(jìn)時(shí)，一般每次旋進(jìn)不大于1/2轉(zhuǎn)，再后退1/2～1轉(zhuǎn)，依次旋進(jìn)；加工盲孔時(shí)，為了保證螺紋質(zhì)量和提高絲錐使用壽命，可使用切削液和肥皂水(起冷卻潤(rùn)滑作用)，并每進(jìn)給2～3mm退出絲錐1次，使用高壓氣槍吹出碎屑，防止發(fā)生擠屑現(xiàn)象，從而影響產(chǎn)品質(zhì)量[6]。

圖1 采用直角尺測(cè)量絲錐垂直度

(3)手攻螺紋絲錐旋出

由于鎳基高溫合金易黏刀，完成螺紋加工退出絲錐時(shí)，必須保持絲錐垂直，慢速輕退?？捎檬持负椭兄笂A持絲錐保持垂直，輕輕向上稍微用力托起螺紋鉸杠，避免其旋轉(zhuǎn)和左右擺動(dòng)，避免劃傷螺紋和降低工件表面粗糙度。

(4)手攻螺紋的鉆削力控制

鎳基高溫合金手動(dòng)攻螺紋加工的用力要求較高。首先，要選用尺寸正確的螺紋鉸杠，均勻向下用力并轉(zhuǎn)動(dòng)螺紋鉸杠，同時(shí)保持身體平衡，避免出現(xiàn)螺紋垂直度偏差、螺紋牙型粗糙和絲錐崩齒現(xiàn)象。如果在整個(gè)攻螺紋過程出現(xiàn)力度越來(lái)越大的情況，應(yīng)立即退出絲錐，查找原因，并檢查絲錐切削刃，排除切屑的影響，或者使用二錐絲錐進(jìn)行攻削，再使用頭錐手攻螺紋，否則會(huì)造成絲錐折斷。

(5)套裝絲錐應(yīng)用

在加工精度要求較高的手攻螺紋加工中，使用套裝絲錐以減小手攻螺紋的阻力和絲錐折斷的風(fēng)險(xiǎn)。如果加工螺紋尺寸≥M24或螺距≥3mm時(shí)，建議選用套裝絲錐分批次完成切削加工，以降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度和提高加工精度。

3.2 機(jī)攻螺紋方法與技巧

由于手攻螺紋的質(zhì)量不穩(wěn)定且效率較低，在批量化生產(chǎn)時(shí)一般采取機(jī)攻螺紋，以提高生產(chǎn)效率和降低生產(chǎn)成本。但是，在實(shí)際生產(chǎn)操作過程中，必須正確使用生產(chǎn)設(shè)備和工裝夾具，合理選用機(jī)用絲錐，方可保證加工質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率。

(1)機(jī)攻螺紋設(shè)備要求

機(jī)攻螺紋優(yōu)先選用立式機(jī)床，也可根據(jù)工件實(shí)際加工位置選擇其它型號(hào)機(jī)床。機(jī)床精度對(duì)攻削螺紋有很大影響，需保證主軸徑向跳動(dòng)小于0.02mm，夾具與主軸的垂直度小于0.03mm/100mm，螺紋底孔與主軸的同軸度小于0.05mm，以確保加工出合格的螺紋。

(2)機(jī)攻螺紋絲錐選擇

加工鎳基高溫合金優(yōu)先選用鍍鈦涂層合金絲錐，該絲錐具有良好的涂層硬度和潤(rùn)滑性。根據(jù)加工孔的類型(通孔和盲孔)合理選擇不同形狀絲錐，進(jìn)行通孔螺紋加工時(shí)，優(yōu)先選用螺尖絲錐，因其在直槽一側(cè)的切削刃開有斜槽，方便切屑順著進(jìn)刀方向向下排出，不會(huì)出現(xiàn)擠屑現(xiàn)象，可以提高螺紋表面加工質(zhì)量，且絲錐不易折斷，延長(zhǎng)絲錐使用壽命；進(jìn)行盲孔螺紋加工時(shí)，優(yōu)選螺旋角較大的螺旋槽絲錐，其切削刃鋒利，合金切屑能沿螺旋槽順利排出，不會(huì)因碎屑留在孔底而影響加工深度，也能減輕因碎屑擠壓造成的扭矩增大，避免折斷絲錐[7]。

(3)機(jī)攻螺紋方式與技巧

為了保證鉆床主軸與工件的定位精度，特別設(shè)計(jì)制作了機(jī)攻螺紋專用工裝(見圖2)。工裝錐柄與鉆床主軸錐柄一致，使軸向/徑向的變性趨向于0，并用四個(gè)平頭螺栓緊固工裝與絲錐，以避免螺紋孔變大產(chǎn)生橢圓和螺紋不均等情況。

圖2 機(jī)攻螺紋專用工裝

在螺紋加工定位中，因采用絲錐的導(dǎo)錐自行找正，所以進(jìn)給應(yīng)緩慢，給力要輕；當(dāng)絲錐的主切削刃完全進(jìn)行切削時(shí)，可不再施加外力，通過主軸的旋轉(zhuǎn)和螺紋的自然旋入進(jìn)行自動(dòng)切削，防止進(jìn)給力過大造成擠壓，使螺紋變形和牙型變瘦；攻盲孔反轉(zhuǎn)退出時(shí)，絲錐的校準(zhǔn)部分不能全部露出，否則會(huì)造成螺紋亂扣現(xiàn)象。

鎳基高溫合金機(jī)攻螺紋加工的切削速度比一般合金鋼的取值低，以加工M8螺紋為例，切削速度v=1～1.5m/min，轉(zhuǎn)速為40～60r/min，切削速度和轉(zhuǎn)速過高會(huì)造成螺紋劃傷和絲錐折斷；如果過低，則失去采用機(jī)攻螺紋提高生產(chǎn)效率的意義。

(4)機(jī)攻螺紋冷卻

采用機(jī)攻螺紋加工鎳基高溫合金時(shí)，合理選擇冷卻液非常重要，可以減少摩擦、提高表面粗糙度值、增加潤(rùn)滑和減小絲錐咬死的可能性。經(jīng)過不斷試用與篩選，有兩種方案對(duì)鎳基高溫合金機(jī)攻螺紋加工的冷卻、潤(rùn)滑和清洗效果相對(duì)較好：①采用濃度較大的硫化油，添加15%～20%的四氯化碳；②采用美孚242冷卻液，按照20%～25%標(biāo)準(zhǔn)源加自來(lái)水。

4 螺紋加工常見問題與對(duì)策

相比常規(guī)合金鋼螺紋加工，鎳基高溫合金高溫高壓固井工具的螺紋加工更容易出現(xiàn)絲錐斷裂、崩齒、磨損過快、螺紋中徑超差以及表面粗糙度大等情況，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的經(jīng)驗(yàn)積累，文獻(xiàn)[8]對(duì)這些常見問題產(chǎn)生的原因及解決方法進(jìn)行了總結(jié)與分析，提出了相應(yīng)的對(duì)策，以減少生產(chǎn)事故、提高加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

4.1 螺紋絲錐斷裂、崩齒和磨損過快問題

(1)絲錐易折斷

原因：加工螺紋底孔時(shí)，因底孔直徑偏小，加工余量大，排屑不順暢易造成堵塞；加工盲孔螺紋時(shí)，鉆盲孔的深度沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求；螺紋切削速度高，轉(zhuǎn)速過快；使用的螺紋絲錐與螺紋底孔同軸度偏差過大；單個(gè)絲錐加工工件過多，切削刃過度磨損。

對(duì)策：按照加工要求嚴(yán)格執(zhí)行底孔直徑和盲孔深度加工，增加檢驗(yàn)測(cè)量工序，確保加工尺寸符合要求；合理選用切削速度，穩(wěn)步從低到高進(jìn)行提升；及時(shí)校正、檢測(cè)絲錐與底孔，保持絲錐與底孔的垂直度<0.02mm/100mm，并選用帶過載保護(hù)器的夾具夾持絲錐；頻繁觀察絲錐磨損狀況，并及時(shí)更換。

(2)絲錐崩齒

原因：絲錐的前角過大，雖然在一定程度上能降低切削阻力，但絲錐齒尖的強(qiáng)度和螺紋加工時(shí)的穩(wěn)定性也會(huì)隨前角的增大而降低；絲錐齒淬火硬度過高導(dǎo)致塑性變形下降，絲錐切削刃不鋒利，磨損嚴(yán)重。

對(duì)策：減小絲錐切削刃的前角，提高其強(qiáng)度；降低絲錐淬火硬度，縮短絲錐更換時(shí)間。

(3)絲錐磨損過快

原因：螺紋加工時(shí)，切削速度過高或轉(zhuǎn)速過快；切削液使用不及時(shí)或牌號(hào)選擇不恰當(dāng)；刃磨絲錐時(shí)操作不當(dāng)，造成絲錐燒傷產(chǎn)生退火或刃磨角度參數(shù)不合適。

對(duì)策：選用正確的切削參數(shù)進(jìn)行螺紋加工；使用合適的切削液并增加切削液沖洗壓力；刃磨絲錐時(shí)要控制好刃磨參數(shù)，采用間歇式刃磨方法，避免絲錐過熱。

4.2 螺紋中徑超差

螺紋中徑是控制螺紋連接質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)之一，也是控制螺紋互換性的主要因素之一，主要指螺紋母線通過螺紋齒上凸起和凹陷溝槽兩者寬度相等的假想螺紋實(shí)際直徑，因此，螺紋中徑公差要嚴(yán)格控制，不能過大或過小。

(1)螺紋中徑加工過大

原因：絲錐的精度等級(jí)選擇不符合要求；切削液使用效果不佳；螺紋加工的切削速度過高或轉(zhuǎn)速過快；絲錐主體與被加工工件的螺紋底孔同軸度超差；絲錐的刃磨參數(shù)不合適；絲錐切削刃不夠鋒利。

對(duì)策：選擇高等級(jí)精度的絲錐(可以提高一個(gè)等級(jí))；使用合適的切削液，并降低螺紋加工時(shí)的切削速度，增加切削液沖洗壓力；及時(shí)校正絲錐和被加工螺紋底孔的同軸度，確保加工過程不超差；機(jī)攻螺紋選用浮動(dòng)夾頭；及時(shí)更換絲錐，確保絲錐切削刃保持鋒利。

(2)螺紋中徑加工過小

原因：絲錐的精度等級(jí)選擇不符合要求；絲錐的刃磨參數(shù)不合適；絲錐切削刃不夠鋒利；切削液使用效果不佳。

對(duì)策：選擇高等級(jí)精度絲錐(可以提高一個(gè)等級(jí))；絲錐時(shí)刃磨要控制好刃磨參數(shù)，確保刃磨出的絲錐切削刃鋒利；及時(shí)更換絲錐，確保絲錐切削刃保持鋒利；使用潤(rùn)滑性好的切削液，并增加切削液的流動(dòng)性。

4.3 螺紋表面粗糙度過大

原因：絲錐刃磨參數(shù)不當(dāng)，導(dǎo)致切削刃不鋒利；切削液使用不當(dāng)，潤(rùn)滑不及時(shí)；切削速度過快，轉(zhuǎn)速過高；絲錐超限使用，磨損嚴(yán)重；絲錐沒能與螺紋底孔保持同軸度。

對(duì)策：加大絲錐前角，降低切削阻力；選擇潤(rùn)滑性好的切削液并及時(shí)補(bǔ)充；對(duì)比和優(yōu)化切削參數(shù)；實(shí)時(shí)檢查攻螺紋的阻力，及時(shí)更換絲錐；實(shí)時(shí)檢查絲錐與螺紋底孔的同軸度，確保同軸度<0.05mm[13]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中高溫高壓固井工具螺紋加工的探索，詳細(xì)介紹了高溫高壓固井工具螺紋加工的技巧及常見問題對(duì)策，使高溫高壓固井工具螺紋的加工具有一定借鑒意義。隨著高溫高壓固井工具的廣泛應(yīng)用，其加工方法仍需進(jìn)一步探索，并通過不斷技術(shù)攻關(guān)，使高溫高壓固井工具的加工質(zhì)量和加工效率越來(lái)越高。