石油钻铤螺纹修复理论研究
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摘要
石油钻铤用于石油油井钻探，处在钻柱的最下部，通过管锥螺纹与钻杆及钻头连接。由于工作环境恶劣，所以受磨损的频率较高，需要经常维护更新以保证钻井平台的正常工作。对于受损螺纹的修复，一般是在原有螺纹的基础上再加工，达到可以满足工作需要的螺纹精度。螺纹修复可以提高石油勘探、开采行业使用钻杆钻铤的设备重复利用率，延长钻铤的实际使用寿命，同时还能起到节约资源的效用。普通车床修复螺纹效率较低而且加工精度比较低，数控车床螺纹加工原理与钻铤螺纹修复原理有一定的区别，影响生产加工效率以及螺纹精度。
课题以机床机构运动原理与螺纹修复的理论作为重点研究内容。分析普通车床的机械结构以及使用普通车床加工螺纹的进给运动规律，并运用空间几何的方法将这种运动以运动函数关系式的方式描述出来。深层次地分析了两种不同螺纹加工方法的车削进给原理，以及如何保证螺纹加工的运动关系从而加工出牙型正确的螺纹。运用空间几何的方法描述数控车床螺纹加工以及螺纹修复运动函数。深层次地分析了机床数控系统以及如何保证螺纹加工运动关系从而加工出牙型正确的螺纹。通过对钻铤螺纹修复思想的理解以及车床车削螺纹机械结构和进给运动原理的分析，提出了数控车床螺纹修复系统的“零位信号补偿法”。并依据数控车床加工螺纹的运动原理及原螺纹加工轨迹寻址规律，对零位信号补偿法进行原理论证。
利用FANUC数控编程系统，编写了数控修复钻铤锥螺纹零位补偿宏程序，用于实现原螺纹的修复以及原螺纹加工轨迹的准确寻址。介绍CAM软件Mastercam，并使用该软件从建模到编程以及刀具的仿真加工整个过程应用于钻铤管锥螺纹修复加工生产。一方面可以验证上述螺纹修复原理应用的可行性；另一方面将计算机辅助生产CAM系统引进管锥螺纹修复领域，有利于CAM推广，同时提高生产加工效率。
Petroleum drill collar is used for oil-well drilling, which is installed at thebottom of the drill stem to combine drill pipe with drill bit. In order to make sure thenormal work of drilling platform under the rough working condition, the drill collarmust be maintained frequently. We often repair the damaged screw along the originalthread track to meet the screw machining precision. It is not only to improve thedrilling collar repeatedly utilization rate and prolong the drilling collar service life,but also play important part on economizing recourse. Now more and more factoriesuse the CNC lathe to repair screw instead of center lathe, for the higher efficiency andbetter machining precision. Cause the different principles between manufacturingscrews and repairing screws on the CNC lathe, it is difficult to set tool accurately.Therefore, we also cannot get higher machining efficiency through CNC lathe.
Take the lathe machine motion principle and thread repairing as the researchobject. Analyze the basic structure of center lathe and the lathe feed motion tomanufacture the screw, through space analytic geometry theory to make the processunderstood. Learn the lathe feed motion principle of the two different thread methodsand how the lathe produce thread under the thread feed motion law. Analyze the basicstructure of CNC lathe and the lathe servo system feed motion to manufacture thescrew, through space analytic geometry t theory to make the process understood.Learn the CNC servo system feed motion principle and how the CNC lathe producethread under the thread feed motion law. Based on the understanding of threadrepairing principle and the lathe feeding principle of manufacturing screw, we bringup the “Null Signal Retrieval Method”. According to CNC lathe feeding principle inmanufacturing screw and original thread seeking site principle, testify the “NullSignal Retrieval Method”.
Write the Null Signal retrieval Macro Program, which is used to seek the originalscrew track, of repairing thread in the FANUC CNC system. In the text we introduceinto a CAM soft named Mastercam, and we use it to create3D model and simulate thecutter track of screw repairing. And this process can testify feasibility of threadrepairing principle, spread the CAM soft usage in thread repairing field and improvethe produce efficiency.
课题以机床机构运动原理与螺纹修复的理论作为重点研究内容。分析普通车床的机械结构以及使用普通车床加工螺纹的进给运动规律，并运用空间几何的方法将这种运动以运动函数关系式的方式描述出来。深层次地分析了两种不同螺纹加工方法的车削进给原理，以及如何保证螺纹加工的运动关系从而加工出牙型正确的螺纹。运用空间几何的方法描述数控车床螺纹加工以及螺纹修复运动函数。深层次地分析了机床数控系统以及如何保证螺纹加工运动关系从而加工出牙型正确的螺纹。通过对钻铤螺纹修复思想的理解以及车床车削螺纹机械结构和进给运动原理的分析，提出了数控车床螺纹修复系统的“零位信号补偿法”。并依据数控车床加工螺纹的运动原理及原螺纹加工轨迹寻址规律，对零位信号补偿法进行原理论证。
利用FANUC数控编程系统，编写了数控修复钻铤锥螺纹零位补偿宏程序，用于实现原螺纹的修复以及原螺纹加工轨迹的准确寻址。介绍CAM软件Mastercam，并使用该软件从建模到编程以及刀具的仿真加工整个过程应用于钻铤管锥螺纹修复加工生产。一方面可以验证上述螺纹修复原理应用的可行性；另一方面将计算机辅助生产CAM系统引进管锥螺纹修复领域，有利于CAM推广，同时提高生产加工效率。
Petroleum drill collar is used for oil-well drilling, which is installed at thebottom of the drill stem to combine drill pipe with drill bit. In order to make sure thenormal work of drilling platform under the rough working condition, the drill collarmust be maintained frequently. We often repair the damaged screw along the originalthread track to meet the screw machining precision. It is not only to improve thedrilling collar repeatedly utilization rate and prolong the drilling collar service life,but also play important part on economizing recourse. Now more and more factoriesuse the CNC lathe to repair screw instead of center lathe, for the higher efficiency andbetter machining precision. Cause the different principles between manufacturingscrews and repairing screws on the CNC lathe, it is difficult to set tool accurately.Therefore, we also cannot get higher machining efficiency through CNC lathe.
Take the lathe machine motion principle and thread repairing as the researchobject. Analyze the basic structure of center lathe and the lathe feed motion tomanufacture the screw, through space analytic geometry theory to make the processunderstood. Learn the lathe feed motion principle of the two different thread methodsand how the lathe produce thread under the thread feed motion law. Analyze the basicstructure of CNC lathe and the lathe servo system feed motion to manufacture thescrew, through space analytic geometry t theory to make the process understood.Learn the CNC servo system feed motion principle and how the CNC lathe producethread under the thread feed motion law. Based on the understanding of threadrepairing principle and the lathe feeding principle of manufacturing screw, we bringup the “Null Signal Retrieval Method”. According to CNC lathe feeding principle inmanufacturing screw and original thread seeking site principle, testify the “NullSignal Retrieval Method”.
Write the Null Signal retrieval Macro Program, which is used to seek the originalscrew track, of repairing thread in the FANUC CNC system. In the text we introduceinto a CAM soft named Mastercam, and we use it to create3D model and simulate thecutter track of screw repairing. And this process can testify feasibility of threadrepairing principle, spread the CAM soft usage in thread repairing field and improvethe produce efficiency.
引文
[1]张耀辉等.石油钻杆接头螺纹的数控修复加工方法.中国机械工程，1999，10（6）:633.
[2]蔡善乐，马志宏.数控车床手工螺纹对刀.机床与液压，2004，9:177.
[3]孟才生.数控车床上修复螺纹时的对刀问题.机电工程技术,2008,37(4).
[4]唐宗军,谷艳玲.数控车床上已有螺纹的继续切削[J].制造技术与机床,2003,(12):96.
[5]陈劲松.螺纹的重复切削[J].制造技术与机床,2000,(12):46.
[6]向建平.解决数控车床精车蜗杆对刀难的方法[J].机械工人(冷加工),2004,(7):24.
[7]李培梅，李雪岗等.管具螺纹的数控加工及修理技术应用.石油矿场机械,2007,36(6)：74-75
[8]马彬.FAGOR系统螺纹修复功能在管螺纹专机上的应用.制造技术与机床，2009，（8）：76-78.
[9]王可，唐宗军，赵文珍．管螺纹数控加工中的几个技术问题．石油机械，1998．11
[10]车削螺纹时常见故障及解决方法。http://www.3dportal.cn/discuz/archiver/tid-122477,html
[11]张居勤.油井管螺纹加工机床的技术引进及国产化.钢管,2008,37(3).
[12]毕承恩，丁乃建等.现代数控机床（上册）5北京：机械工业出版社，1993，100.
[13] Selecting a CNC System， Factor Impacting Machine ToolProductivity[Z]．GE Fanuc CNC Technical Brief．
[14]李宏胜.机床数控技术及应用(第一版)[M].北京:高等教育出版社,2001.
[15]技能士の友编集部.螺纹加工.北京：机械工业出版社，2011.1.
[16]白恩远.现代数控机床伺服及检测技术[M].国防工业出版社,2002.
[17]肖春燕.梯形螺纹在数控车床上的变速车削加工[J].机械工人(冷加工),2006,(4):76.
[18]何建民.车工操作技术与窍门.北京：机械工业出版社，2005.6.
[19] Manufacturing System Application Workbook．K&T USA，1996．
[20]王瑛.车工操作技术.安徽：安徽科技出版社，2008.5.
[21]王永章等.机床的数字控制技术.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1998，228.
[22]陈宏钧.车工实用技术.北京：机械工业出版社，2007.6.
[23]陈佳芳.车床配换齿轮计算.北京：机械工业出版社，1968.3.
[24]徐创文，穆玺清．数控车床螺纹加工方法．阀门，2002(3)：25～27.
[25]项占琴．螺纹加工的控制方法．机电工程，1996(4)：24～25.
[26] Meeting the need for speed．Tooling Production，1996(6)．
[27]肖春燕.梯形螺纹在数控车床上的变速车削加工[J].机械工人(冷加工),2006,(4):76.
[28]曹庆．数控车床螺纹加工对刀方法研究[D]．甘肃：兰州理工大学，2004，5.
[29]李杰，刘宏杰，唐宗军．基于管螺纹车床的数控化改造设计．机械，2003增刊.
[30] Kuo—Kai Shyu，Hsin—Jang Shieh，Sheng Fu．Model Reference AdaptiveSpeed Control for Induction Motor Drive Using Neural Networks， IEEETrans．Ind．Electron，1998，45.
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[36]李中华，王颖，宾艳峰．管螺纹车床的数控改造．仪器仪表用户．2006．13(2)
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[41] Millan K Yeung. Intelligent process-planning system or optimal CNCprogramming-step towards complete automation of CNC programming, IntegratedManufacturing Systems. Bradford:2003.Vol.14, Iss.7; pg.593-596.
[42]于文强，陈振辉. Mastercam X中文版基础教程与上机指导.北京：清华大学出版社，2007.6.
[43]麓山文化.中文版Mastercam X3从入门到精通.北京：机械工业出版社，2009.2.
[44]童桂英，郭忠. Mastercam X数控编程与工程范例.北京：清华大学出版社.2008.5.
[45]杜忠友，姜玉波，李红等．模拟车削成型的三维螺纹计算机建模方法．山东建筑工程学院学报，2004(2)：67-69.
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