基于钻杆螺纹加工的数控车床改造研究

摘 要： 在CAK6150普通数控车床的基础上进行相应的技术改造本，即CAK6150P数控车床。并由此对其加工绳索取心钻杆接头螺纹时遇到瓶颈和困难进行阐述，同时对技术改造的相应参数与改造前进行相应对比分析，并对其可行性进行分析，提出技术改造的具体方案，以及机械和电气参数、接口问题等进行阐释，试验证明其可靠性强，经济效益显著。

关键词： 钻杆螺纹加工；数控车床；改造

目前，随着地质勘探的进步以及勘探需要，勘探设备的生产量和需求量正呈不断上升的趋势，各地矿局为适应发展需求，满足勘探工作需要，均不同程度地开展了相应设备产品的研发工作，尤其是钻管螺纹的加工和研发体现出来集研发、生产和销售于一体的综合价值。鉴于此加工技术必须依托数控车床的客观性，有必要多数控车床的优化改造进行探讨。

1 钻杆螺纹加工问题及原因

1.1 问题

绳索取心钻杆经过野外钻探施工，钻探深度达到2010.26米，因此市场上供不应求。针对钻杆螺纹加工，目前有专门的数控管螺纹车床，但是此车床加工接头螺纹成本较高，不实惠，很难普及，就很多单位而言，其高昂的价格都是一个较大障碍。如此，如何使用当前常用的普通数控车床加工具有高强度、高质量的绳索取心钻杆接头螺纹便成为研究的重点。然而，据统计，普通数控车床无法保证螺纹质量标准，比如：① 由于钻杆接头大都数合金材料，质地较硬，因此调质后若想再进行加工十分困难；② 因为螺纹的螺距较大，而且光洁度相对较低，且又明显的振纹，所以用成型刀加工要达到良好效果非常困难；③ 因为加工的精确度不够，所以螺纹的密封性能会很差，且直接影响螺纹的密封试验效果；④ 在螺纹加工收尾阶段，螺距由原来的较大变小，这就为实际应用造成了误差，影响实际应用效果。

1.2 原因

导致上述问题的原因主要是材料和数控车床设置两方面导致的。

1）材料材质问题

如上文所述：① 钻杆接头的合金材料材质较硬，所以为加工平添了困难系数；② 螺纹螺距达到8毫米，用成型刀加工的切削力较大，无法保证螺纹的光洁和精度；③ CAK6150P普通数控车床刀架使用AK3080×6六工位卧式数控刀架，强度不足；④ 收尾阶段螺距变小，这与数控系统和伺服机构动态性有关，因此应使用CAK6163数控车床代替。

2）数控车床设置问题

CAK6150P数控车床相应设置如下：① 操作系统采用大森一Ⅲ数控系统；② X轴伺服电机为：SGMG-05A2AB 0.45kw 4P 1500r/min；③ Z轴伺服电机为：SGMG-09/13 A2AB 0.85/1.3kW 4P 1500r/min；④ 刀架采用山东烟台生产的AK3080×6六工位卧式数控刀架，转速为lO00r/min；⑤ 主轴电机为YD132M-4/2P8/6.8kw双速电机。

2 数控车床的改造方案选择与应用

鉴于以上问题，必须对其进行及时改造，进而弥补其技术上和经济上的需求，为此首先需确定数控车床的改造方案，并明确各改造部分的注意事项。试验对象为CAK6152型数控车床加工接头螺纹，其技术改造方案CAK6152P的各部件改造，相关电气措施，以及改造价值分析如下。

2.1 CAK6152P改造部分的确定及注意事项

1）通过使用CAK6152数控车床加工螺纹，则螺纹的振纹可有效消除，且其光洁度明显提升，可见CAK6152P的床身不但满足了其对强度的要求，而且节约了大型车床的支持成本。

2）在此基础上使用AK3080×6卧式数控刀架，则发现其强度不够，为此，将其换成LDB4-120，6163立式数控刀架，发现振纹消失，强度亦满足要求，值得一提的是，应注意更换LDB4-120，6163立式数控刀架后，其与原本的AK3080×6卧式数控刀架接口要有效连接，其主要表现为多余的刀位线如何安排，少一根刀架工位锁紧到位的信号线怎样处置，以及机器对高低电平的读取3方面问题。具体措施如下。① 保持与刀架相关的参数不变，即保持梯形图的六工位；② 因为系统只识别1-4位，所以对于多余的两根刀架工位信号线令其始终为高电平，又因低电平才有效，所以保持两者一直处于无效状态；③ 大森一Ⅲ系统规定到位信号为高电平有效，因此应始终保持其为高电平，即其一直处于有效的状态，并对LDB4-120，6163立式数控刀架锁紧，所以无需对信号进行再次确认；④ 根据CAK6150P电气原理图刀架T代码可看出锁紧信号高电平可直接连接电源正极，可在电源正极和信号线间并联一个电阻R，结果显示电源在24V时R在151O～22OO 之间，当电源为12V时，电阻R在620～15OO 之间，0.5W。霍尔元件和机床PLC间连线低电平有效时接线，即工位信号线如下图所示。

3）CAK615OP数控车床的主轴中心高，所以只要LDB4-120，6163刀架高度适当，无需使用垫板。另外，改造的CAK6152P滑台高度经测量为230毫米，因此底面只能选用200×200的6163车床数控刀架，而不能用240×240的6163A数控刀架。

4）未改进的CAK6152数控车床使用FANUC-0i-mate系统，CAK6152P改造方案对此不需要更换，因为系统中出现的螺纹收尾问题与数控系统无关，对于该问题可通过调研、咨询的方式选用特殊的螺纹指令予以解决。另外，在应用过程中，刀架安装时只要根据尺寸打孔，再用螺栓进行固定即可，当然为了维护装置的稳定性，还须对对螺栓使用黏胶。

2.2 相应的电气调整措施

1）根据大森一Ⅲ的手册内容，将和刀架工位相关的参数7100.0和7100.1进行四六工位转换；同时通过CAK6150P数控车床电气原理图，将梯形图中刀架1002.1-1002.7的7个代码同样进行四六工位转换。2）由烟台环球公司生产的AK3080×6卧式数控刀架电气配置如下：① 采用24V直流电为刀架电源；② 令工位霍尔元件的有效输出为低电平；③ 刀架包含刀位线，正位线，电机线和电源线，共计13根。改造后CAK6150P数控车床的LDB-120，6163立式数控刀架电源使用24V直流电（可兼容）；② 刀架刀位线、电机线和电源线共计10根（不可兼容）。与改造前相比减少了3根线。

2.3 改造的经济优势分析

2.3.1 经济优势。通过本次对CAK6152数控车床的改造，不但免去了购买设备所需的大量资金，而且极大提高了技术实践的探索和研发能力，试验证明其结果是可靠的，有效的，加工的钻杆螺纹不但振纹消失，而且精度完全能达到标准水平，生产效率明显提高。而且此种对普通数控车床的技术改造具有较好的高强度绳索取心钻杆生产能力，不但显著提高了生产能力，而且具有较大的经济价值。

2.3.2 注意事项：如上文所述，在对CAK6152数控车床改造后，即CAK6152P数控车床改造方案中，改动量相对较小，对于相较复杂的FANUC-0i-mate系统无需更改，不但有效解决了生产钻杆螺纹的加工量问题，而且在质量上亦通过了检测设备的验收，可谓是一举多得的、最经济有效的改造方案。当然，在具体的改造过程中，还需要注意以下问题：① 接线时，首先应测量有效信号和无效信号的电平值，以为后续的接线方式提高良好的参照；② 应注意短路故障，即工位信号的高电平切不可直接连接电源正极；③ 保持霍尔元件输出接线方式与PLC输入接线方式相同；④ 在刀架安装时，一定注意刀架和机床数字一一对应，即1对应I，3对应III，5对应V，以防止发生加工误差。

3 总结

本文通过对普通CAK6152数控车床的相关技术研究，以及生产钻杆螺纹加工遇到的瓶颈和困难，对其部分参数和部件进行了改造，并对具体改造技术和注意事项进行了分析。通过试验，以及车间实践证明，该方案可有效提高钻杆螺纹加工效率。由此可见，其在CAK6152数控车床的基础上建立的CAK6152P数控车床优化方案不仅突破了CAK6152数控车床对钻杆螺纹加工的技术瓶颈，而且大大降低了生产成本，为改变市场上对高强度绳索取心钻杆供不应求的局面奠定了坚实基础，亦为数控车床的再度优化，创造更高的经济价值提供了有力参考。

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