偏梯形石油管螺纹车刀切削加工试验研究及其应用

摘要

石油管偏梯形螺纹是美国石油协会API标准中规定的用于承受较大载荷的连接螺纹。随着石油开采工业的发展，石油管的服役工况越来越恶劣，对石油管的力学性能要求越来越高，这为石油管螺纹的加工带来极大的困难。在加工过程中刀具寿命低，刀具成本高，生产效率较低。 本文结合试验及有限元仿真方法对国内外多种偏梯形螺纹刀具加工高钢级高铬钢石油管偏梯形螺纹进行了全面研究。 探索了偏梯形螺纹车削加工机理。偏梯形螺纹车削属于重载切削，其加工难点在于牙型深，导程大，加工余量大，刀尖深入螺纹齿底，空间狭小，散热不良，因此加工过程中切削力和切削热都比较大。 研究了多种偏梯形螺纹车刀与高钢级高铬钢石油管的加工适配性。结果表明刀具的前角对切削力、切屑形成方式、工件已加工表面粗糙度、表面硬度和残余应力均有较大影响，应在刀具强度足够的情况下选用具有较大前角的刀具。加工过程中切屑不易控制，应选用能使切屑发生较大变形的断屑槽。切削热较大，刀具的TiN涂层出现烧伤和剥落现象。 通过对国内外偏梯形螺纹车刀基体材料和涂层材料的化学成分、金相组织和物相的对比，发现国产刀具存在晶粒度不均匀，出现η相缺陷相等问题。 运用有限元方法对偏梯形螺纹车削过程进行计算机仿真研究，结果表明TiN涂层可起到良好的隔热作用，保护了刀具基体材料，但是高达800℃的切削热超过涂层工作温度，应选用高温力学性能更好的涂层并采用冷却液。 本章最后根据生产线实际加工情况、试验获得数据和有限元仿真数据，从刀具几何角度、材料角度和工艺角度提出偏梯形螺纹车刀的改进方向。