程曉麗， 郭小艷,2， 郭冬,2， 賈濤， 石超， 田建禮

（1.寶雞石油機(jī)械有限責(zé)任公司，陜西 寶雞721002；2.國(guó)家油氣鉆井裝備工程技術(shù)研究中心，陜西 寶雞721002）

0 引 言

近年來(lái)，隨著自動(dòng)化鉆機(jī)的發(fā)展[1-2]，鐵鉆工在油田現(xiàn)場(chǎng)使用越來(lái)越廣泛，成為鉆桿、鉆鋌、甚至套管接頭上卸扣工作的現(xiàn)代化工具[3]，其上扣、卸扣、緊扣、沖扣等動(dòng)作的完成，都與鉗牙離不開關(guān)系[4-5]，可以說(shuō)鉗牙的性能好壞與鐵鉆工的性能息息相關(guān)。很多研究機(jī)構(gòu)都對(duì)鉗牙做了深入的研究，裴峻峰、魏磊、閆文輝等[6-8]研究了鉗牙參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化；郭李彤、黃賢振等[9-10]進(jìn)行了旋扣鉗及沖扣鉗的受力及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。如何正確地選擇鉗牙的材料，并找到合適的機(jī)械加工及熱處理方法，成為保證和提高鐵鉆工性能的瓶頸。筆者經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，提出了一套針對(duì)鐵鉆工鉗牙的制造工藝方案，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證，完全達(dá)到了技術(shù)要求。

1 鉗牙結(jié)構(gòu)及加工難點(diǎn)

1.1 鉗牙的材料選擇

鉗牙是鐵鉆工旋扣鉗鉗體與鉆具直接接觸的部件，工作時(shí)需要承受擠壓力和摩擦力，最大卸扣轉(zhuǎn)矩一般可達(dá)140～160 kN·m[3]，工況極為惡劣，此外還必須具有較長(zhǎng)的使用壽命，這就要求鉗牙材料要有較高的機(jī)械強(qiáng)度及表面硬度。材料選用低碳合金鋼20CrMnTi，其化學(xué)成分[11]如表1所示。20CrMnTi具有較好的綜合力學(xué)性能[11],并具有較高的低溫沖擊韌性，如表2所示。晶粒長(zhǎng)大傾向小，冷熱加工性能均較好，變形小，抗疲勞性能好。淬透性較高，在保證淬透情況下，表面滲碳硬化處理后，表面硬度可達(dá)

58～62 HRC，硬度高，耐磨損性能好，心部硬度30～35 HRC，具有良好的韌性。

表1 20CrMnTi化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

1.2 鉗牙的結(jié)構(gòu)

鉗牙整體為圓柱形結(jié)構(gòu)，在圓柱形結(jié)構(gòu)上，根據(jù)鉆具規(guī)格設(shè)有R88 mm的圓弧形缺口。為了增大鉗牙與鉆具之間的摩擦力，在圓弧形缺口軸向及徑向方向上均設(shè)計(jì)有2.5 mm深的溝槽，且為了防止鉗牙在熱處理及使用過(guò)程中出現(xiàn)裂紋，造成齒形崩裂，在槽底設(shè)有R1.2 mm的倒角，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3 加工難點(diǎn)

首先牙形圍繞R88 mm圓心均勻分布，牙外徑所在圓弧R88 mm的圓心與工件圓心不在同一點(diǎn)上，即工件圍繞自身圓心旋轉(zhuǎn)時(shí)無(wú)法加工出這種牙形；如何在加工中保證90°牙形角及R1.2 mm牙根圓角半徑。

2 加工工藝的制定

2.1 工藝路線的制定

針對(duì)上述加工難題，按照基準(zhǔn)先行、先粗后精的原則，圓柱鉗牙具體工藝流程如圖2所示。粗車工件外圓后，用鏜床加工鉗牙圓弧，再用銑床加工牙型及端部缺口，最后經(jīng)熱處理后磨外圓完成。

2.2 工件裝夾方式及刀具選擇

圖1 鉗牙結(jié)構(gòu)圖

圖2 加工圓柱鉗牙的具體工藝流程

鏜床加工R88 mm圓弧時(shí)，為了將圓柱鉗牙固定在臥式鏜床的工作臺(tái)上，便于裝夾找正，可采用將卡盤固定于立板上的裝夾方式，也可通過(guò)定制虎鉗鉗口，將圓柱鉗牙用虎鉗直接裝夾定位。經(jīng)實(shí)際對(duì)比，直接用虎鉗裝夾的方式占用鏜床工作臺(tái)空間少，裝夾速度快，優(yōu)勢(shì)較大。如圖3所示。

圖3 鉗牙在鏜床上的裝夾方式

銑床加工牙型槽時(shí)，采用一夾一頂?shù)难b夾方式，利用加工中心VB1000A的X、Y、Z和B軸的聯(lián)動(dòng)相互插補(bǔ)，達(dá)到既能旋轉(zhuǎn)又能直線運(yùn)動(dòng)的加工，如圖4所示。

采用普通立銑刀和端面銑刀要實(shí)現(xiàn)溝槽2個(gè)相鄰面的成型，需要分成2個(gè)工序，加工效率低，并且無(wú)法保證槽底R(shí)1.2 mm 圓弧角。采用裝有陶瓷刀片方肩銑刀，刀片圓弧R1.2 mm，溝槽2個(gè)相鄰面及槽底R(shí)1.2 mm圓弧一次成型，效率高，零件加工精度高，如圖5所示。

圖4 鉗牙在銑床上的裝夾方式

2.3 工件的加工工藝

1） 材 料。20CrMnTi材料，毛坯采用鍛件，毛坯尺寸為φ50 mm×155 mm，質(zhì)量為1.8 kg。

圖5 方肩銑刀

2）三爪裝夾找正，車平端面。加工中心孔B2。夾頂外伸大于143 mm，車外圓φ45.2+mm×143 mm。倒面，裝夾找正，車端面總長(zhǎng)142 mm，車端面M12螺紋，孔口倒角2×60°（磨床頂尖用）。

3）虎鉗裝夾找正，鏜俯視圖中的R88 mm圓弧，長(zhǎng)度127 mm（留15 mm夾位）。鏜左視圖中的90°×R1.2 mm槽。

4）分度頭裝夾找正，頂中心孔，銑牙形各部位。

5）裝夾找正，銑左視圖中的右端缺口，根部R5 mm圓角，銑左視圖中的左端圓弧槽R46 mm。

6）去各部毛刺，打磨鉗牙處R0.5 mm過(guò)渡圓角，棱角倒鈍。

7）碳氮共滲。滲層深0.8～1.2 mm,淬火回火后硬度為58～62 HRC。

3 鉗牙的熱處理

20CrMnTi是性能良好的滲碳鋼，淬透性較高。由于合金元素鈦的影響，對(duì)過(guò)熱不敏感，故在滲碳后可直接降溫淬火，且滲碳速度較快，過(guò)渡層較均勻，滲碳淬火后變形小。

3.1 20CrMnTi的熱處理流程（如圖6）

圖6 20CrMnTi的熱處理流程

3.2 20CrMnTi的熱處理工藝（如表3）

表3 20CrMnTi的熱處理工藝

4 工件的加工檢測(cè)

牙板形狀尺寸難以使用常規(guī)的檢測(cè)工具測(cè)量，利用線切割加工樣板毛坯，再經(jīng)鉗工修整，使用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行計(jì)量，制成高精度樣板。最終采用高精度樣板對(duì)鉗牙牙型進(jìn)行檢驗(yàn)，效率高、精度好（如圖7）。

圖7 牙型檢測(cè)樣板

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)圓柱形鉗牙的材料選擇、裝夾方式和工裝、機(jī)械加工工藝及熱處理工藝的分析，采用20CrMnTi低合金鋼成功完成圓柱形鉗牙產(chǎn)品的制造（如圖8）。產(chǎn)品組裝后參與了鐵鉆工旋扣試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到試驗(yàn)要求，鉗牙強(qiáng)度高，耐磨損，現(xiàn)場(chǎng)工作表現(xiàn)良好，驗(yàn)證了上述方案的合理性和先進(jìn)性。

圖8 鉗牙量產(chǎn)成品