一种铁钻工圆柱钳牙制造工艺与分析

程晓丽， 郭小艳,2， 郭冬,2， 贾涛， 石超， 田建礼

（1.宝鸡石油机械有限责任公司，陕西 宝鸡721002；2.国家油气钻井装备工程技术研究中心，陕西 宝鸡721002）

0 引 言

近年来，随着自动化钻机的发展[1-2]，铁钻工在油田现场使用越来越广泛，成为钻杆、钻铤、甚至套管接头上卸扣工作的现代化工具[3]，其上扣、卸扣、紧扣、冲扣等动作的完成，都与钳牙离不开关系[4-5]，可以说钳牙的性能好坏与铁钻工的性能息息相关。很多研究机构都对钳牙做了深入的研究，裴峻峰、魏磊、闫文辉等[6-8]研究了钳牙参数设计及优化；郭李彤、黄贤振等[9-10]进行了旋扣钳及冲扣钳的受力及运动学分析。如何正确地选择钳牙的材料，并找到合适的机械加工及热处理方法，成为保证和提高铁钻工性能的瓶颈。笔者经过多次试验，提出了一套针对铁钻工钳牙的制造工艺方案，经过试验及现场应用验证，完全达到了技术要求。

1 钳牙结构及加工难点

1.1 钳牙的材料选择

钳牙是铁钻工旋扣钳钳体与钻具直接接触的部件，工作时需要承受挤压力和摩擦力，最大卸扣转矩一般可达140～160 kN·m[3]，工况极为恶劣，此外还必须具有较长的使用寿命，这就要求钳牙材料要有较高的机械强度及表面硬度。材料选用低碳合金钢20CrMnTi，其化学成分[11]如表1所示。20CrMnTi具有较好的综合力学性能[11],并具有较高的低温冲击韧性，如表2所示。晶粒长大倾向小，冷热加工性能均较好，变形小，抗疲劳性能好。淬透性较高，在保证淬透情况下，表面渗碳硬化处理后，表面硬度可达

58～62 HRC，硬度高，耐磨损性能好，心部硬度30～35 HRC，具有良好的韧性。

表1 20CrMnTi化学成分质量分数 %

1.2 钳牙的结构

钳牙整体为圆柱形结构，在圆柱形结构上，根据钻具规格设有R88 mm的圆弧形缺口。为了增大钳牙与钻具之间的摩擦力，在圆弧形缺口轴向及径向方向上均设计有2.5 mm深的沟槽，且为了防止钳牙在热处理及使用过程中出现裂纹，造成齿形崩裂，在槽底设有R1.2 mm的倒角，具体结构如图1所示。

1.3 加工难点

首先牙形围绕R88 mm圆心均匀分布，牙外径所在圆弧R88 mm的圆心与工件圆心不在同一点上，即工件围绕自身圆心旋转时无法加工出这种牙形；如何在加工中保证90°牙形角及R1.2 mm牙根圆角半径。

2 加工工艺的制定

2.1 工艺路线的制定

针对上述加工难题，按照基准先行、先粗后精的原则，圆柱钳牙具体工艺流程如图2所示。粗车工件外圆后，用镗床加工钳牙圆弧，再用铣床加工牙型及端部缺口，最后经热处理后磨外圆完成。

2.2 工件装夹方式及刀具选择

图1 钳牙结构图

图2 加工圆柱钳牙的具体工艺流程

镗床加工R88 mm圆弧时，为了将圆柱钳牙固定在卧式镗床的工作台上，便于装夹找正，可采用将卡盘固定于立板上的装夹方式，也可通过定制虎钳钳口，将圆柱钳牙用虎钳直接装夹定位。经实际对比，直接用虎钳装夹的方式占用镗床工作台空间少，装夹速度快，优势较大。如图3所示。

图3 钳牙在镗床上的装夹方式

铣床加工牙型槽时，采用一夹一顶的装夹方式，利用加工中心VB1000A的X、Y、Z和B轴的联动相互插补，达到既能旋转又能直线运动的加工，如图4所示。

采用普通立铣刀和端面铣刀要实现沟槽2个相邻面的成型，需要分成2个工序，加工效率低，并且无法保证槽底R1.2 mm 圆弧角。采用装有陶瓷刀片方肩铣刀，刀片圆弧R1.2 mm，沟槽2个相邻面及槽底R1.2 mm圆弧一次成型，效率高，零件加工精度高，如图5所示。

图4 钳牙在铣床上的装夹方式

2.3 工件的加工工艺

1） 材 料。20CrMnTi材料，毛坯采用锻件，毛坯尺寸为φ50 mm×155 mm，质量为1.8 kg。

图5 方肩铣刀

2）三爪装夹找正，车平端面。加工中心孔B2。夹顶外伸大于143 mm，车外圆φ45.2+mm×143 mm。倒面，装夹找正，车端面总长142 mm，车端面M12螺纹，孔口倒角2×60°（磨床顶尖用）。

3）虎钳装夹找正，镗俯视图中的R88 mm圆弧，长度127 mm（留15 mm夹位）。镗左视图中的90°×R1.2 mm槽。

4）分度头装夹找正，顶中心孔，铣牙形各部位。

5）装夹找正，铣左视图中的右端缺口，根部R5 mm圆角，铣左视图中的左端圆弧槽R46 mm。

6）去各部毛刺，打磨钳牙处R0.5 mm过渡圆角，棱角倒钝。

7）碳氮共渗。渗层深0.8～1.2 mm,淬火回火后硬度为58～62 HRC。

3 钳牙的热处理

20CrMnTi是性能良好的渗碳钢，淬透性较高。由于合金元素钛的影响，对过热不敏感，故在渗碳后可直接降温淬火，且渗碳速度较快，过渡层较均匀，渗碳淬火后变形小。

3.1 20CrMnTi的热处理流程（如图6）

图6 20CrMnTi的热处理流程

3.2 20CrMnTi的热处理工艺（如表3）

表3 20CrMnTi的热处理工艺

4 工件的加工检测

牙板形状尺寸难以使用常规的检测工具测量，利用线切割加工样板毛坯，再经钳工修整，使用三坐标测量仪进行计量，制成高精度样板。最终采用高精度样板对钳牙牙型进行检验，效率高、精度好（如图7）。

图7 牙型检测样板

5 结 语

通过对圆柱形钳牙的材料选择、装夹方式和工装、机械加工工艺及热处理工艺的分析，采用20CrMnTi低合金钢成功完成圆柱形钳牙产品的制造（如图8）。产品组装后参与了铁钻工旋扣试验，各项指标均达到试验要求，钳牙强度高，耐磨损，现场工作表现良好，验证了上述方案的合理性和先进性。

图8 钳牙量产成品