美制矮牙埃克母螺纹加工及检测

李芳，曹伟，唐瑞，袁刚

0 引言

随着石油钻具产品国产化的推进，越来越多的特殊螺纹在设计和制造中出现，美制矮牙埃克姆（STUBACME）螺纹就是其中之一。这些螺纹相对于普通的公制螺纹，在螺纹的设计和检测上有很多特殊的要求，常见普通螺纹的加工和检验方法已不能完全适用。公司组织人员对美制矮牙埃克姆（STUBACME）螺纹的加工和检测技术进行攻关，对螺纹加工过程中的常见问题进行了分析并提出了改进措施，得出了完整的螺纹加工工艺和检测方法，实现了螺纹的批量加工。

1 主要技术指标和要求

1.1 美制矮牙埃克姆（STUBACME）螺纹简介

美制矮牙埃克姆（STUBACME）螺纹出现于二十世纪初期，通常用于产生移动或传动空间受限制的特殊场合，主要应用于机械制造、石油和冶金行业，在FED-STD-H28/13A《美国联邦标准螺纹手册H28A》和《ASME/ANSIB1.8-1988（R2001）》中对该螺纹进行了详细的讲解。

1.2 螺纹的技术要求

1.2.1 矮牙埃克姆（STUBACME）螺纹的基本牙型

矮牙埃克姆（STUBACME）螺纹的基本牙型如图1所示，标准系列的螺纹尺寸可从《ASME/ANSIB1.8-1988（R2001）》或《公制、美制和英制螺纹标准手册》查询到。现在使用一些软件，输入螺纹规格，可以快捷准确查询到所需数据。

1.2.2 牙型角

图1 基本牙型示意图

在轴平面内测量的牙型角应该为29°，此29°的角平分线应该垂直于螺纹轴线。

1.2.3 螺距

螺纹的螺距是相邻两牙对应点在平行于轴线方向上的测量距离。螺距的计算公式P=25.4/牙数，螺纹牙数应用最多的是3、4、5、6、8、10、12、14、16。

1.2.4 牙高

矮牙埃克母（STUBACME）螺纹的基本高度为0.3P。当设计需要使用比0.3P牙高更矮或更高的螺纹，应从《ASME/ANSIB1.8-1988（R2001）》附录A中获得有关数据。

1.2.5 公差带种类及其选择

矮牙埃克母（STUBACME）螺纹的默认公差带代号为2G，省略不标。如果采用特殊公差带，例如3G和4G，则需标注。螺纹特征代号与公差带间用“—”号分开。

1.2.6 旋向

左旋螺纹应在公差带代号之后标注“LH”，右旋螺纹不标注旋向代号。

2 螺纹加工

2.1 螺纹加工前的操作准备

（1）螺纹加工前应仔细消化图纸和作业指导书，理解螺纹规格和尺寸公差要求。

（2）根据螺纹规格准备量具，主要是游标卡尺、千分尺、深度尺、角度尺、塞（环）规、螺纹样板、量针、粗糙度样块、百分表、胶泥、投影仪等。

（3）根据螺纹规格准备刀具，主要是螺纹内、外刀片和内外刀杆，为减少刀垫角度调整误差，推荐采用同一厂家、同一型号的刀片和刀杆。

（4）检查机床运转是否正常，数控系统是否稳定。

（5）准备螺纹防护帽和吊装防护装置，防止撞伤工件表面。

（6）正确穿戴劳保用品。

2.2 螺纹的加工方法

2.2.1 工件的找正

根据工件的长度和直径大小来选用机床，长度超过1.5m，直径超出240mm的工件，建议选用数控管螺纹车床，低于以上尺寸的建议选用普通数控车床。无论采用哪种机床，工件必须牢固装夹在机床上，用百分表检测跳动值在图纸要求范围内。采用管螺纹车床时前后卡盘和工件外圆跳动都要用百分表检查，跳动一致并找正工件侧母线，以防螺纹两端中心线不同轴而报废。

2.2.2 刀具安装

螺纹刀片安装正确与否直接影响螺纹的牙形和螺纹量规测量结果，刀片安装前，要用螺纹样板比对。如果没有样板可查询刀片上的产品信息判断，标准螺纹的刀片有标识—T.P.I（每英寸的牙数），如16T.P.I就是每英寸16牙的刀片。现在Sandvik、Toolflo、Kenna等知名刀具制造商都是根据ANSI螺纹标准模块化制造，可以直接应用。

另外，刀片锁紧在刀柄后安装在刀座上，必须用百分表检测刀片是否与工件理论中心线垂直。百分表示值有变化，说明刀柄没有完全安装正确，应调整后再检查，直至合格。

2.2.3 加工工艺方法选择

工件结构和机床类型决定了切削螺纹的加工方法。朝卡盘方向进行加工是最常用的方法，也可以远离卡盘的方向进行切削。当用左手型刀具加工右手型螺纹或用右手型刀具加工左手型螺纹时，螺旋升角的影响会改变刀具的切削角度，所以必须更换刀垫，以对负螺纹角进行补偿。

角度刀垫用下式计算

式中λ——刃倾角

P——螺距

d2——螺纹有效直径

例如：P=1.5，d2=25，λ=arc tan（1.5/（25π）），λ=1.09°

图2为外螺纹的通用加工方法，图3为内螺纹的通用加工方法，图中粗箭头表示机床主轴旋转方向，细箭头表示刀具进给方向。

2.2.4 通用车螺纹程序

数控化生产的产品尺寸一致性和效率高于普通机床，长时间的螺纹车削，形成固化、简单、快捷的螺纹程序。

矮牙埃克姆（STUBACME）螺纹刀片是带修光刃的成形刀片，在车削前，必须粗车螺纹大、小径名义尺寸，单边留精车量0.2-0.3mm，以保证车螺纹时全牙型刀片能把螺纹牙型车完整。

车螺纹数控程序不需要再单独编制，只需要在通用格式中填入数据就能运行，下面是两种常见数控系统的程序格式。

图2 外螺纹通用加工方法

图3 内螺纹通用加工方法

FANUC系统格式：

T0___

G00 X__

Z0

G76 P010060 Q100 R 0.1

G76 X__Z__R__P__Q__F__

G00 Z___

M30;

注释：R__在车内螺纹时直接输入，车外螺纹时需要在输入值前加“—”号。

SIEMENS系统格式：

CYCLE 97（—，—，—，—，—，—，—，—，—，—，—，0.00000,1,1,1,1）

PIT__ SPL__

FPL__ DM1__

DM2__ APP___

ROP___ TDZP___

IANG___ NRC___

2.2.5 螺纹切削参数

螺纹切削参数是指线速度Vc，走刀量f，切削深度ap。

线速度Vc=πD·n/1000，其中D为工件直径，n为主轴转速。车螺纹时应高速切削，参照刀片包装盒上推荐参数，计算主轴转速。

走刀量f=25.4/牙数。

车螺纹时通过将整个螺纹切深分成数次小的切深，避免切削刃的齿廓角过载并同时保持其敏感度。走刀次数和进刀量对于螺纹切削具有决定性的影响，直接关系到螺纹的表面质量，按下列公式计算每次走刀量

式中 △ap——径向进给

x——实际走刀（从1到nap的系列值）

ap——螺纹总深度

nap——走刀次数

j——第一次走刀=0.3mm，第二次走刀=1mm，第三次走刀=x-1mm

2.2.6 车削后处理

螺纹精车完成后，去除不完整螺纹半扣或不完整螺纹尖边毛刺，并用120-240目砂纸砂光。

3 螺纹加工常见问题及改进措施

3.1 螺纹表面质量不良

螺纹表面质量不良的直观表现是：螺纹表面粗糙度低于图纸或规范要求，螺纹牙侧面表面粗糙度差。原因分析及改进措施见表1。

3.2 螺纹牙型不合格

牙型不合格归纳成下列几点：

表1 粗糙度不合格原因分析及改进措施

（1）牙型与标准牙型样板不一致，见图4，原因及改进措施见表2。

表2 牙型与标准牙型样板不一致的原因分析及改进措施

（2）牙顶（牙底）过切或未切削到，见图5。产生的原因是刀片有缺口或刀片在加工中产生破损。改进措施是更换螺纹刀片。

（3）螺纹最后一牙消失点位置不适当，量规不能达到要求的完整螺纹深度，见图6。产生的原因是刀具退出过快。改进措施是刀具走到指定的位置再退刀。

图4 牙型与标准牙型样板不一致

图5 牙顶（牙底）过切或未切削到

图6 螺纹最后一牙消失点位置不适当，量规不能达到要求的完整螺纹深度

3.3 导程（螺距）不正确

不正确的导程（螺距）导致螺纹不能旋合，或产生不平均的负荷分配，显著地影响连接寿命。承受了大部分扭矩负荷的单一螺纹会坏掉，增加的局部压力集中会导致过早的疲劳故障。导程（螺距）不合格归纳成下列两点：

（1）导程（螺距）不一致，见图7；

（2）螺纹第一牙或最后一牙太宽或挤压，见图8，产生原因是车床上丝杠间隙过大，可通过调整丝杠间隙并检查精度改进。

图7 导程（螺距）不一致

4 螺纹检测

矮牙埃克姆（STUBACME）螺纹的各项技术参数必须完全符合图纸和规范等技术文件中的要求才能判定螺纹合格。

4.1 外观表面质量检测要求和方法

图8 螺纹第一牙或最后一个太宽或挤压

标准中对螺纹表面质量的检测规定如下：

（1）目视检测螺纹所有表面不能有尖角或刀口状棱边；

（2）目视内、外螺纹全长范围内，螺纹表面应无裂纹、破损、刀痕、碰伤、台阶、振纹等破坏螺纹连续性的任何缺陷；

（3）粗糙度样块比对检测螺纹表面粗糙度，至少达到Ra3.2或更高。

4.2 螺纹牙形检测要求和方法

标准中对螺纹牙形的检测规定如下：

（1）标准样板卡在零件的螺纹上，完全重合或无间隙。

（2）通过胶泥、投影仪检测，模型比对符合规范和图纸要求。

4.3 量规综合测量

标准STUB ACME螺纹用符合标准的螺纹硬规检测时，通规应旋入螺纹要求长度，止规旋合不超出3扣视为合格。

4.4 量针法（三针或单针）测量外螺纹单一中径

量针法测量螺纹单一中径是一种精度较高的方法。根据被测外螺纹的具体情况，量针法分为三针法、两针法（双球）法和单针（单球）法三种，一般采用三针法。双针法仅适于扣数较少的螺纹，单针法适于直径大于50mm的大直径螺纹。

4.5 其他要求的检测

图9 量针法测量外螺纹中径方法

螺纹大小径尺寸、长度，形位公差等采用卡尺、内径表、百分表、千分尺等检测并加以控制。

5 结论

本文从加工前的准备，刀具的选择和安装，工艺参数，加工方法和数控程序等方面对螺纹的加工工艺进行了总结和优化；对加工过程中的常见问题进行了分析并提出了改进措施；对螺纹的检测方法也进行了详细的介绍。这些都为快速加工批量合格的STUBACME螺纹提供了有力的工艺技术支持和参考经验。