接箍夹紧变形测量与内壁圆度误差控制

　　油管接箍是重要的石油管用钢材,主要作用是连接石油输送管,为保证石油在传输过程中不泄漏,对接箍内壁螺纹的圆度要求很高。随着油田钻井深度的增加和规模的扩大,对油套管数量的需求也日益增高,尤其是对高质量的特殊螺纹产品需求越来越高,而油套管市场竞争也越来越激烈。目前国内高质量的特殊螺纹油套管接箍的国产化率仅为20% ~30%,特殊螺纹的接箍大部分仍需进口,每年市场缺口在8~10万t。国产化率低的主要原因是国内接箍产品合格率较低,特别是接箍的圆度超差现象非常普遍。因此接箍加工过程的圆度误差控制有着十分重大的意义。

　　1.工件加工过程分析

　　接箍是典型的薄壁圆筒状工件,在三爪卡盘夹持接箍车内孔螺纹过程中,夹紧时接箍毛坯有不均匀的弹性变形,尽管切削时接箍内壁可以被车成正圆孔,但松开后工件弹性恢复,使已车好的圆孔变成了棱圆形,过程如图1所示。

　　假设夹紧时工件内壁变形导致工件产生的圆度误差为Δ,放松后弹性恢复导致内壁圆度误差为Δ'。在整个过程中,工件变形最大的轴向2个截面(图1中标识的面I和面II)的厚度差就应该是工件的圆度误差的大小。因为面I和面II为对称面,所以放松弹性恢复过程中这2个截面内工件的壁厚是不改变的。这样在加工中面I和面II内切除的工件内壁材料的厚度差将直接导致工件内壁放松后的圆度差,所以Δ≈Δ'。假设工件的公差要求为ξ,则只要满足Δ<ξ放松后工件圆度误差一定满足公差要求。因而测量接箍夹紧时变形量的大小具有十分重要的意义。在实际加工中,由于接箍的偏心以及机床主轴的跳动等误差的影响,接箍夹紧变形量不易直接测量。为此,笔者设计了3个传感器均布的测量方法,该方法利用3点误差分离法中的谐波抑制现象,可以很好分离出三爪卡盘夹持工件的变形大小。

　　2.分离原理

　　3点误差分离法的原理[1]如图2所示, A、B、C是3个特征一致的位移传感器,它们的中心线交于理论的回转中心O,工件的瞬时旋转中心为O’。3个传感器测量得到的信号分别为SA(θ)、SB(θ)、SC(θ)。O与Oc的位置误差记为M(θ),它在X、Y轴方向的误差分量分别为X(θ)、Y(θ)。R(θ)为工件内表面圆度误差,则有

　　由式(1)可以寻得系数a和b,消去主轴误差分量,得

　　式(2)经过离散的傅立叶变换后,得

　　式中的当ωn=0时,产生谐波抑制现象,该倍频的信号分量将会丢失。

　　沿表壁的圆度误差和跳动量具有独特的径向性和周期性[2],圆度误差的周期性可以通过傅立叶级数表示为