​數控（kòng）車床加工特（tè）殊螺紋接頭產生顫紋的原因（yīn）及對策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控製難、接頭應（yīng）力水平高等不足而專門設（shè）計的具有（yǒu）可靠（kào）連（lián）接強度和良好密封性能的專（zhuān）用油套管接頭，其結構設計特點決定了它良好的使用性能和（hé）加工精度。隨著我國（guó）石（shí）油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱采（cǎi）井以及高溫高壓（yā）氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來越高。目前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車床，就（jiù）是為（wéi）了更好地控製（zhì）特殊（shū）螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特（tè）殊螺紋接頭加工過程中常見的加（jiā）工缺陷（xiàn），直接（jiē）影響到特（tè）殊螺紋接頭的使用性能和（hé）產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工特（tè）點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產（chǎn）生的原因及對策（cè），為特殊螺紋接頭（tóu）的（de）生產質量控製提供了一定（dìng）參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀（dāo）具或車床本身剛（gāng）性不足

特殊螺紋接（jiē）頭加工過程中，顫紋（wén）常見於螺紋車削階段（duàn）。特殊螺紋加工的（de）螺紋成型（xíng）麵是經（jīng）過連續加工獲得的，理論上（shàng）會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進給量（liàng）的影響。但如果加工剛性較差的（de）薄壁管或者刀具（jù）、車床剛性不足，就會在加工（gōng）過程中發生振（zhèn）動，從而在螺紋加工表（biǎo）麵產生顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工（gōng）顫紋的產（chǎn）生，可以根據螺紋的設計長（zhǎng）度、車床（chuáng）的加工（gōng）特點和刀具裝夾方式，確定合理的管（guǎn）體（tǐ）懸出長（zhǎng）度(見圖1)，以避免管體懸出過長（zhǎng）、管（guǎn）頭擺動造成加工顫紋的產生（shēng）。此外，在進行外螺紋加工時（shí），可根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動支撐（chēng）輥(見圖2)，這樣可以更有效地降（jiàng）低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削（xuē），因（yīn）此（cǐ）刀具會（huì）承受非（fēi）常大的車削力。為有效（xiào）避免加工過程中產生顫紋，要求在設計時根據（jù）加工管體（tǐ）的材料和特殊螺紋接頭的結構（gòu）設計特（tè）點，製定合理的（de）刀具（jù）設計方（fāng）案（àn），特別是設計內螺紋（wén）刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長度的（de）關（guān）係。一（yī）般懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的（de）內螺紋時，盡量選擇（zé）專業刀具廠家（jiā）生產的專（zhuān）用防振刀杆。這些刀杆是為了解決（jué）加工（gōng）孔小行程長的（de）內（nèi）螺紋（wén）專（zhuān）門設計（jì）的，一般懸出長度控（kòng）製在刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇適（shì）當的刀具材料和熱處理工（gōng）藝也（yě）很重要，合（hé）理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的（de）剛（gāng）性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數（shù）控車床。剛性好的車床可以更有效（xiào）地控製特（tè）殊螺紋接頭加工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾（jiá）方式不合理

除了車床、刀（dāo）具以及管體本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是（shì）導致顫紋出現的主（zhǔ）要（yào）原因，例如夾持壓力不合理或夾（jiá）具卡爪尺寸不合適等都會造成顫（chàn）紋。如果夾持壓力過低，在螺紋（wén）加工（gōng）過程中，試樣會發生位置移動（dòng），導致顫紋（wén）產生；如果夾持壓力過高，接（jiē）頭毛坯（pī）在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡管（guǎn）切削時接頭內壁可（kě）以被車（chē）成正（zhèng）圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣（yàng）品橢圓度超差（chà）。特殊螺紋接頭的密封（fēng）性能主要靠（kào）金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地方產生間隙（xì）或更大的過盈量（liàng），使特殊（shū）螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺（chǐ）寸不合適，不能與加工試樣的（de）外表麵完美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾（jiá）持穩（wěn）定性降低到一定程度（dù）時，便會在加工過程出（chū）現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋（wén）的加工（gōng）是一個長期總結經（jīng）驗（yàn）的過程，其加工時的夾持壓力就是一個重要的數據經驗積累，主要根據加工樣品（pǐn）的尺（chǐ）寸、鋼級以及車（chē）床（chuáng）本身（shēn）的特點長期摸索總結（jié）而來。合理的夾持壓力可以消除樣品（pǐn）在加工過程中（zhōng）的移動，同（tóng）時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效消除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合（hé）需要加工樣品（pǐn）的尺寸、鋼級並結合（hé）車（chē）床的（de）特點專門設計。目前，常見的有平麵卡爪和（hé）圓弧（hú）包爪。平麵卡爪的夾持形式為點線接觸，這種夾持（chí）方式接觸麵積小，可以有效（xiào）增加卡爪和樣品表麵之間的夾持力，防（fáng）止（zhǐ）加工樣品的移動（dòng），但會導致樣品受力不均，使樣（yàng）品加工後的尺（chǐ）寸或橢（tuǒ）圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時（shí）接觸麵積大，受（shòu）力（lì）均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異動，產生顫紋（wén）。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇（zé）圓弧包爪，且包爪與（yǔ）樣品接（jiē）觸的工作麵應當設計成（chéng）平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓（yuán）弧包爪的圓弧直（zhí）徑應盡量與加工樣品外徑相匹配，最好在加（jiā）工前根據加工樣（yàng）品的外徑尺寸，進行圓（yuán）弧包爪的工作表麵的鏜（táng）車，以避免圓弧直徑相差太大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小（xiǎo）可能會導致夾持力（lì）不足，太（tài）大則會造成裝夾（jiá）過程中卡爪之間的相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加（jiā）工過程中，盡量（liàng）選擇與（yǔ）加工樣品外徑匹配的（de）大摩擦力圓弧包爪，包裹（guǒ）角度（dù）應達到（dào）整個樣品圓周的中上水平，這樣不僅可以保（bǎo）證樣品的加工（gōng）尺寸，同時還能有效降低加工過程（chéng）中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身（shēn）加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝置設計不合理以及不規（guī）範安裝都會導致樣品加（jiā）工時產（chǎn）生顫紋。同時，刀（dāo）杆安裝時，刀尖與車（chē）床主軸回轉中心(車床（chuáng）中心高)距（jù）離相差（chà）較大也是產生（shēng）顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的（de）質量情況直接決定了樣品（pǐn）的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互配合，會產生間隙，還有可能存在加工尺寸（cùn）與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或（huò）是在車削過程中夾（jiá）入鐵屑，都會導致加工過（guò）程中顫紋的出現。因此，安裝新的（de）刀片、刀墊時，應按照操作（zuò）規範進行安裝。在加工過程中，也要定（dìng）期（qī）檢查刀片、刀墊是否鬆動或是（shì）夾入（rù）鐵屑，如有隱患應（yīng）及（jí）時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的（de）設（shè）計合理性也是影響顫紋出現的重要原因之一，應盡量選擇經驗豐富的專（zhuān）業刀片、刀墊製造廠家或使（shǐ）用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過（guò）程中（zhōng）產生顫紋的可能性。

刀杆安裝（zhuāng）不規範、刀尖與車床中心高距離相（xiàng）差大，會導致刀（dāo）具在車削時的（de）刀具角度和理想角度偏差太大，刀具受力不在（zài）最佳狀態，從而（ér）導致樣品加工（gōng）過程中產生振動（dòng），出現（xiàn）顫紋。因此，在進行刀具對（duì）刀時，一定要注意刀具（jù）安裝的角度（dù），避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外（wài）的專業刀具廠家會配套專用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不配（pèi）套（tào）對刀器，在確（què）定刀具（jù）安裝角度時，可用基準刀對拔外皮後實（shí）心（xīn）棒料進（jìn）行平端麵車削，找到（dào）棒料的（de）圓心，並（bìng）留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐（zhuī）台軸線（xiàn）的（de）高度上即可最終確定刀（dāo）具安裝角度(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與車床主軸回轉中心是否共線，因此會存在一定誤差。根（gēn）據經驗，刀（dāo）尖與車床主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加工（gōng）顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是決定特（tè）殊螺紋接頭質量（liàng）的重要影響因素（sù），不同的吃刀量、車削速度等（děng）都會導致樣品加工質量上的（de）差（chà）異。此外，加（jiā）工方式的（de）選擇也需（xū）要根據加工樣品的鋼級、尺（chǐ）寸（cùn）等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同的（de）加工工藝及（jí）加工方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾率。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對油管（guǎn）外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削（xuē）速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當（dāng）進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產（chǎn）生顫紋；而在（zài）中（zhōng）間速度（dù）(80m/min和100m/min)加工時（shí），螺（luó）紋表麵完好。因此，在進行特殊螺紋接頭（tóu）加工時（shí），應當結合（hé）加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理（lǐ）的車削速度（dù），以避免產生（shēng）顫（chàn）紋。另外，合理的吃（chī）刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程中顫（chàn）紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻（zǔ）力大（dà）。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削（xuē）即將完成時，刀片會承受非常大的切削載荷，從而引起刀片出現（xiàn）輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉（zhuǎn）速較高時，刀具以一定進給速度前進，被車削（xuē）的試樣無法緊壓住刀片，導致（zhì）刀片在車削過程中產生顫動（dòng），引（yǐn）起顫紋，同（tóng）時（shí）吃刀量太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生（shēng）的辦（bàn）法

選擇合理的車削方式，可以有效（xiào）改善螺紋的表（biǎo）麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常見進（jìn）刀方式（shì）示意圖。徑向進刀的特點為各刀（dāo）刃同（tóng）時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙型精度較高，一般適合於小齒形小（xiǎo）螺距的（de）螺紋或脆性材料的螺紋加（jiā）工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢（chàng），切削力較小，但背吃刀量（liàng）較大，牙型精度（dù）差，螺紋表麵（miàn）粗糙度較大，易出現（xiàn）顫紋，而且不參（cān）與（yǔ）切削（xuē）一側的（de）刀刃磨損大；改進型側向進刀則可避（bì）免斜向進（jìn）刀刀（dāo）刃磨損大和工件表麵粗糙度大的問題；交互式進刀切削時，兩側刀（dāo）刃（rèn）磨損均勻（yún），較適用於加工大螺（luó）距螺紋。因此，對於特殊螺紋的（de）車削，可采用改進型側向進刀或交（jiāo）互式進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削，避免3個刀刃同時工作，減小振動出現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺（luó）紋（wén）接頭（tóu）生產加工過程中普遍存在的現象，不（bú）僅影響特殊螺紋接頭的表麵質量，還會導（dǎo）致特殊螺紋接頭（tóu）的各項性能惡化，因此，加工（gōng）過程中（zhōng）應避免顫紋的產生。

(1)車床、加工樣品（pǐn）以及刀具本身的剛性不足（zú）是（shì）引起顫紋的主要因素，應當（dāng）選（xuǎn）擇剛性高的刀（dāo）具和車（chē）床，同時根據（jù）加工管體的實際情況，適當設計或增（zēng）加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝不合理也是引起顫紋的因素之一，生產廠家應建立（lì）相應的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定（dìng）期對樣品（pǐn）裝夾（jiá）和刀具安裝情況進（jìn）行（háng）檢查；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合理的加工工藝參數及加工方式，有效控製特殊螺紋接頭加工（gōng）過程（chéng）中顫紋的產生。