數控車床加工（gōng）特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對策

特（tè）殊（shū）螺紋接頭是針對API螺（luó）紋接頭（tóu）密封性能差、上扣控製難、接頭應力（lì）水（shuǐ）平高等不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好密封（fēng）性能的專用油套管接頭，其結構設計特點決定了它良好的（de）使用性能和（hé）加工精度。隨著我國（guó）石油勘探水（shuǐ）平不斷提高，深井（jǐng）、超深井、熱采井以（yǐ）及高溫高壓氣井的數（shù）量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質（zhì）量控製要求越來越高（gāo）。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）是為了更好地控製特殊螺紋接（jiē）頭的（de）產品質量。

顫（chàn）紋是特殊螺紋（wén）接頭加工過程中常見的加工缺陷，直接影響到（dào）特（tè）殊螺紋接頭的使用（yòng）性能和產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產生的原因及（jí）對（duì）策，為特殊螺紋接頭的生產質量控製提供了一定參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加（jiā）工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工（gōng）過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續（xù）加工（gōng）獲得的，理論上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的影響。但如果加工剛性較差的薄壁管或（huò）者刀具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振動，從而在螺（luó）紋加工（gōng）表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生（shēng），可以（yǐ）根據螺紋的設計長度（dù）、車床的加工特點和刀具裝夾（jiá）方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成（chéng）加工顫紋的（de）產生。此外，在進行外螺紋加工（gōng）時，可根據管（guǎn）體幾何尺寸，設計（jì）管體內支（zhī）撐（chēng）和輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低顫紋的產生（shēng）。

特（tè）殊螺紋加工時的（de）進給量遠大於普通車削，因此（cǐ）刀具會承受非常大的車削力。為有效避免加工過程中產生顫紋，要求在設計時根據加工管體的材料和特殊螺紋接頭的結構設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計（jì）內螺紋刀杆時，應注意刀（dāo）杆直徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑（jìng）的1.5-2倍為宜，如（rú）果需要加工（gōng）內孔小且長的內螺紋時，盡量選（xuǎn）擇專（zhuān）業刀具（jù）廠（chǎng）家生產（chǎn）的專用（yòng）防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工孔（kǒng）小行程長的內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在（zài）刀（dāo）杆（gǎn）直徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具（jù）材料和熱（rè）處理工藝也很重要，合理的（de）刀具材（cái）料（liào）和（hé）熱處理工（gōng）藝可以有效地保（bǎo）證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控（kòng）車床。剛性好的車床可以更有效地控（kòng）製特殊螺紋接頭加（jiā）工的（de）質（zhì）量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及管體本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式（shì）也是導致顫紋出現的主要（yào）原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會造（zào）成顫紋。如果夾持壓（yā）力過低，在螺紋加工過程中，試（shì）樣（yàng）會發生位置移動，導致（zhì）顫紋產生；如（rú）果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不（bú）均勻彈性變形，盡（jìn）管切削時接頭（tóu）內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後（hòu），接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊（shū）螺紋（wén）接頭的密封性能主（zhǔ）要（yào）靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差（chà）時（shí），會在原本過盈的地方產生間隙（xì）或更大的過盈量，使特殊螺紋（wén）接頭泄（xiè）漏或發生（shēng）粘扣。此外，卡爪尺寸不合（hé）適，不能與加工試樣的外表麵完美貼合（hé），勢必會影響夾持的穩（wěn）定性。當夾持穩定性降低（dī）到一定程度時，便會在加工過程出現樣（yàng）品移動，產生顫（chàn）紋。

油套管螺紋的加工是一個長期（qī）總結經驗的過程（chéng），其加工（gōng）時的夾持壓（yā）力（lì）就（jiù）是一個重要（yào）的數據經（jīng）驗積累，主要根據加工（gōng）樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的（de）特點長期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消（xiāo）除（chú）樣品在加工過（guò）程中的移動，同時把樣品變形控製在彈（dàn）性範圍內，這樣既可（kě）以有效消（xiāo）除加工顫紋，還可以保證（zhèng）特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的（de）特點專門設計。目前（qián），常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形式為點（diǎn）線（xiàn）接觸（chù），這種夾持方式接觸麵積小，可以有效增加卡爪和（hé）樣品表麵之間的夾持力（lì），防止加工樣品的（de）移（yí）動，但會導致樣品受力不均，使樣品加工後的尺寸或橢圓度（dù）超差。圓弧包爪夾持方式的（de）優點是樣品在加工時（shí）接觸麵（miàn）積大，受力均（jun1）勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現（xiàn）異動，產（chǎn）生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣（yàng）品接觸的工作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹（āo）槽(見（jiàn）圖3)，以增加其摩擦力。同（tóng）時，圓（yuán）弧包爪（zhǎo）的圓弧（hú）直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配，最好（hǎo）在加（jiā）工前根據加工樣（yàng）品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工（gōng）作表麵的（de）鏜車，以避免圓弧直徑相差太大而在加工中（zhōng）發生樣品移動、產（chǎn）生顫（chàn）紋。還需注（zhù）意包（bāo）裹角度（dù）的設計，太小可能會（huì）導致夾持力不足，太大則會造成裝夾過程中（zhōng）卡爪之間的相互幹涉，導致樣品夾（jiá）持不緊，產生顫紋。因（yīn）此，在特殊螺紋的加工過程中，盡量選擇（zé）與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓周的中上水平，這樣不僅可以保證樣品的加工尺寸，同時還能有效降低加工（gōng）過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤差（chà）大（dà）或緊固裝（zhuāng）置設計不合理以及不規範安裝都會導致樣品加工（gōng）時產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心高（gāo）)距離相差較大（dà）也是產生顫紋的（de）重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況直接決定了樣品的加工質量，質量（liàng）差的刀片、刀墊安（ān）裝在（zài）刀杆上後，不能（néng）很好地相互配合，會產生間隙，還有可能存在加工（gōng）尺寸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（zhì）量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊（jǐn）或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導（dǎo）致加工過程中顫紋的（de）出現。因（yīn）此（cǐ），安（ān）裝新的刀片、刀墊時，應按（àn）照操作規範進行安裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如（rú）有隱患應及時處理，以（yǐ）防止產生顫（chàn）紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性也是影響顫紋出現的重要原因之一（yī），應盡量（liàng）選擇經驗豐富（fù）的專業刀片、刀墊製造廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計（jì）方案，以降低（dī）加工過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床中心高距離相差（chà）大（dà），會導（dǎo）致刀具在車削時的刀具角度和理（lǐ）想角度偏差太大，刀具受力不在最佳（jiā）狀態，從而導致樣品加工過程中產生振動（dòng），出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖（jiān）與車床（chuáng）中心高距離相差太大。很多國外的專業刀具廠家會配套專用的對（duì）刀器來確定刀具的安裝（zhuāng）角度。國產刀具一般不配套對刀器（qì），在確定刀具安裝角度時，可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵（miàn）車削，找（zhǎo）到棒料的圓心，並留下一個（gè）小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的（de）高度上即（jí）可最終確定刀具安裝角度(見（jiàn）圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與（yǔ）車（chē）床（chuáng）主軸回轉中心是否共（gòng）線，因此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉（zhuǎn）中心的距離（lí）相差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫（chàn）紋的（de）產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工（gōng）藝是決定特殊螺紋（wén）接頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等都（dōu）會導致樣品加（jiā）工質量上的差異（yì）。此（cǐ）外，加工方式的選擇也需要根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對（duì）應不同的加工工藝及加工方式，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（huò）改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車（chē）削。王瀟（xiāo）屹等對油管外螺紋進（jìn）行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車（chē）削（xuē）速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當進給（gěi）速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而（ér）在（zài）中間速度(80m/min和（hé）100m/min)加工時，螺紋表麵完（wán）好。因此，在進行特殊螺紋接（jiē）頭（tóu）加工時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理的車削速（sù）度，以避（bì）免產生顫紋。另外，合理（lǐ）的吃刀（dāo）量分配也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量（liàng）太大時，刀具受到的切削阻力大。隨（suí）著螺紋深度的增（zēng）加，刀片與樣品的接觸麵（miàn）積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大的切削載（zǎi）荷，從而引起刀（dāo）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、轉速較高時，刀具以一定進給速度（dù）前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車（chē）削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導（dǎo）致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經（jīng）濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方式，可以（yǐ）有效改善螺紋的表麵質（zhì）量並提高（gāo）刀（dāo）具的使用壽命。圖（tú）5為螺紋車削常（cháng）見進刀方式示意圖。徑向進刀（dāo）的特點為各刀（dāo）刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振（zhèn）動、刀尖易磨損（sǔn），但操作相對（duì）簡單，牙型精度較高（gāo），一般適合於小齒形（xíng）小螺距（jù）的螺（luó）紋或脆（cuì）性材料的螺紋加工（gōng）；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順（shùn）暢，切削力較小，但背吃刀量較大，牙型（xíng）精度差（chà），螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與（yǔ）切削一側的刀刃磨損（sǔn）大；改進型側向進刀則可避免斜向進刀刀（dāo）刃磨損大和工（gōng）件表麵粗糙度大的問題；交互式進刀切削時（shí），兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋（wén）的車削，可采用改（gǎi）進型側向進刀或交互式進刀方式（shì），以實現單刀刃或雙刀（dāo）刃切削，避免3個（gè）刀刃同時工作，減小振（zhèn）動出現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床（chuáng）、加工樣品以（yǐ）及刀具本身的剛性（xìng）不足是引起顫紋的主要因素，應當選擇剛性高的刀具和車床，同時根據加工管體的實際情況，適當設（shè）計或增加一些減（jiǎn）振防顫的工裝或工藝（yì）；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝不合理（lǐ）也是引起顫紋的因素之（zhī）一，生產廠家應建立相應的試樣裝夾、刀具安裝（zhuāng）的管理文件，定期對樣品（pǐn）裝夾和刀具（jù）安裝情況進行檢查；

(3)根據加工樣品的鋼（gāng）級（jí）、尺寸等情況，製定合（hé）理（lǐ）的加（jiā）工工藝參數（shù）及加（jiā）工方式（shì），有效控（kòng）製特殊螺紋接頭加工過（guò）程中顫紋的產生。