​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭是（shì）針對API螺紋接頭密（mì）封性能差、上扣控（kòng）製難、接頭應力水平高等不足而（ér）專（zhuān）門設計的具有可靠連接強度和良好密封性能的專用油套管接頭（tóu），其結構設計特點決定（dìng）了它良好的使用性（xìng）能和加（jiā）工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超深井（jǐng）、熱采井以及高溫高壓（yā）氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋（wén）接頭的性能（néng）及質量控製要（yào）求越來越高。目前，國內生產（chǎn）特殊螺紋接頭（tóu）的廠家大部分都采用（yòng）進口高精度數控車床，就是為了更好地控製特殊螺紋接頭的產（chǎn）品質量。

顫紋是特殊螺紋接（jiē）頭加工過程中常見的加工缺陷，直接影響到特（tè）殊螺（luó）紋（wén）接頭的使用性能和產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點（diǎn），總結了特殊螺紋（wén）接頭加工過程中顫紋產生的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產（chǎn）質量控製提供了一定參考。

1 顫紋產生的（de）原因

(1)加工試樣、刀具或車（chē）床本身剛性不足

特（tè）殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特（tè）殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加（jiā）工（gōng）獲（huò）得（dé）的，理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像（xiàng）普通車削（xuē）加工那樣受進給量的影（yǐng）響。但（dàn）如果加（jiā）工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性（xìng）不（bú）足（zú），就會在加工過程中發生振動，從（cóng）而在螺紋加（jiā）工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄（báo）壁管（guǎn）體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計長度（dù）、車床的（de）加工特點和刀具（jù）裝夾方式，確定合（hé）理的（de）管體（tǐ）懸出（chū）長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成加工顫紋的產生。此外，在進（jìn）行外螺紋加工時，可（kě）根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥（gǔn）道上的浮動支（zhī）撐輥(見圖2)，這（zhè）樣可以更有效地降低顫紋的產生。

特殊（shū）螺紋加（jiā）工時的（de）進給（gěi）量遠大（dà）於普通車削，因此刀具會承受非常大（dà）的車削力（lì）。為有效（xiào）避免加工過程中產生顫紋，要求在（zài）設計時根據加工管體的材料和特殊螺紋接頭的結（jié）構設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計（jì）內（nèi）螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長度的關係。一般懸出長（zhǎng）度（dù）控製在（zài）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（luó）紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆是為了（le）解決加工孔小行程長的（de）內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在刀杆直徑的（de）3-4倍。另（lìng）外，選擇適當的（de）刀具材（cái）料和熱處理工藝也很重要，合理（lǐ）的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削（xuē）的數控車床（chuáng）。剛性好的車床可以更有效地控製特殊（shū）螺紋接頭加工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及管體本（běn）身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也（yě）是導致（zhì）顫紋出現的主要原因，例如夾持壓（yā）力（lì）不合理或（huò）夾具卡爪尺寸不合適（shì）等都會造成顫紋。如（rú）果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中（zhōng），試樣（yàng）會發生（shēng）位置移（yí）動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較（jiào）大的不均勻彈性變形，盡管切削時接頭內壁可以（yǐ）被車（chē）成（chéng）正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導（dǎo）致樣（yàng）品橢圓（yuán）度超差。特殊（shū）螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過盈來實現（xiàn），當橢圓度超差時，會在原本（běn）過盈的地方產生間隙或更大的過（guò）盈量，使特（tè）殊螺紋接頭（tóu）泄漏或發生粘扣。此外（wài），卡爪尺寸不合適（shì），不能與加工（gōng）試（shì）樣的（de）外表麵完美貼合，勢必會（huì）影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度時，便（biàn）會（huì）在加工過程出（chū）現樣品移（yí）動，產生顫紋。

油套管螺紋的加工是一個長期總結經（jīng）驗的過程，其加工時的夾持壓力就是一個重要的數據經驗積累（lèi），主要根據加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本（běn）身的特（tè）點長期摸索總結而來（lái）。合理的夾持壓力可（kě）以消除樣品在加工過程中的移動，同時把樣品變（biàn）形控製在彈性（xìng）範圍內，這樣既可以有效消除加工顫紋，還可以保（bǎo）證特殊螺紋的橢圓度。

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（chē）床的特點專門設計。目前（qián），常見的有平麵卡爪和圓（yuán）弧包爪。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（yǐ）有效增加卡爪和樣品（pǐn）表麵之間的夾持力，防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品加工後（hòu）的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力（lì）均勻，加工後的樣（yàng）品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異動，產生顫紋。因（yīn）此（cǐ），在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且（qiě）包爪與樣品接觸的工作（zuò）麵（miàn）應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖（tú）3)，以增（zēng）加其摩擦（cā）力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應（yīng）盡量與加工樣品外徑相匹配，最好在加工前根據加工樣品的（de）外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓弧直徑（jìng）相（xiàng）差太大而在加工中發生樣品移（yí）動、產生顫紋。還需注意包（bāo）裹角（jiǎo）度的設計（jì），太小可能會導致夾持（chí）力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生（shēng）顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過程中，盡量（liàng）選擇與加工樣（yàng）品外徑匹配的大摩擦力（lì）圓（yuán）弧包（bāo）爪，包裹（guǒ）角（jiǎo）度應達到整個樣品圓（yuán）周的中上水平，這（zhè）樣不僅可以保證樣品的加工尺寸（cùn），同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現（xiàn）幾率。

(3)刀具加工質量差（chà）或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工（gōng）質量參差不齊、誤差大或緊（jǐn）固裝置設計不合理以及不規範安裝都（dōu）會導致樣品加工時產生顫紋。同時（shí），刀杆安裝時，刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及相（xiàng）關配件的質量情況直接決定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互配（pèi）合，會產生間隙，還有可能（néng）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（tè）殊螺（luó）紋接頭加工（gōng）時，應選擇質（zhì）量可靠的（de）專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝（zhuāng）夾（jiá）不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新的（de）刀片、刀墊（diàn）時，應按照操作規範進（jìn）行安裝。在加工過（guò）程中，也要定期檢查刀片、刀墊是（shì）否鬆動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以防（fáng）止產生顫（chàn）紋。刀片、刀（dāo）墊（diàn）緊固方式的設計合理性也是影（yǐng）響顫（chàn）紋出現（xiàn）的重要原因之一，應盡量選擇經驗豐富的專業刀片、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（àn），以降低加工過程中（zhōng）產（chǎn）生顫紋（wén）的可能性。

刀杆安裝不規範（fàn）、刀尖與車床（chuáng）中心高距離相差大，會導致（zhì）刀具在車削時的刀具角度和理想角（jiǎo）度偏（piān）差太大，刀具（jù）受力不在最佳狀態（tài），從而導致（zhì）樣品加工過程中產生振動，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一（yī）定要注意（yì）刀具安裝的角度，避（bì）免刀尖與車床（chuáng）中心高距離相差太大。很多國外的專業（yè）刀具廠家會配套專（zhuān）用的對刀器來（lái）確定刀具的安裝角度。國（guó）產刀具一般不配套對刀器，在確定刀具安（ān）裝角度（dù）時，可用基準刀對拔外（wài）皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下（xià）一個小圓錐台（tái），將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台（tái）軸線的高度上即可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與車（chē）床主軸回轉中心是否共線，因此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖（jiān）與車床主軸回轉中心（xīn）的距離相差（chà）±0.5mm以內，可以有效減少（shǎo）加工顫紋的產生。

(4)加工（gōng）參數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是決定（dìng）特殊螺紋接頭質量的重要影響因素（sù），不同的吃刀量、車（chē）削速度等都會導致樣品加工質量上的差異。此外，加工方（fāng）式的選擇也需要根據加工（gōng）樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應（yīng）不同的加工工藝及加工方式，才（cái）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（yīn）此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹（yì）等對油（yóu）管外螺紋進行（háng）了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的（de）研究發現：當（dāng）進給速度過（guò）快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完（wán）好。因此（cǐ），在進行特殊螺紋接頭（tóu）加（jiā）工時，應當結合加工樣品的鋼級（jí）、尺寸及結構情況，摸索出（chū）合（hé）理的車削速度，以避免（miǎn）產（chǎn）生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可（kě）大幅降低螺紋車削（xuē）過程中顫紋（wén）的產生幾率。吃刀量（liàng）太大時，刀具受到的切（qiē）削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大（dà），螺紋車削（xuē）即將完成時，刀片（piàn）會承受非常大的切削載荷，從而引起刀片出現輕微顫動或崩刀，產生（shēng）顫紋，影響螺（luó）紋的表麵（miàn）質量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以一定進給（gěi）速度前（qián）進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫（chàn）紋，同（tóng）時吃刀量太小也會導致加工效率大幅降（jiàng）低（dī），影響製造廠家的經濟效益。

2 避免（miǎn）顫（chàn）紋產生的辦法

選擇合理的車削方式，可（kě）以有效改善螺（luó）紋的表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常（cháng）見進刀方式示意（yì）圖。徑向進刀的特點（diǎn）為各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動（dòng）、刀尖易磨損，但操作（zuò）相對簡單，牙型精度較高，一（yī）般適合於小齒形小（xiǎo）螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋（wén），而且不參與切削一側的刀刃磨損大；改進型側向進刀則可避免斜向進刀刀刃（rèn）磨損大（dà）和工件表麵粗糙度大的問題；交互式（shì）進刀切削時，兩側刀（dāo）刃磨損均勻，較適用於加工大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可（kě）采用改進（jìn）型側向進刀或交互式進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削（xuē），避免3個（gè）刀刃（rèn）同時工作，減小振動出現的機率，避免顫紋的發生（shēng）。

小結

顫紋是特殊螺（luó）紋接頭（tóu）生產加工過程中普遍存在的現（xiàn）象，不僅影響特殊螺（luó）紋接頭的表麵質量（liàng），還會（huì）導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化（huà），因（yīn）此，加工過程（chéng）中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加工樣品以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因（yīn）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（dāng）設計或（huò）增加一（yī）些減振防顫的工裝（zhuāng）或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安（ān）裝不合理也是引起顫紋的因素（sù）之一，生產廠家應建立相應的試樣（yàng）裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣品裝夾和刀具安裝情（qíng）況進行檢查；

(3)根據加工（gōng）樣品的鋼級、尺寸等情況，製定（dìng）合理的加工工藝參數及加工方式，有效控製特殊螺紋（wén）接頭加工過（guò）程中顫（chàn）紋的產生。