​數控車床加工特（tè）殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭（tóu）密封性能差、上扣控（kòng）製（zhì）難、接頭應力水平高等不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好（hǎo）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（hǎo）的使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深（shēn）井、超深井、熱采（cǎi）井以（yǐ）及高（gāo）溫高壓氣井（jǐng）的數量逐年（nián）增加，對特殊螺紋接頭的性（xìng）能及質（zhì）量控製要求越來越高。目前，國內生產特（tè）殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度（dù）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。

顫紋是特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中常見的（de）加工缺（quē）陷，直接影響到特殊（shū）螺紋接（jiē）頭的使用（yòng）性能和產品質量。本（běn）文結合特殊（shū）螺紋接頭的加工特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng）顫紋產生的原因及對策（cè），為特殊螺紋接頭的生產質量控製提供了一定參（cān）考（kǎo）。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不（bú）足

特殊（shū）螺紋接頭加工過程中，顫紋常（cháng）見於螺（luó）紋車削（xuē）階段（duàn）。特殊螺紋加工的（de）螺紋成型麵（miàn）是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好的加（jiā）工表麵光潔度，而不會像普通車削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（bì）管或者刀具、車（chē）床剛性不足，就會在加工過程（chéng）中發生振動，從而在螺紋加工表麵產（chǎn）生顫紋。

在剛性較（jiào）差的薄壁管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（wén）的設計長（zhǎng）度（dù）、車床的（de）加工特（tè）點和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖（tú）1)，以避免管體（tǐ）懸（xuán）出過長、管頭擺動造成加（jiā）工（gōng）顫紋的產生。此外，在進（jìn）行外螺紋加工時（shí），可根據管體（tǐ）幾何尺寸，設計管體內支撐和（hé）輥（gǔn）道上的（de）浮動（dòng）支撐輥(見圖2)，這樣可以更（gèng）有效地降低顫紋的產生。

特殊螺（luó）紋（wén）加工時的進給量遠大於普（pǔ）通車削，因此刀具會承受非（fēi）常大的車削力。為（wéi）有效避（bì）免加工過程中產生顫紋，要求在設計時根據加工管（guǎn）體的材料和特殊螺紋接頭（tóu）的結構設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設（shè）計內（nèi）螺紋刀杆時，應注意刀杆（gǎn）直徑和懸出長度的關係。一般（bān）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內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專用（yòng）防振刀杆。這（zhè）些刀杆是為了解決加工孔小行程（chéng）長（zhǎng）的內螺紋專門設計的，一般（bān）懸出長度控（kòng）製在刀杆直徑的（de）3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和熱處理工藝也很重要，合理的刀（dāo）具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選（xuǎn）擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛性（xìng）好的車床可以更有效地（dì）控製特（tè）殊螺紋接頭加工的（de）質量，防止加工過程中出（chū）現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除（chú）了車床、刀具以及管（guǎn）體本（běn）身的剛性不足，加工試樣的裝夾方（fāng）式（shì）也是導致顫紋出現的主要原因，例如夾（jiá）持壓力不合理或夾具（jù）卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋。如（rú）果夾持（chí）壓力過低，在螺紋加工過程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛（máo）坯在夾緊時有較大的不均勻彈（dàn）性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔（kǒng），但鬆開後，接頭（tóu）彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊（shū）螺紋接頭（tóu）的密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的（de）地方產生間隙或更（gèng）大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄（xiè）漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工試樣的外表麵完美貼（tiē）合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到（dào）一定程度時（shí），便會在加（jiā）工過程出（chū）現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的加工是一個長期總結經驗（yàn）的過程，其（qí）加工時的夾持壓力就是一（yī）個重要的數據經驗積累，主要根據加工樣（yàng）品的尺寸、鋼級以及（jí）車床本身的特點長（zhǎng）期摸索總結而來。合理的夾持（chí）壓力可以消除（chú）樣品（pǐn）在加工過程中的移動，同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（yàng），卡爪的（de）設計也（yě）要結合需要加工樣品的尺寸（cùn）、鋼級（jí）並結合車床（chuáng）的（de）特點專門設計。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧（hú）包爪。平（píng）麵卡爪的夾持形式（shì）為（wéi）點線接觸，這種夾持（chí）方式接觸（chù）麵積（jī）小，可以有效增加卡爪和樣品表麵之間的夾持力，防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品加（jiā）工後的尺寸或橢圓（yuán）度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加（jiā）工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品（pǐn）尺寸（cùn）好，橢圓度佳，但加工（gōng）時相對容易出現異動，產生顫紋。因此，在加工（gōng）特殊（shū）螺（luó）紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且（qiě）包爪（zhǎo）與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖（tú）3)，以增加其摩擦力（lì）。同時，圓弧包爪的（de）圓弧直徑應（yīng）盡量與加工樣品外徑相匹配，最好（hǎo）在加工前根（gēn）據加工樣品（pǐn）的外徑尺寸，進行圓（yuán）弧包爪的工作表麵的鏜車（chē），以避（bì）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（dù）的設計，太小可能會導致夾持力不足，太大（dà）則會造成裝夾過（guò）程（chéng）中卡（kǎ）爪之間的相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特（tè）殊螺紋的加工過程中，盡量選擇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（bú）僅可以保證樣品的加工尺寸，同時還（hái）能（néng）有效降（jiàng）低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀（dāo）具加工質量差或安裝不（bú）規範

刀片、刀墊（diàn）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（yǐ）及不規範安裝都會導致樣品（pǐn）加工時產生顫紋。同時，刀杆安裝（zhuāng）時，刀（dāo）尖與車床主軸（zhóu）回轉中心(車床中心（xīn）高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原（yuán）因之一（yī）。

刀片、刀墊以及相（xiàng）關配件的質量情況（kuàng）直接（jiē）決（jué）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（néng）很好地相互配合，會產生間（jiān）隙，還有可（kě）能存在加工尺（chǐ）寸與設計方案有出（chū）入（rù）以及刀（dāo）具鈍化，這些都（dōu）會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加（jiā）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（fàn）、裝夾（jiá）不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加（jiā）工過（guò）程中顫紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在加工過（guò）程中，也要定期檢查刀片、刀墊（diàn）是否（fǒu）鬆動或（huò）是夾入鐵屑，如有隱（yǐn）患應及時處理（lǐ），以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固（gù）方式的設計合理（lǐ）性也是影響顫紋出現的重（chóng）要（yào）原因之一，應（yīng）盡量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或（huò）使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過（guò）程中產生顫紋（wén）的可能性。

刀杆安（ān）裝不規範、刀（dāo）尖與車床中心高距離相差大，會導致刀具在車削時的刀具（jù）角度和理想角度偏差太大，刀具受力不（bú）在最佳狀態，從而導致樣品加工過程中產生振動，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀（dāo）時，一定要注意刀具（jù）安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離相差太（tài）大。很（hěn）多國外（wài）的專業刀具廠家（jiā）會配套專用的對刀器來確定刀（dāo）具的安裝角度。國（guó）產刀具一（yī）般不配套對刀器，在（zài）確定刀具安裝角度時，可用基（jī）準刀對拔外皮（pí）後實心棒料進行平（píng）端麵（miàn）車削，找到棒料（liào）的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的（de）刀具刀（dāo）尖調整到小圓錐台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床主軸回轉中（zhōng）心是否（fǒu）共（gòng）線，因此會存在一（yī）定誤差。根據經驗，刀尖與車（chē）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（chǎn）生。

(4)加工參數（shù）及（jí）方式選取不（bú）當

特（tè）殊螺紋接頭的加工工藝是決定（dìng）特殊螺紋接頭（tóu）質量的重要影響因素，不同的吃刀量（liàng）、車削速度等都會導致樣（yàng）品加工質量上的差異。此外，加工方式的選擇也（yě）需要根據（jù）加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對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（xiàn）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（yú）重車削。王瀟屹（yì）等對油管外螺紋進行了相同吃刀量（liàng）(0.3mm)、不同（tóng）車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發（fā）現：當進給（gěi）速度過快(120m/min)或過慢（màn）(60m/min)時，在（zài）螺紋表（biǎo）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（hǎo）。因此，在進行特殊螺紋接（jiē）頭（tóu）加工時，應當結合加工樣品（pǐn）的鋼級（jí）、尺寸及結構情況，摸索出合理的車削速（sù）度，以避免產（chǎn）生顫紋。另外（wài），合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過（guò）程中（zhōng）顫紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋（wén）深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋（wén）車削即將完成時，刀片會承（chéng）受非常（cháng）大的切（qiē）削載荷，從而引起刀（dāo）片出現輕微顫動或崩刀，產生（shēng）顫紋，影響螺紋的表麵質量（liàng）。吃刀量過小、轉速較高時（shí），刀具以一定進給速度前進，被車削（xuē）的（de）試樣無法緊壓住（zhù）刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導致加工效率大（dà）幅降低，影響製造廠家（jiā）的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法（fǎ）

選擇合理的車削方（fāng）式，可以有（yǒu）效改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使（shǐ）用壽（shòu）命。圖（tú）5為螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑（jìng）向進刀的特點為各（gè）刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖（jiān）易磨損，但操作相對（duì）簡單，牙型精度較高，一般適合於小齒形小螺距的（de）螺紋或脆性材料的（de）螺紋加工；側向進刀的特點是不易（yì）紮刀，單刃切削，排（pái）鐵（tiě）屑順暢，切削力較小（xiǎo），但背（bèi）吃刀量較（jiào）大，牙型精度差，螺紋表麵（miàn）粗（cū）糙度較大，易出現顫紋，而且（qiě）不參與切（qiē）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磨損大和工件表麵（miàn）粗糙度大的問題；交互式進刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適用於加（jiā）工大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可采用改（gǎi）進型側向進刀（dāo）或交（jiāo）互式進刀方（fāng）式，以實現單刀刃或（huò）雙刀刃切削，避免3個（gè）刀刃同時工作，減小振動出現（xiàn）的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫（chàn）紋是（shì）特（tè）殊螺紋接頭生（shēng）產加工（gōng）過（guò）程中普遍存在的（de）現象，不僅影響特殊螺紋接（jiē）頭的表麵質量，還會導致特殊（shū）螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工（gōng）過程中（zhōng）應避（bì）免顫紋（wén）的產生（shēng）。

(1)車床、加工樣品以及刀具本身的（de）剛性不足是引起顫（chàn）紋的主要因素，應當選擇剛（gāng）性高的刀具和車床，同時根據加（jiā）工管體的（de）實際（jì）情（qíng）況，適（shì）當設計或增加一些減振防顫的工裝或（huò）工藝；

(2)試樣裝夾（jiá）不規範、刀具安裝不（bú）合理也是引起顫紋的因素之一，生產廠家應建立相應（yīng）的試樣（yàng）裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣（yàng）品裝夾和刀具安裝情況進行（háng）檢查；

(3)根據（jù）加工樣品的鋼（gāng）級、尺寸等情況，製定合理的加工工藝參數（shù）及加工（gōng）方式，有效控（kòng）製特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng）顫紋的產（chǎn）生。