​數控車床加工特殊（shū）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螺紋接頭密封性能差、上扣控製難、接頭應力水平高等不足而專門（mén）設計的具有可（kě）靠連接強度和良（liáng）好密封性能的專用油套管接頭（tóu），其（qí）結構設計特點決定了它良（liáng）好的使用性能（néng）和加工精（jīng）度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱采井（jǐng）以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能（néng）及質量控製要求越來越高。目（mù）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（kòng）車床，就是為了更好地控製特殊螺紋接頭的產（chǎn）品（pǐn）質（zhì）量。

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

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具（jù）或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺（luó）紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論（lùn）上會保持較好的（de）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（bì）管或者刀具、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（chǎn）生顫紋。

在剛性（xìng）較差的薄（báo）壁管體上進行螺紋加工（gōng）時，為避免加工顫紋的產生，可以根（gēn）據螺紋的設計（jì）長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確定合理的管（guǎn）體懸出長度(見圖1)，以避免（miǎn）管體懸出過長、管頭擺（bǎi）動造成加（jiā）工顫紋的產生。此外，在（zài）進行外螺紋加工時，可根據（jù）管體幾何尺寸，設（shè）計管體內支撐和（hé）輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地（dì）降低顫紋（wén）的產生。

特殊螺紋（wén）加工時的（de）進給量遠大於普（pǔ）通車削，因此刀具（jù）會承受非常大的車削力。為有效避免加工過程中（zhōng）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（de）刀（dāo）具（jù）設計方（fāng）案，特別是（shì）設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸（xuán）出長度的關（guān）係。一般懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍（bèi）為宜，如果需要加工內孔小（xiǎo）且長的內螺紋時，盡量（liàng）選擇專業刀具（jù）廠家（jiā）生產的專用防振刀杆。這些刀杆是為了解（jiě）決（jué）加工孔小行（háng）程長的內螺紋專門（mén）設（shè）計的，一般懸出長度控製在（zài）刀杆直徑的3-4倍。另（lìng）外，選擇適當的刀具材（cái）料和熱處理工藝也（yě）很重要（yào），合理的刀具（jù）材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的（de）剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛性好的車床可以更有效地控製特殊（shū）螺紋接（jiē）頭加工的質量，防止加工過程（chéng）中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝（zhuāng）夾方式不合理

除了車床、刀（dāo）具以及管體本身的剛性不（bú）足，加工試（shì）樣的（de）裝夾方式也是導致顫紋出現（xiàn）的主要原因，例（lì）如夾持壓力不合理或夾具（jù）卡爪尺寸不合適等（děng）都會造成顫紋。如果（guǒ）夾持壓力過低，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，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均（jun1）勻（yún）彈性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正（zhèng）圓孔，但鬆開後（hòu），接頭彈性恢複，導致（zhì）樣品橢圓度（dù）超差。特殊螺紋接頭的密封性能（néng）主要靠金屬過盈來實（shí）現，當橢圓度超差時，會在原本過盈（yíng）的（de）地方產生間隙或更（gèng）大的過盈量，使特殊螺（luó）紋接頭泄漏或發生粘扣。此（cǐ）外，卡爪尺寸不（bú）合（hé）適，不能與（yǔ）加工試樣的外表麵完（wán）美貼合（hé），勢必會影響夾持的穩定（dìng）性。當夾持穩定性（xìng）降低到（dào）一定程度（dù）時，便會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的（de）加工（gōng）是一個長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓力就（jiù）是一個重要的數據經驗積累，主要（yào）根據加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中的移動，同時把樣品變形控製在彈性範（fàn）圍內，這樣既可以有效（xiào）消（xiāo）除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同（tóng）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（chuáng）的特點專門設計。目前，常見的有平（píng）麵卡爪和（hé）圓弧包（bāo）爪（zhǎo）。平麵卡爪的夾（jiá）持形式為點線接觸，這種夾持方式接觸（chù）麵積小，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（pǐn）的移動，但會導致樣品（pǐn）受力不均，使樣品（pǐn）加工後的尺寸或（huò）橢圓度超差。圓弧包爪夾持方（fāng）式的優點是樣品在（zài）加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓（yuán）度佳，但加工時相對容易出現異動（dòng），產生顫紋。因此，在加工特（tè）殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓（yuán）弧包爪，且包（bāo）爪與（yǔ）樣（yàng）品接觸的工作麵應當（dāng）設計成平頂（dǐng）齒（chǐ）狀或設（shè）置多個凹槽(見圖3)，以增加其（qí）摩擦力。同時（shí），圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配，最（zuì）好在加工前根據加（jiā）工（gōng）樣品的外徑（jìng）尺寸，進行圓（yuán）弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓（yuán）弧直徑相差太大而在加工中發生樣品移動（dòng）、產生顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小（xiǎo）可能會（huì）導致夾持力（lì）不足，太大則會造成裝夾過（guò）程（chéng）中卡爪之間的相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過程中，盡量選擇與加工樣（yàng）品外徑匹配的大（dà）摩（mó）擦力圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓（yuán）周的中上水平，這樣不僅可以（yǐ）保證樣品的加工尺寸，同時還能有效降低加（jiā）工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安（ān）裝不規範

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

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況直接決定（dìng）了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝（zhuāng）在（zài）刀杆上後，不能很（hěn）好地相互配合，會（huì）產生間隙，還有可能存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都（dōu）會（huì）導致顫紋（wén）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（zhuāng）不規範、裝夾不緊（jǐn）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，安裝新的刀片、刀墊時，應（yīng）按照操作規範進行安裝。在（zài）加工過程中，也要（yào）定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀（dāo）墊緊（jǐn）固方（fāng）式的設計合理性也是影響顫紋（wén）出現的重要原因之（zhī）一，應盡量選（xuǎn）擇經驗豐富的專（zhuān）業刀片、刀墊製造（zào）廠家或使用較為成熟的刀片（piàn）、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安（ān）裝不規範、刀尖與車床中心高（gāo）距離相差大，會導致（zhì）刀具在車（chē）削時的刀具角度和理想角度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態，從而（ér）導致樣品（pǐn）加工過程中（zhōng）產生振動（dòng），出現顫紋（wén）。因此，在進行刀（dāo）具對刀時（shí），一定要注意刀具（jù）安裝的角度，避免刀尖（jiān）與車床中心高距離（lí）相差太大。很多國外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（jiǎo）度。國產刀具一（yī）般不配套對刀器，在確（què）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車削，找到棒料的圓心，並留下一個小圓（yuán）錐台，將需要安裝的刀具刀尖（jiān）調整到小圓錐台軸線的（de）高度上即可最終確定刀具安裝角度（dù）(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。根據經（jīng）驗，刀尖與車床主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫紋的產生。

(4)加工參數（shù）及方式選（xuǎn）取不當

特殊螺紋接頭的加工工（gōng）藝是決定特殊螺紋接頭質量的重要影（yǐng）響因素，不同的吃（chī）刀量、車削（xuē）速度等都會導致樣品加工質量上的差異。此外，加工方式的選擇也需要根據加工樣品的鋼級、尺寸等（děng）情況來定。不同的（de）鋼級、尺寸對應不（bú）同的加工工藝及加工方式，才（cái）能有效降低（dī）加工顫紋出現的幾率（lǜ）。

特殊（shū）螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺（luó）紋，因此（cǐ），該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹（yì）等對油管外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度（dù）(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當進（jìn）給速（sù）度過快(120m/min)或過（guò）慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生（shēng）顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在進行特殊螺紋接頭加工時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結（jié）構情況，摸索出合理的車削速度，以避免產生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削（xuē）過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太（tài）大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，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荷，從而引（yǐn）起刀片出（chū）現輕微顫動或崩刀（dāo），產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速較高（gāo）時（shí），刀具以（yǐ）一定進給速度前進，被車削的試樣無（wú）法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中（zhōng）產生顫動，引起顫紋，同時吃（chī）刀量太小也會（huì）導（dǎo）致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟（jì）效益。

2 避免顫紋產（chǎn）生的辦法

選擇合理的車削（xuē）方式，可以（yǐ）有效改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使用壽（shòu）命。圖5為螺紋車削（xuē）常（cháng）見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃同時工作，排屑困難，切削（xuē）力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操（cāo）作相對簡單，牙型精度較高，一般適合於小（xiǎo）齒形小螺距的螺紋（wén）或脆（cuì）性材料的螺紋加工；側向（xiàng）進刀的特點是不易紮（zhā）刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切削力較小，但（dàn）背吃刀量較大，牙型精度差，螺（luó）紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參（cān）與切削（xuē）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粗（cū）糙度大的問（wèn）題；交互式進（jìn）刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工大螺距螺紋。因（yīn）此，對於特殊螺紋的車削，可采用改進型（xíng）側向進刀或交互式（shì）進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削，避免3個刀刃（rèn）同時工作，減小振動出現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫（chàn）紋是特殊（shū）螺紋（wén）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（miàn）質（zhì）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、加工樣品以及（jí）刀具（jù）本身的剛性不足是（shì）引起顫紋的主要因素，應當選擇剛性高的刀具和（hé）車（chē）床，同時根據加（jiā）工管體的實（shí）際情況，適（shì）當設計或增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，生產廠家應建立相應的試樣裝夾、刀具安（ān）裝的管（guǎn）理文件，定期對樣品裝夾（jiá）和刀具安裝情況進行檢（jiǎn）查（chá）；

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