​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋（wén）的原（yuán）因

特殊螺（luó）紋接頭是針對API螺紋接（jiē）頭密封性能（néng）差（chà）、上扣控（kòng）製難、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密（mì）封性能的專用油套管接頭，其結構設計特（tè）點決（jué）定了它良好的使（shǐ）用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超深（shēn）井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺（luó）紋接頭的性能（néng）及（jí）質量控製要求越（yuè）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，就是為了更好地控製（zhì）特殊螺（luó）紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊螺（luó）紋接頭加工過程中常見的加（jiā）工缺陷（xiàn），直接影響到特殊螺紋接頭的使用性能和產品（pǐn）質量。本文結合特殊螺紋（wén）接頭的加工特點，總（zǒng）結了特殊螺紋接頭加工過程（chéng）中顫紋產生的原因及對策，為特（tè）殊（shū）螺紋接頭的生（shēng）產質量控製提供了一定參（cān）考。

1 顫紋產生的原因（yīn）

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中，顫（chàn）紋常（cháng）見於螺紋車削階段。特殊螺（luó）紋加工的螺（luó）紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好的加工表麵光（guāng）潔度，而不會像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果（guǒ）加工剛性較差的薄壁（bì）管或者刀具、車床剛（gāng）性不足，就會（huì）在加工過程中發生振動，從而在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄壁管體（tǐ）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（jì）長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免（miǎn）管體懸（xuán）出（chū）過長、管（guǎn）頭擺動造成（chéng）加工顫紋的產生。此外，在進行（háng）外螺紋加工時，可（kě）根據管體幾何尺寸，設計管體（tǐ）內支撐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。

特（tè）殊螺紋加工時的進給量遠大於（yú）普通（tōng）車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為（wéi）有效避免加（jiā）工過程中產生顫紋，要（yào）求（qiú）在設計時根據（jù）加工（gōng）管體的材料和（hé）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（tè）別是設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出（chū）長度的（de）關係（xì）。一般懸出長度控製（zhì）在刀杆直徑的1.5-2倍為宜（yí），如果需要加工內孔小且長的內螺（luó）紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專（zhuān）用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工孔小行程長的內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製（zhì）在刀（dāo）杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具（jù）材（cái）料和熱處理工藝也很重要，合（hé）理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證（zhèng）刀具的剛性。盡（jìn）量選擇（zé）剛性較好、適（shì）合重車削的數控車床。剛性好的車（chē）床可以更有（yǒu）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（shì）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也是（shì）導致顫紋出現的主要原（yuán）因，例如夾持（chí）壓力（lì）不合理或夾具（jù）卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋（wén）。如果夾持壓（yā）力過低，在螺紋加工過程中，試樣會發生位置移（yí）動，導致顫紋（wén）產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯（pī）在夾緊時有較大的不均勻彈性變（biàn）形，盡管切削時接頭（tóu）內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭（tóu）彈（dàn）性恢複，導致樣品橢（tuǒ）圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓度（dù）超差時（shí），會在原本過盈的地方產（chǎn）生間隙或更（gèng）大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工（gōng）試樣的（de）外表（biǎo）麵完美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度（dù）時，便會在加工（gōng）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的過程，其加工時的夾（jiá）持壓力就是一（yī）個重要的數據經驗（yàn）積累，主要根據加（jiā）工樣品的尺寸、鋼（gāng）級以及車（chē）床本身的特點長期摸索總結而來。合理的夾（jiá）持壓力可以（yǐ）消除（chú）樣品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（yǒu）效消除加工顫紋，還可以保（bǎo）證特殊螺（luó）紋的橢圓度。

同樣，卡（kǎ）爪的設計也要結合需要加工（gōng）樣（yàng）品的尺寸（cùn）、鋼級並結合車床的特（tè）點專門設計（jì）。目前（qián），常見的有平麵卡爪和圓弧包（bāo）爪（zhǎo）。平麵卡爪的夾持形式為點線接觸，這種夾持方式接觸麵積小，可以有效增（zēng）加卡爪和樣（yàng）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，使樣品加工後的尺寸或橢圓度（dù）超差。圓弧包爪（zhǎo）夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵（miàn）積大，受力均勻（yún），加工後的樣品尺寸（cùn）好，橢圓度（dù）佳，但加工時相對容易出（chū）現（xiàn）異動，產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡（jìn）量（liàng）選擇圓弧包爪，且包爪與樣品（pǐn）接觸的工作麵應當設計成平頂（dǐng）齒（chǐ）狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑（jìng）應盡量與加工樣品外（wài）徑（jìng）相匹（pǐ）配，最好在（zài）加工前根據加工樣品的（de）外徑尺寸（cùn），進（jìn）行圓弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓弧直徑相差太大而在（zài）加工中發（fā）生樣品（pǐn）移（yí）動、產生顫紋。還需注意包裹角度的設計（jì），太小可能會導致夾持力不足，太大則（zé）會造成裝夾過程中卡（kǎ）爪之間的相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋（wén）。因此，在特殊螺紋的加工（gōng）過程（chéng）中，盡量選擇與加（jiā）工樣品外（wài）徑匹配的大摩（mó）擦力圓弧（hú）包（bāo）爪，包裹角度（dù）應達到整（zhěng）個樣品圓（yuán）周的中（zhōng）上水平，這樣不僅可以（yǐ）保證樣（yàng）品的加工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫（chàn）紋的出現幾率。

(3)刀（dāo）具加工質（zhì）量差或（huò）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（jǐn）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（ān）裝時，刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心(車床中心高)距離相差較大也是（shì）產（chǎn）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（jué）定了樣品的（de）加工質（zhì）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（hái）有可能存在加工（gōng）尺寸與設計方案有出入（rù）以及刀具鈍化，這（zhè）些都會（huì）導致顫紋產生。因此（cǐ），在特（tè）殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的（de）專業刀（dāo）具。此外，刀片、刀墊安裝不規範（fàn）、裝夾不緊或是在車削過程中夾（jiá）入（rù）鐵屑，都會導致加工過（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（háng）安裝。在加工過程中，也要定期（qī）檢查刀片、刀墊是否鬆動或是夾入（rù）鐵屑，如有隱患應及時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊（diàn）緊固方式的設（shè）計合理性也是（shì）影（yǐng）響顫紋出現的重要（yào）原因之一，應盡（jìn）量選（xuǎn）擇經驗豐富的專業刀片（piàn）、刀墊製造廠家或使用較為（wéi）成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程中產生顫（chàn）紋的可能性（xìng）。

刀杆（gǎn）安裝不規範、刀（dāo）尖與車床中心高（gāo）距離相差大，會（huì）導致刀具在車（chē）削時的刀（dāo）具角度和理想角度（dù）偏差太大，刀具受力不在最佳（jiā）狀態，從而導致樣品（pǐn）加工過程（chéng）中產生振（zhèn）動，出現顫紋。因（yīn）此，在進行刀具（jù）對刀時，一定要注（zhù）意刀具安裝的角度，避（bì）免刀尖與車床中（zhōng）心高距離相差太大。很多國外的專業刀（dāo）具廠家會配套專（zhuān）用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀（dāo）具一般不配套（tào）對（duì）刀器，在確定刀具安裝（zhuāng）角度時，可用基準刀對拔外皮後實（shí）心棒料進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並留（liú）下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓（yuán）錐台軸線的高（gāo）度上即可最（zuì）終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目（mù）測來判斷刀尖與車床主（zhǔ）軸（zhóu）回轉中心是否（fǒu）共線，因此會存在一定誤差。根據經驗，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（chǎn）生。

(4)加工參數及方式選取不當（dāng）

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響因素，不同的吃刀量、車削速（sù）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（gēn）據加工樣品的鋼（gāng）級、尺寸等情況來定。不同的（de）鋼級、尺寸對應不（bú）同的加工工藝及（jí）加工方式，才能有效降低加工顫紋（wén）出現的幾（jǐ）率。

特殊螺紋接（jiē）頭的螺紋形（xíng）式通常為偏梯螺紋或改良的（de）偏梯螺紋，因此，該螺（luó）紋的（de）車削屬於重車削。王瀟屹（yì）等對油管外螺（luó）紋進（jìn）行（háng）了相同吃（chī）刀量(0.3mm)、不同車（chē）削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當進給速（sù）度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫（chàn）紋；而在（zài）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（gōng）時，應當結合加工樣（yàng）品的鋼級（jí）、尺寸及結構（gòu）情況，摸索出合理的車削速度，以避免產生（shēng）顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增（zēng）加，刀片與樣品的接（jiē）觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成（chéng）時，刀（dāo）片會承受非常大的切削載荷（hé），從而引起刀片出現輕微顫動或崩刀（dāo），產生顫紋，影響螺紋的（de）表麵（miàn）質量。吃刀量（liàng）過（guò）小、轉速（sù）較高時（shí），刀（dāo）具以一定（dìng）進給速度前進（jìn），被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產（chǎn）生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導（dǎo）致加工效（xiào）率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益（yì）。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方式，可以有效改善螺紋的表（biǎo）麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的特（tè）點為各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀（dāo）尖易磨損，但操（cāo）作相對（duì）簡單，牙型（xíng）精度較高，一般適合於小齒形小螺距（jù）的螺紋或（huò）脆性材料（liào）的螺紋（wén）加（jiā）工；側（cè）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（xíng）精度（dù）差（chà），螺紋表麵粗糙度較（jiào）大，易出現顫紋，而且不參與切削一側的刀刃磨（mó）損大；改進（jìn）型側（cè）向進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損大和工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（jiā）工大（dà）螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可采用改進型側向進刀或交（jiāo）互式進刀方式，以實（shí）現單刀刃或雙刀刃切（qiē）削，避（bì）免3個（gè）刀刃同時工作，減小振動出現的（de）機率（lǜ），避免顫紋的發生。

小結

顫紋是（shì）特殊（shū）螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象（xiàng），不僅影響（xiǎng）特殊（shū）螺紋接頭（tóu）的表（biǎo）麵質量，還會導致（zhì）特殊螺紋接頭（tóu）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、加工樣品以及刀具本身的剛性不足是（shì）引起顫紋的主要因素，應當選擇剛（gāng）性高的刀具和車床，同時根據加工管體的實際情況，適當設計或增加一些減振防（fáng）顫的工裝或（huò）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（zhī）一（yī），生（shēng）產廠家應建立相應的試樣（yàng）裝夾、刀（dāo）具安裝的管理文件（jiàn），定期對樣品裝（zhuāng）夾和刀具安裝情況進（jìn）行檢查；

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