數（shù）控車床（chuáng）加工特殊螺紋接頭產生顫紋（wén）的原因及對策

特殊螺紋接頭是針（zhēn）對API螺（luó）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，其結構設計特點決定了它良好的使用性能（néng）和加工精度。隨著我國（guó）石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱（rè）采（cǎi）井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及質（zhì）量控（kòng）製要求越（yuè）來越（yuè）高（gāo）。目前，國內生產特殊螺（luó）紋接頭的廠家大部分都采用（yòng）進口高（gāo）精度數控車床，就是為（wéi）了更好地控製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊螺紋（wén）接頭加工過程中常（cháng）見的加工缺陷，直接影響到（dào）特殊螺紋接頭的使（shǐ）用性能和產品質（zhì）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（wén）接頭加工過程（chéng）中顫紋產生的原（yuán）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（cān）考。

1 顫紋產（chǎn）生的原因

(1)加工試樣、刀具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。特殊螺紋加工的螺紋成（chéng）型麵是經過連續加工獲得（dé）的，理論上會保持較好的加工表麵（miàn）光潔度，而不會像普通車削加工那（nà）樣受進給量（liàng）的影響。但如果加工剛性較差的薄壁管或（huò）者刀具、車床（chuáng）剛性不足，就會在加工過程中發（fā）生振動，從而在螺紋（wén）加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的（de）薄壁管（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、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、管頭擺動造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可（kě）根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和（hé）輥道上的浮動支（zhī）撐輥(見圖2)，這樣可以更（gèng）有效地降低顫（chàn）紋（wén）的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因（yīn）此刀具會（huì）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（jì）時（shí）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（hé）理的刀具設計（jì）方案，特（tè）別是設計內螺紋刀杆（gǎn）時，應注意刀杆直徑和懸出長度的關係。一（yī）般懸出長度控製在刀（dāo）杆（gǎn）直（zhí）徑的1.5-2倍為宜，如果需要加（jiā）工內孔小且長的內螺紋（wén）時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工孔小行程長的內螺紋專門設計的，一般懸出長（zhǎng）度控製在刀杆直徑的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（chóng）車削的數控車床（chuáng）。剛性好的車床可以更（gèng）有效地控（kòng）製特殊（shū）螺紋接（jiē）頭加工的質量，防止加工過程中（zhōng）出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方（fāng）式不合理

除了車床、刀具（jù）以及管體本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也（yě）是導致顫紋出現的（de）主要原因，例如夾持壓（yā）力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺（luó）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（jiá）緊時有（yǒu）較大的不均勻彈性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開（kāi）後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差（chà）時，會在原本過盈的地方產生間隙或更（gèng）大的過盈量，使特（tè）殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工試樣的外表麵完美貼合，勢（shì）必會影響夾持的（de）穩定性。當夾持穩定性降低（dī）到一定程度時（shí），便會在加工（gōng）過程（chéng）出現樣品移動，產生顫（chàn）紋。

油套管螺紋的（de）加工是一個長期總結經驗的過程（chéng），其加工時的夾（jiá）持壓（yā）力就是一個重要的數據經驗積累，主要根據加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長（zhǎng）期摸索總結而來。合理的夾持壓（yā）力（lì）可以消除樣品（pǐn）在加工過程中的移動，同時把樣品變形控製在（zài）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（tóng）樣，卡爪的設計也要結合需要加（jiā）工樣品的尺寸、鋼級（jí）並結合車床的特（tè）點專門設（shè）計（jì）。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵（miàn）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（yǒu）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（jun1），使（shǐ）樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧（hú）包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳（jiā），但加工時相對容易出現異動，產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作（zuò）麵應當設計成平頂齒狀或設置多個（gè）凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹（pǐ）配，最（zuì）好（hǎo）在加工前根據加工樣品（pǐn）的外徑尺寸（cùn），進行圓弧包爪的工作（zuò）表麵的鏜車，以避免圓弧直徑相差太大而（ér）在加工中發生樣品移動、產生顫（chàn）紋。還需注意包裹角度的設（shè）計，太小可能會導致夾持力不足，太大則會造成裝夾（jiá）過程中卡爪之（zhī）間的（de）相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產（chǎn）生顫紋。因此，在特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（jiǎo）度應達到整個（gè）樣品圓周的中上水平，這樣不僅（jǐn）可以保證樣品的加工（gōng）尺寸，同（tóng）時還能有效降低加工（gōng）過程中顫（chàn）紋的出現幾（jǐ）率。

(3)刀具加（jiā）工質量（liàng）差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊（qí）、誤差大或緊固裝置設計不合理以（yǐ）及（jí）不規範安裝（zhuāng）都會導致樣品加工時產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖（jiān）與車床（chuáng）主軸回轉中（zhōng）心(車床中（zhōng）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（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（néng）很好地相（xiàng）互配合，會產生間隙，還有可能存在（zài）加工（gōng）尺（chǐ）寸與設計方案有出入（rù）以及刀（dāo）具鈍化，這些都會導致顫紋產（chǎn）生。因此，在特殊螺紋（wén）接頭加工時，應選擇質量可靠（kào）的專業刀具。此外（wài），刀（dāo）片（piàn）、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或（huò）是在車削過程中夾入（rù）鐵（tiě）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，應按照操作規範（fàn）進行安裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊（diàn）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、刀墊緊固方式的設（shè）計合理性也是影響顫紋出現的重要原因之一，應盡量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或使用較（jiào）為成熟的刀片、刀墊緊（jǐn）固設計方（fāng）案，以降低加工過（guò）程中產生顫紋的可能性。

刀杆（gǎn）安裝不規範、刀尖與車床中心高（gāo）距離相差（chà）大，會導致刀具在車削時的刀具角度和（hé）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（guò）程中產生（shēng）振動，出現（xiàn）顫紋。因（yīn）此，在進行刀具對刀時（shí），一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心（xīn）高距離相差太大。很多國外的專業刀具廠家會配套專用（yòng）的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不配套對刀器，在確定刀具（jù）安裝角度時，可用基準刀對拔外皮後實心棒料（liào）進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的（de）高度上即可最終確定刀具安裝角（jiǎo）度(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀（dāo）尖與車床主軸回轉中心是（shì）否共線，因此會存在（zài）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（de）產生。

(4)加工參數及（jí）方式選取不當

特（tè）殊螺紋接頭的加工工藝是決定特殊螺紋接頭質量的重要影響因素，不（bú）同（tóng）的吃刀量、車削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（gōng）樣品的鋼級、尺寸等情況（kuàng）來定（dìng）。不同（tóng）的鋼級、尺（chǐ）寸（cùn）對（duì）應不（bú）同的（de）加工工藝及加工方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾（jǐ）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削。王瀟屹等對油管（guǎn）外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發（fā）現：當進給速度過快(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（zài）進行特殊螺紋接頭加工時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構（gòu）情況，摸索出合理的車削速度，以避免產生顫紋。另外，合（hé）理的吃刀量分（fèn）配也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋的產生（shēng）幾率。吃刀量太大時，刀具受到（dào）的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片（piàn）與樣品（pǐn）的接觸麵積（jī）逐漸增大，螺紋（wén）車削（xuē）即將完成時，刀片會承受（shòu）非常大的切削載荷，從而（ér）引起刀片出現（xiàn）輕微顫（chàn）動或（huò）崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表麵質（zhì）量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以（yǐ）一定進給速度前進，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，同時吃刀量太小也會導致加工效率大幅降（jiàng）低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生（shēng）的（de）辦法

選擇合理的車削方式，可以有效改善螺紋的表麵（miàn）質量並提高刀（dāo）具的（de）使用壽（shòu）命。圖5為螺紋（wén）車削常見（jiàn）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，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨（mó）損，但操作相對簡單，牙（yá）型精度較高，一般適合於（yú）小（xiǎo）齒形小螺距的螺（luó）紋（wén）或脆（cuì）性（xìng）材料的（de）螺（luó）紋加工；側向進刀的特點（diǎn）是不易紮刀，單刃切（qiē）削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較大，牙型精（jīng）度差（chà），螺（luó）紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與（yǔ）切削一側的（de）刀刃磨損大（dà）；改進型側向進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損大和（hé）工件表（biǎo）麵粗糙度大（dà）的問題；交互（hù）式進刀切（qiē）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（tè）殊螺紋的車削，可采用改進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，避免3個刀刃同時工作，減小振動出現（xiàn）的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存在（zài）的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的（de）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（bì）免顫紋的產（chǎn）生。

(1)車床、加工樣品以及刀具本身的（de）剛性不足是引起顫紋的主（zhǔ）要因素（sù），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，適當設計或增加一些減振防顫（chàn）的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規（guī）範、刀具安裝（zhuāng）不合理也是引起顫紋的因素之（zhī）一，生（shēng）產廠家應建立相（xiàng）應的試樣裝夾、刀具（jù）安裝的管理文件（jiàn），定期對樣（yàng）品裝夾（jiá）和刀具安裝情況進行檢（jiǎn）查；

(3)根據加工樣品（pǐn）的鋼級、尺寸（cùn）等情（qíng）況，製定合理的加工工藝參數及加（jiā）工方式，有效控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產生（shēng）。