數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對策

特（tè）殊（shū）螺紋接頭是針（zhēn）對API螺紋接頭密封（fēng）性能差、上扣控製（zhì）難、接頭應力水平高等不足而專門設計的具（jù）有可靠連（lián）接強度和良好密封性（xìng）能的專用油套管接頭（tóu），其結構設計特點決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我（wǒ）國（guó）石油勘探水平不斷提高（gāo），深井（jǐng）、超（chāo）深井、熱采井以及高溫（wēn）高壓氣井的數量逐年（nián）增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量（liàng）控製要求越來越高。目前（qián），國內生（shēng）產特（tè）殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精（jīng）度（dù）數控車床，就是（shì）為了更好地控製特殊螺紋接頭（tóu）的產品質量（liàng）。

顫紋（wén）是特殊螺紋接頭加工過程中常見的加工缺陷（xiàn），直接影響到特殊螺紋接頭（tóu）的使用（yòng）性能和（hé）產品（pǐn）質量。本（běn）文結合特殊螺（luó）紋接頭的加工（gōng）特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產生的原因及對策，為特（tè）殊（shū）螺紋接頭的生產質量控製提供了一定參考。

1 顫紋產生的原（yuán）因（yīn）

(1)加（jiā）工試樣、刀（dāo）具或車（chē）床本身剛性不足（zú）

特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺（luó）紋車削階段。特殊螺紋加（jiā）工的螺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潔度，而不會像普通（tōng）車（chē）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管（guǎn）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（ér）在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄（báo）壁（bì）管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計長度、車床的加工特點和刀（dāo）具裝夾方式，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（wài）螺紋加（jiā）工時，可根據管體（tǐ）幾何尺寸，設計管體內支撐和（hé）輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避免（miǎn）加工過程（chéng）中產生（shēng）顫（chàn）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（gòu）設計特點（diǎn），製定合理的刀具設計方案（àn），特別是設計內螺紋（wén）刀杆時，應注（zhù）意刀杆直徑和懸出（chū）長度的關係。一般懸出長度控製在刀（dāo）杆（gǎn）直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔（kǒng）小且長的內螺紋時，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，一般懸出長度控製在刀杆（gǎn）直（zhí）徑的（de）3-4倍。另外，選擇適（shì）當的刀具材料和熱處理工藝也很重要，合理的（de）刀具材料和（hé）熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性（xìng）。盡量選擇剛性較好（hǎo）、適合重車削的數控車床。剛性好的車床可（kě）以更有效地控製特殊螺紋接頭加（jiā）工的質量，防止加工（gōng）過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝（zhuāng）夾方式不合理

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導致顫紋出現的主（zhǔ）要原因，例如（rú）夾持壓力不合（hé）理或夾具卡（kǎ）爪尺寸（cùn）不合適等都（dōu）會造成顫紋。如果夾（jiá）持壓力過低，在（zài）螺（luó）紋加工過程（chéng）中（zhōng），試樣會發生位置移動（dòng），導致顫紋產生（shēng）；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的（de）不均勻彈性變形，盡管（guǎn）切削時接頭內（nèi）壁可以被車成正圓孔，但鬆開（kāi）後，接頭彈性（xìng）恢複，導致樣品橢圓度超（chāo）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（yuán）度超差時，會在原本（běn）過盈的地方產（chǎn）生間隙或更大的過盈量，使特（tè）殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不（bú）合適，不能與加工試樣的外表麵完美貼合（hé），勢必會影響夾（jiá）持的穩定性。當夾持穩（wěn）定性降（jiàng）低到一定程度（dù）時，便會在加工過（guò）程出現（xiàn）樣品移動（dòng），產生顫紋。

油套管螺紋的（de）加工是一（yī）個長期總（zǒng）結經驗的過程，其加（jiā）工時的夾持壓力就是一個重要（yào）的數據經驗積（jī）累，主要根據（jù）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（lǐ）的夾持壓力可以消除樣（yàng）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（dù）。

同樣，卡爪的設計也要（yào）結合需要加工樣品的（de）尺寸、鋼級並（bìng）結合車床（chuáng）的特點專門設計。目前，常見的有平麵卡爪和（hé）圓弧包爪。平麵卡爪的夾持（chí）形式為點線接觸，這種夾持方式接觸麵（miàn）積小，可以有效增（zēng）加卡爪和樣品表麵之間的夾持力，防止加工樣品的移（yí）動，但會導致樣品受力不均，使樣品加工後的（de）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（gōng）時接觸麵積大，受力均勻，加工後的（de）樣（yàng）品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異（yì）動（dòng），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（chù）的工作麵應當設計成平頂齒狀或（huò）設置多個（gè）凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時（shí），圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣（yàng）品外徑相匹配，最好在加工前根（gēn）據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作（zuò）表麵的鏜車（chē），以避免圓弧直徑相差太大（dà）而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還（hái）需注意包裹角（jiǎo）度的設計，太小可能會導致夾持力不足，太大則會造成裝夾過（guò）程中卡爪（zhǎo）之間的相互幹（gàn）涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的（de）加工過程中，盡量選擇與加工樣（yàng）品外徑匹配的大摩擦力圓弧包（bāo）爪，包裹角度應達到整個樣品圓周（zhōu）的中上水平，這（zhè）樣不僅可以保證（zhèng）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（chū）現幾率。

(3)刀具加工質量差（chà）或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤差（chà）大或緊固裝（zhuāng）置設計不合理（lǐ）以及不規範安裝都（dōu）會導致樣品加工時產生顫紋。同時，刀（dāo）杆安裝時，刀尖（jiān）與車床主軸回轉中心(車床中心高)距（jù）離相差較大也是產生（shēng）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了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後（hòu），不能很好地相互配合，會產生間隙（xì），還有（yǒu）可能（néng）存在加工尺寸與設計方案有（yǒu）出入以及刀具鈍化，這些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接（jiē）頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規（guī）範、裝夾不緊或是（shì）在車削過程中夾入鐵屑，都（dōu）會導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新（xīn）的刀片、刀墊時，應按（àn）照操作規範進行安裝。在加（jiā）工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或是夾（jiá）入鐵屑，如有隱患應（yīng）及時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式（shì）的設計合理性（xìng）也是影響顫紋（wén）出（chū）現的重要原因之（zhī）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（wéi）成熟（shú）的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工（gōng）過程中產生顫（chàn）紋的可能（néng）性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床中心（xīn）高距離相差大，會（huì）導（dǎo）致刀具在車削時的刀具角度（dù）和理想角度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態，從而導致樣品加工過程中產生振動，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外的（de）專業刀具廠家會配套專用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（zài）確定刀具安（ān）裝角度時，可用基準刀（dāo）對拔外皮後實心棒料進行平端麵車（chē）削，找到棒料的圓（yuán）心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整（zhěng）到小圓錐台軸線的高度上即可最終確定刀具安（ān）裝角度(見圖4)。通常是通過（guò）目測來判（pàn）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（chà）。根據經驗，刀尖與車床主（zhǔ）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）及方式選取不當

特（tè）殊螺紋接頭的加工工藝是決定特殊（shū）螺紋接頭質量的重要（yào）影響（xiǎng）因素，不同（tóng）的吃（chī）刀量、車削速度等都會導致樣（yàng）品加工質量（liàng）上的差異。此外，加工（gōng）方式的選（xuǎn）擇也需要根（gēn）據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同（tóng）的加工工藝及加工方式，才能有效降（jiàng）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（liáng）的（de）偏梯（tī）螺紋，因此（cǐ），該螺紋的車削（xuē）屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不（bú）同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研（yán）究發現：當（dāng）進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產（chǎn）生顫（chàn）紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工（gōng）時，螺紋（wén）表麵完好（hǎo）。因此，在進行（háng）特殊螺紋接頭加（jiā）工時，應當結合加工樣（yàng）品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理（lǐ）的（de）車削速度，以避免產生顫紋。另（lìng）外，合理（lǐ）的（de）吃刀量分（fèn）配也（yě）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（xuē）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，螺紋車削即（jí）將完成時，刀片（piàn）會承（chéng）受非（fēi）常（cháng）大的（de）切削載荷，從而引起刀片（piàn）出現輕微（wēi）顫動或崩刀，產生顫紋（wén），影響（xiǎng）螺（luó）紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具（jù）以一定進（jìn）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（chǎn）生顫動，引（yǐn）起顫紋，同時吃刀量太小也會導致加（jiā）工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效（xiào）益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合（hé）理的車削方式，可以有（yǒu）效改善螺（luó）紋的表麵質量並提高刀具的使用壽命（mìng）。圖5為螺紋車削常見進刀方式示（shì）意圖。徑向進刀的特點為各刀刃（rèn）同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙型精度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加（jiā）工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切（qiē）削，排（pái）鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較大，牙（yá）型（xíng）精度差，螺紋表（biǎo）麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切（qiē）削一側的刀刃（rèn）磨損大；改進（jìn）型（xíng）側向進刀則（zé）可避免斜（xié）向進刀刀（dāo）刃磨損大和工件表麵粗糙度大的問題；交互式（shì）進（jìn）刀切（qiē）削時，兩（liǎng）側刀刃（rèn）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，可采用改進型側向進刀（dāo）或（huò）交互式（shì）進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃切（qiē）削，避免3個刀刃同時工作，減（jiǎn）小振動出現（xiàn）的機率，避免顫（chàn）紋的發生。

小結

顫紋（wén）是特殊螺紋（wén）接頭生產（chǎn）加（jiā）工過程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭（tóu）的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加（jiā）工樣品以及刀具本身的剛性不（bú）足是引起顫紋的主要因素，應當（dāng）選擇剛性高的（de）刀具（jù）和車床，同時根據加工管體的實際（jì）情況，適當（dāng）設計或增加一些（xiē）減振防（fáng）顫的工（gōng）裝或工藝；

(2)試樣裝夾（jiá）不規範、刀具安裝不合理也是引起顫（chàn）紋的因素之一，生產（chǎn）廠家應建立相應的試（shì）樣（yàng）裝夾、刀具安裝的管理文件，定期（qī）對樣品裝夾和刀（dāo）具安裝情況進（jìn）行檢（jiǎn）查；

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