​數控車床加工（gōng）特殊螺紋接頭產生顫紋的原因

特殊螺紋（wén）接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控製難、接頭應（yīng）力水平高等不足而專門設計的具有可靠（kào）連接（jiē）強度和良好密封性（xìng）能的專用油套管接（jiē）頭，其結構（gòu）設計特點決定（dìng）了它良好的使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探（tàn）水平不斷提（tí）高，深井、超（chāo）深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋（wén）接頭的性（xìng）能及質（zhì）量控製要求越來越高。目（mù）前，國內生產特殊螺（luó）紋接頭的廠家大部分都采用進口高精（jīng）度數控車床，就是為了（le）更好地（dì）控製特殊螺紋接頭的產（chǎn）品質量。

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

1 顫紋（wén）產生的原因（yīn）

(1)加工試樣、刀（dāo）具或車床本身剛性不足

特殊（shū）螺紋接頭加工過程中（zhōng），顫紋常見於螺紋車（chē）削階段。特殊（shū）螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工（gōng）獲得的，理論上（shàng）會（huì）保持（chí）較好的加工表麵光潔度，而不（bú）會（huì）像普通（tōng）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管或者（zhě）刀具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振動，從（cóng）而在螺紋加（jiā）工表麵產生顫紋。

在剛性較（jiào）差的（de）薄壁（bì）管體上進行（háng）螺（luó）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（jù）裝夾方式，確定合理的管體懸（xuán）出長度（dù）(見圖1)，以（yǐ）避免管體懸出過長、管（guǎn）頭擺動造成加工顫紋的產生。此外，在進行（háng）外螺紋加工時，可根據管體幾何尺（chǐ）寸，設計管體內（nèi）支撐和輥道上的（de）浮動支撐輥(見（jiàn）圖2)，這樣可以更（gèng）有效地降（jiàng）低顫紋的產生。

特殊（shū）螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因此刀具會承（chéng）受非常大的車削（xuē）力。為有效避免加工（gōng）過程中產生（shēng）顫紋，要求在設計時根據加工管（guǎn）體的材料和（hé）特殊螺紋接頭的結構設計特（tè）點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長度的（de）關係。一般懸出長（zhǎng）度控製（zhì）在刀杆直徑（jìng）的1.5-2倍為宜，如（rú）果需要加工內孔小且長的內螺紋（wén）時，盡（jìn）量選擇專業刀具廠家生（shēng）產的專用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工孔（kǒng）小行程長的內螺紋專（zhuān）門設計的，一般懸出長度控製在刀（dāo）杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當（dāng）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（zé）剛性較好、適合重車削的數（shù）控車床。剛性（xìng）好的（de）車床可（kě）以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質量（liàng），防止加工（gōng）過程中出現顫（chàn）紋。

(2)加工（gōng）試樣的（de）裝夾方（fāng）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（shì）也是導致顫紋出現的主要原因，例（lì）如夾持壓力不合（hé）理（lǐ）或夾具卡（kǎ）爪尺寸不合適等都（dōu）會造成顫紋。如果夾持壓（yā）力過低（dī），在（zài）螺紋加工過程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產（chǎn）生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈（dàn）性變形，盡（jìn）管切削時接頭內壁（bì）可以被（bèi）車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢（tuǒ）圓度超（chāo）差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠金（jīn）屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地方產生間隙（xì）或更大的過盈量，使特殊螺（luó）紋接頭（tóu）泄漏或發（fā）生粘（zhān）扣。此外，卡爪尺寸（cùn）不合適，不能與加工試（shì）樣的外（wài）表麵完美貼合，勢必會影響（xiǎng）夾（jiá）持的穩定性。當夾（jiá）持穩定性降低到一定程度時，便（biàn）會在加（jiā）工過程出現樣品移動（dòng），產（chǎn）生顫紋。

油套管（guǎn）螺紋的加工是一個（gè）長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓力就是一（yī）個（gè）重要的數據經驗積累，主（zhǔ）要根據加工（gōng）樣品（pǐn）的尺寸、鋼級（jí）以及車床本身的特（tè）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（guò）程中的移動，同時把樣品變形控（kòng）製在彈性範圍內，這（zhè）樣既可以有效消除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢（tuǒ）圓度。

同樣，卡爪的設計也要結（jié）合需要加工樣品的尺寸（cùn）、鋼級並結合車床的特點專門設計。目前，常見的（de）有平麵（miàn）卡爪和圓弧包爪。平麵卡（kǎ）爪的夾（jiá）持形式為點（diǎn）線接觸，這種夾持方式接觸麵積小，可以有效增（zēng）加卡爪和樣品表麵之間的夾持力，防止加工（gōng）樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣（yàng）品加工後的尺寸或橢圓度（dù）超差。圓弧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（yàng）品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容（róng）易出現異動，產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋（wén）接頭時，應盡量選擇圓弧包爪（zhǎo），且包爪與樣品接觸的工作麵應當（dāng）設計成平頂齒（chǐ）狀（zhuàng）或設置多（duō）個凹槽(見圖3)，以增加（jiā）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配（pèi），最好在加工前根據加工樣品的（de）外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓弧直（zhí）徑相差太大而在加工中發生樣品移（yí）動、產（chǎn）生（shēng）顫紋。還需注意包裹（guǒ）角度（dù）的設計，太小可能會導致夾持力不足，太大則會造成裝夾過程中卡（kǎ）爪之間的相互幹涉（shè），導致樣品夾持不緊（jǐn），產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過程中，盡量選擇與加工樣品外（wài）徑匹配的大（dà）摩擦力圓弧包爪（zhǎo），包裹角（jiǎo）度應達到整個樣品圓周（zhōu）的中（zhōng）上水平，這樣不僅可以保證樣品的（de）加工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量（liàng）差或安裝不規範

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

刀片（piàn）、刀墊以及相關配件的質量情況直接決定了樣（yàng）品的加（jiā）工質量（liàng），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，還有可能（néng）存在加工尺寸與設計方案有出入以及（jí）刀具鈍化，這些（xiē）都會導致顫紋產生。因此（cǐ），在特殊（shū）螺紋接頭加工時（shí），應選擇質量可（kě）靠的專業刀具。此外，刀片（piàn）、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或是在車削過程中夾入（rù）鐵屑，都會導致加工過程中顫（chàn）紋的出現（xiàn）。因（yīn）此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在加工過程中，也要定（dìng）期檢（jiǎn）查（chá）刀（dāo）片、刀墊是（shì）否鬆動或是（shì）夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以防（fáng）止產生顫紋。刀片、刀墊緊（jǐn）固方式的設計（jì）合（hé）理性也是影響顫紋出（chū）現的重要原因之一，應盡量（liàng）選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或使用較為成熟的（de）刀片、刀墊緊（jǐn）固設計方案，以（yǐ）降低加工過程中產生顫紋的（de）可能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車（chē）床（chuáng）中心高距離相差大，會導致刀具在車削時的刀具角度和理想角度偏差太大（dà），刀具受力不在最佳狀態，從而（ér）導致樣品加工過程中產生振動，出現顫紋（wén）。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安（ān）裝的角度，避免刀尖與車床中（zhōng）心高距離相差太（tài）大。很多（duō）國外的專業刀具廠家會配套（tào）專用的對（duì）刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不配（pèi）套對刀器，在（zài）確定刀具安裝角度（dù）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（bìng）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高度上即可（kě）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（chuáng）主軸回轉中心是否共線，因此會存（cún）在一定誤差（chà）。根據經驗，刀尖與（yǔ）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)加工參數及方式選取不當

特殊螺（luó）紋接頭（tóu）的加工工藝是決定特殊螺紋接頭質量的重要（yào）影響因素，不同的（de）吃刀量、車削速度等（děng）都會導致樣品加工質量上（shàng）的差異。此外，加工方式的選擇也需要根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定（dìng）。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（chū）現（xiàn）的幾率。

特殊螺紋接頭的螺紋形（xíng）式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺（luó）紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀（dāo）量（liàng）(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的（de）研究發現：當進給速度過快（kuài）(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都（dōu）會產生顫紋；而在中（zhōng）間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好（hǎo）。因此，在進行特殊螺紋接（jiē）頭加工時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理的車（chē）削速（sù）度，以（yǐ）避免（miǎn）產生（shēng）顫紋。另外，合（hé）理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程中（zhōng）顫紋（wén）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（luó）紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸（jiàn）增大（dà），螺紋（wén）車削即將完成（chéng）時，刀片會承受（shòu）非常大的切削載荷，從而引起刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀（dāo）量過小（xiǎo）、轉速較高時，刀具以一定進給速度前進，被車削的（de）試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀（dāo）量（liàng）太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效（xiào）益。

2 避免顫紋產生的辦（bàn）法

選（xuǎn）擇合理的車削方式，可以有效（xiào）改善螺（luó）紋的表（biǎo）麵質（zhì）量並提高刀（dāo）具的使（shǐ）用壽命。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進（jìn）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、刀尖易磨損（sǔn），但操作相對簡單，牙型精度較（jiào）高，一般適合於小齒形（xíng）小（xiǎo）螺距（jù）的螺紋或脆性材（cái）料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單（dān）刃切（qiē）削，排鐵屑（xiè）順暢，切削（xuē）力較（jiào）小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較（jiào）大，易出現顫（chàn）紋，而且不參與切削一側的刀刃磨損大；改進型（xíng）側向進刀則（zé）可避免斜向進刀刀（dāo）刃磨損大和工件（jiàn）表（biǎo）麵粗糙（cāo）度大的問題；交互式進刀切削時，兩（liǎng）側刀刃磨損均勻，較適用於加工大螺（luó）距螺紋。因此，對（duì）於特殊螺（luó）紋的車削，可采用改進（jìn）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（zuò），減小振（zhèn）動出現的機率，避免顫紋的發生（shēng）。

小結

顫紋是特（tè）殊螺紋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（tóu）的表麵質量，還會（huì）導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化（huà），因此，加工過程（chéng）中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加工樣（yàng）品以（yǐ）及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因素，應當選（xuǎn）擇剛性高的刀具和車（chē）床，同時根據加工管體（tǐ）的實際情況，適當設計或增加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不（bú）規（guī）範、刀具安裝不合理也是引起顫紋的因素之一，生產廠（chǎng）家應建立相應（yīng）的試（shì）樣裝夾、刀（dāo）具安裝的管理文（wén）件，定期對樣品裝夾和刀具安裝（zhuāng）情況進行檢（jiǎn）查（chá）；

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