數控車床加工特殊螺（luó）紋接頭產生顫紋的原因及對策

特殊螺紋（wén）接（jiē）頭是針對（duì）API螺紋接頭密封性能差（chà）、上扣控製難（nán）、接頭應力水（shuǐ）平（píng）高等不（bú）足而專門設計的具有可靠連接強度（dù）和良好密封性能的專用油套管接頭，其結構設計特（tè）點決定了它良（liáng）好的使用性能和（hé）加工精（jīng）度。隨著我國石（shí）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（jǐng）的（de）數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來（lái）越高。目前（qián），國內生產（chǎn）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特殊螺（luó）紋（wén）接頭的產品質量。

顫（chàn）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使用性能和產品質（zhì）量（liàng）。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點，總（zǒng）結了特殊螺紋接頭加工（gōng）過程中顫紋產生的原因及對策，為特殊螺紋接頭（tóu）的（de）生產質量控製提供（gòng）了一定參考。

1 顫紋產生的（de）原因

(1)加工試（shì）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（jiē）段。特殊螺（luó）紋加（jiā）工的螺紋成型麵是經過連（lián）續（xù）加（jiā）工獲得的（de），理論上會保持較好的（de）加工表麵（miàn）光潔度，而不會像普通車削加工（gōng）那樣受進給量的影響。但如果（guǒ）加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車（chē）床剛性不足，就會在加工過程中發生振動（dòng），從而在螺紋（wén）加工表麵產生（shēng）顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工（gōng）時，為避免加工顫紋的產（chǎn）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（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（dòng）造成（chéng）加工顫紋的產生。此外，在進行外螺（luó）紋加工時，可（kě）根據管體幾（jǐ）何尺寸，設（shè）計管體內支撐（chēng）和（hé）輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣（yàng）可以更有效地降低（dī）顫紋（wén）的產生。

特殊螺（luó）紋加工時的進給量遠大於普通車削（xuē），因此刀具會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（qiú）在（zài）設計時根據加工管體的材料和特（tè）殊螺紋接（jiē）頭的結（jié）構設計特點（diǎn），製定合理（lǐ）的刀具設計方案，特（tè）別是設計內螺紋刀（dāo）杆（gǎn）時，應注意刀杆直徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直（zhí）徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的內螺紋時，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（gōng）孔小行程長（zhǎng）的內螺紋專門設（shè）計的，一般懸出長度控製在（zài）刀杆直徑的3-4倍。另（lìng）外，選擇適當的刀具材料和熱處理（lǐ）工藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工（gōng）藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性（xìng）較好、適合重車（chē）削的數控車床。剛性好的車床可以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質（zhì）量，防（fáng）止加工過程中出現（xiàn）顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除了（le）車床、刀具以及管體本身的剛性不（bú）足，加工試（shì）樣的裝夾方式也是（shì）導（dǎo）致顫紋（wén）出現（xiàn）的主要原因，例如夾持壓（yā）力不合理或（huò）夾具卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋（wén）。如果夾持壓力過低，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（lì）過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻（yún）彈性變形，盡（jìn）管切削時接頭內壁可（kě）以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導（dǎo）致（zhì）樣（yàng）品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的（de）密封性能（néng）主要靠金屬過盈來實現，當（dāng）橢圓度超差（chà）時，會在原本過（guò）盈的地方產生間隙或更大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄漏或（huò）發生（shēng）粘扣。此外，卡爪尺寸不合適（shì），不能與加工試樣的外表麵完美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾（jiá）持（chí）穩定性降低（dī）到一定程度時，便會在加工過程出現樣品移動，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，其加（jiā）工時的（de）夾持壓力（lì）就是一個重要的數據經驗（yàn）積累，主要根據加工樣品的尺寸（cùn）、鋼級以及車床本身的特點長期摸索總結而（ér）來。合理的（de）夾持壓力可以消除樣品（pǐn）在加工過程中的移動，同時把（bǎ）樣品變（biàn）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（tè）殊螺紋（wén）的（de）橢圓（yuán）度。

同（tóng）樣，卡（kǎ）爪的（de）設計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼（gāng）級並結合車床的特點專門設計。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。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（dǎo）致樣品受力不均，使樣（yàng）品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接（jiē）觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品尺（chǐ）寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異動，產生顫紋（wén）。因（yīn）此，在（zài）加工特殊螺紋接頭時（shí），應盡量（liàng）選擇圓弧包爪（zhǎo），且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成平（píng）頂齒狀或設（shè）置多個凹槽(見圖3)，以增加其（qí）摩擦力（lì）。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配，最好（hǎo）在加工前根據加工（gōng）樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表麵的鏜車，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（zhù）意包裹（guǒ）角度的設計，太小可能會導致夾持力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之（zhī）間的相互幹涉（shè），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（xuǎn）擇與加工樣品外（wài）徑匹配的大（dà）摩擦力圓弧包爪，包裹角度應（yīng）達到整（zhěng）個（gè）樣品圓周的中上水平，這樣不僅可（kě）以保證樣品的加工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或（huò）安裝不規（guī）範

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤（wù）差大或緊固裝置設計不合（hé）理以及不規範安裝（zhuāng）都會導致樣品加（jiā）工（gōng）時（shí）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)距離相差較大也是（shì）產（chǎn）生顫紋的重（chóng）要（yào）原因之一。

刀片、刀墊以及相（xiàng）關配件的質量情況直接決（jué）定了樣品的加工質量，質量差的（de）刀片、刀（dāo）墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互（hù）配合，會產生間隙，還有可能存在加工尺寸與設計方案有出入（rù）以及刀（dāo）具（jù）鈍化，這些都會導致顫紋產生。因此，在特殊（shū）螺紋接頭加工時（shí），應（yīng）選擇（zé）質量（liàng）可靠的專業刀（dāo）具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或是在（zài）車削過程中夾入鐵屑，都會（huì）導致（zhì）加（jiā）工過程中顫紋的出現（xiàn）。因此，安裝新（xīn）的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片、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（piàn）、刀墊緊固方式的（de）設計合理性也是影響顫紋出現的重要原因之一，應盡量（liàng）選擇經驗豐富的專業（yè）刀（dāo）片、刀（dāo）墊製造（zào）廠家或使用較為成熟的（de）刀片、刀墊緊固設計（jì）方案，以降低加工過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範（fàn）、刀（dāo）尖與車床（chuáng）中心高距離相差大，會導（dǎo）致刀（dāo）具在車削時的刀具（jù）角度和理想角度偏差太（tài）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（xiàn）顫紋。因（yīn）此，在進行刀具對刀時，一定要（yào）注意刀具安裝的角（jiǎo）度，避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外（wài）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度。國產刀具一般不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可（kě）用基準刀（dāo）對拔外皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料（liào）的（de）圓心，並留下一個小（xiǎo）圓錐台，將需要安裝的（de）刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的高度上即可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目測（cè）來判斷刀尖與車床（chuáng）主軸回轉中心是否共線，因此會存在一（yī）定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉（zhuǎn）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（shì）選取不當

特殊螺（luó）紋（wén）接頭的加工工藝是決定特殊螺紋接頭（tóu）質量的重要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等都（dōu）會（huì）導致（zhì）樣（yàng）品加工質量上的差異。此外，加工方式的選（xuǎn）擇也需要根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的（de）鋼級、尺寸對應不同的加工（gōng）工藝及加工方式，才能有（yǒu）效降低加工顫紋出現的幾（jǐ）率。

特殊螺（luó）紋接頭的螺紋形式（shì）通常為（wéi）偏梯（tī）螺紋或改良的（de）偏梯螺紋，因此，該螺紋的車（chē）削屬於重車削。王瀟屹等對油管外（wài）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（de）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顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表（biǎo）麵完好。因此（cǐ），在進行特殊螺（luó）紋接頭加工時，應當結合加工樣品（pǐn）的鋼級、尺寸及結構情況，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（liàng）分配也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋的產生幾（jǐ）率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加（jiā），刀片與樣（yàng）品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時（shí），刀片會承受非常大的切削（xuē）載荷，從而引起刀（dāo）片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋（wén），影響螺紋的表麵質量。吃刀量（liàng）過（guò）小、轉速較高時，刀具以一定進給速度前進，被車削的試樣無法（fǎ）緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇（zé）合理的（de）車削方式，可以有效改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常（cháng）見進刀方（fāng）式示（shì）意圖。徑向進刀的（de）特（tè）點（diǎn）為各刀刃同時工作，排屑（xiè）困難，切（qiē）削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但（dàn）操作相對簡單，牙型精度較高，一般適合於（yú）小齒形小螺距（jù）的螺紋或脆性材（cái）料的螺紋加工；側向（xiàng）進（jìn）刀的特點是不易紮（zhā）刀，單刃（rèn）切削，排鐵屑順暢，切（qiē）削力較小，但背吃（chī）刀量較大，牙型精度差（chà），螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且（qiě）不參與切削一側的刀刃磨（mó）損大；改進型側向進（jìn）刀則可避（bì）免斜向進刀刀刃磨損（sǔn）大和工件（jiàn）表麵（miàn）粗糙度大（dà）的問題；交互（hù）式（shì）進刀切削時，兩側刀（dāo）刃磨損均勻，較適用於加工（gōng）大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可（kě）采用（yòng）改進型側向進刀或交互（hù）式進刀方式，以實現單刀刃（rèn）或雙刀刃切削，避免3個刀刃同時（shí）工作，減小振動出現的機（jī）率，避免顫紋的發生。

小結（jié）

顫紋是特殊螺紋接頭（tóu）生產加工過程中（zhōng）普遍（biàn）存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表麵質量，還會導致特（tè）殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過（guò）程中應避免顫紋的（de）產生。

(1)車床、加工樣品以及刀具本身的剛性（xìng）不足（zú）是引起顫紋（wén）的主要因素，應當選擇剛性高的刀（dāo）具和車床，同時根據加工管體的實際情況，適當設計或增（zēng）加（jiā）一些減振防顫的工裝（zhuāng）或工藝；

(2)試樣（yàng）裝夾不規範、刀（dāo）具安裝不合理也（yě）是引起顫紋的因素之一，生產廠家（jiā）應建立相應的試樣裝夾、刀具（jù）安裝（zhuāng）的管理文件，定期對（duì）樣品（pǐn）裝夾和刀具安裝情（qíng）況進（jìn）行檢查；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等（děng）情況，製定合理的加工工藝參數及（jí）加（jiā）工方式，有效控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產（chǎn）生。