​數控車床加工特殊螺紋接頭產（chǎn）生顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭（tóu）是針（zhēn）對API螺紋（wén）接頭（tóu）密封性能差、上扣控製難、接頭（tóu）應力水平高等不足而（ér）專門設計的具有可靠連（lián）接強度（dù）和良好密封性能的專用油套管接頭，其結構設計特點決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我（wǒ）國石油勘探水（shuǐ）平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增（zēng）加，對特殊（shū）螺（luó）紋（wén）接頭（tóu）的性能及質量控（kòng）製要求越來越高。目前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口（kǒu）高精度數控車床，就是為了更好地控製特殊螺紋接頭的產品（pǐn）質量。

顫（chàn）紋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（wén）接頭的使用性能和產品（pǐn）質量。本文（wén）結合特殊螺紋接頭的加（jiā）工特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫（chàn）紋產生的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產質量控製提供了一定參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不（bú）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（jiā）工的螺紋（wén）成型麵是經過（guò）連續加工獲得的，理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車削加（jiā）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，從而（ér）在螺紋加工表麵產生顫（chàn）紋。

在剛性較差的薄壁管體（tǐ）上進行螺紋加工時（shí），為避免加工顫紋的（de）產生，可以根據螺紋（wén）的設計長度、車床（chuáng）的加工特點和刀具裝夾（jiá）方式，確定合理的管體懸（xuán）出（chū）長度(見圖1)，以避免管體懸出（chū）過長、管頭擺動造成加工（gōng）顫（chàn）紋（wén）的產生（shēng）。此外，在進行外螺紋加工時（shí），可（kě）根據管（guǎn）體（tǐ）幾何尺寸，設計管體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。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通（tōng）車削，因此（cǐ）刀具會承受非常大（dà）的車削力。為有效避免加工過程（chéng）中產生顫紋，要求在設計時根據加工（gōng）管體的材料（liào）和特殊螺紋接頭的結構設計特點，製定合理的（de）刀具設（shè）計方案，特別（bié）是設計內螺紋刀杆時，應注意刀（dāo）杆直徑和懸出長（zhǎng）度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑（jìng）的1.5-2倍為宜，如果（guǒ）需要加工內孔小且長的內（nèi）螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家（jiā）生產的專用防振刀杆。這（zhè）些刀杆是為了解決加工孔小（xiǎo）行程長的內（nèi）螺紋專門設計的，一般懸出長度控製（zhì）在刀杆直（zhí）徑的3-4倍。另外，選擇適當（dāng）的刀具材料和熱處理（lǐ）工藝也很重要，合理（lǐ）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（shì）合重車削的數控車床。剛性好的車床可以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質量（liàng），防（fáng）止加工（gōng）過程中出（chū）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是導致（zhì）顫紋出現的主要原（yuán）因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等（děng）都會造成顫紋。如果夾持壓力過（guò）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（yā）力（lì）過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡管（guǎn）切（qiē）削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣品（pǐn）橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要（yào）靠金屬過盈來（lái）實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地方產生間隙或更大的過盈（yíng）量，使特殊螺紋接（jiē）頭泄漏或（huò）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（wán）美貼（tiē）合，勢必會影響夾持的穩定性（xìng）。當夾持穩（wěn）定性降低到一定程度（dù）時，便會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的加工是一個長期總結經驗的（de）過程（chéng），其加工時的（de）夾持壓力就是一個（gè）重要（yào）的數（shù）據經驗積累（lèi），主要根據加工樣品的尺寸、鋼級（jí）以及車床本身的特點長期摸索總（zǒng）結而來。合理的（de）夾持壓力可以消（xiāo）除樣品在加工過程中的（de）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（kě）以保證（zhèng）特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特（tè）點專門設計。目前（qián），常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形式（shì）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（jiān）的夾持力，防止（zhǐ）加工樣品的（de）移動，但（dàn）會導致樣品受力不均，使樣（yàng）品加工後（hòu）的尺寸或橢（tuǒ）圓（yuán）度超差（chà）。圓（yuán）弧包爪夾持方式的（de）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（pǐn）尺寸好（hǎo），橢圓度佳（jiā），但加（jiā）工時相對容易出現異動，產（chǎn）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（gōng）作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩（mó）擦力。同時，圓弧包（bāo）爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑（jìng）相（xiàng）匹配，最好在加工前根據加（jiā）工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表（biǎo）麵（miàn）的鏜（táng）車，以避免（miǎn）圓弧直徑（jìng）相差太大而在加工（gōng）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（bú）足（zú），太大則會造成裝夾（jiá）過程中（zhōng）卡（kǎ）爪之間的相互幹涉，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，盡量選擇與加工樣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的中上水平，這樣不僅可以保證樣品（pǐn）的加（jiā）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（zhuāng）不規範

刀（dāo）片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤差大（dà）或緊固裝置（zhì）設計不合理以及不規範安裝都會導（dǎo）致樣品加工（gōng）時產生顫紋。同時，刀（dāo）杆安（ān）裝時，刀尖與車（chē）床主軸回轉中心(車床中心高)距離相（xiàng）差較大也是產生顫紋的重要原（yuán）因之一。

刀片、刀墊以（yǐ）及相關（guān）配件的質量情況直（zhí）接決（jué）定了樣品的加工質量，質量差（chà）的刀片、刀（dāo）墊安裝在刀杆上後，不能（néng）很好地相互配合，會產生間隙，還有可能存在（zài）加（jiā）工尺寸與設計方案（àn）有出入以及刀具鈍化，這些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠（kào）的專業刀具。此外（wài），刀片、刀墊安裝不規範（fàn）、裝夾不緊（jǐn）或是在車削過（guò）程中夾入鐵屑（xiè），都會導致加工過程中顫紋的出（chū）現。因此，安裝新的（de）刀片（piàn）、刀墊時，應按照操作（zuò）規（guī）範進（jìn）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鐵屑，如有（yǒu）隱患應及時處理，以防（fáng）止產生顫紋。刀片（piàn）、刀墊緊固（gù）方式的（de）設計合理性也是影響顫紋（wén）出現的重要原因之一，應盡量選擇（zé）經驗豐富的專業刀（dāo）片、刀墊製造廠家或使用較為成熟的（de）刀片（piàn）、刀（dāo）墊緊固設（shè）計方案，以降低（dī）加工過程中產生顫紋的可能（néng）性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床（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（dù）偏差太大，刀具受力不在最佳狀（zhuàng）態，從而導致樣品加工過程中產生振動（dòng），出現顫（chàn）紋。因此（cǐ），在進行刀具對刀時，一定要注（zhù）意刀（dāo）具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離相（xiàng）差太大（dà）。很多國外的專（zhuān）業刀（dāo）具廠家會配套專用的對刀器來確定刀具的（de）安裝角（jiǎo）度。國產刀（dāo）具一般不配（pèi）套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基（jī）準（zhǔn）刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下一個小圓錐台，將需（xū）要安裝的刀具刀（dāo）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)。通常是通過目測來判斷（duàn）刀（dāo）尖與車床主軸回轉中心是否共線，因此會存（cún）在一定誤差。根（gēn）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（yǒu）效減少加（jiā）工顫紋的產（chǎn）生。

(4)加工參數及方（fāng）式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是（shì）決定特殊螺紋接頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量（liàng）、車削速度（dù）等都（dōu）會導致樣品加工質（zhì）量上的差異。此外（wài），加工方式的選擇也需要根據加（jiā）工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級（jí）、尺寸對應（yīng）不同的加工工藝及加工方式，才能有效（xiào）降低（dī）加（jiā）工顫紋出（chū）現的幾率（lǜ）。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏（piān）梯螺（luó）紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車（chē）削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了（le）相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現（xiàn）：當進（jìn）給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺（luó）紋表麵都會產生顫紋；而在中（zhōng）間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在進行特殊螺（luó）紋接頭加工時（shí），應（yīng）當結合加工樣品的（de）鋼級、尺寸及結（jié）構情況，摸索出合（hé）理的（de）車削（xuē）速度，以避免產生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也（yě）可（kě）大幅降低螺紋車削過程中顫（chàn）紋的產生幾率。吃刀（dāo）量太大時（shí），刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的（de）增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸（jiàn）增大，螺紋車削即將完成時（shí），刀片會承受非常大的切削載（zǎi）荷，從而引起刀片出現輕（qīng）微顫（chàn）動或（huò）崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速（sù）較（jiào）高（gāo）時，刀具以一定進給速度（dù）前進，被車削（xuē）的試樣無法緊壓住刀片，導（dǎo）致刀片在車削過程（chéng）中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導（dǎo）致（zhì）加工效率大幅（fú）降低，影響製造廠家（jiā）的經濟效益。

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（shàn）螺（luó）紋的表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（fāng）式示意圖。徑向進刀的特點為各（gè）刀刃（rèn）同時工作，排屑困難，切削（xuē）力較大，容易（yì）紮刀、振動、刀（dāo）尖易磨損，但操作（zuò）相對簡單，牙型精（jīng）度（dù）較高（gāo），一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切削力（lì）較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表（biǎo）麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切削一側的（de）刀刃磨損大；改（gǎi）進型側向進刀則可避免（miǎn）斜向進刀刀刃磨損大和工（gōng）件表麵粗糙（cāo）度大的問題；交互式進刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工（gōng）大螺距螺（luó）紋。因此，對（duì）於特（tè）殊螺紋的車削，可采用改進型側向進刀或（huò）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（jiǎn）小振動出現的機率，避免顫紋（wén）的發（fā）生。

小結（jié）

顫（chàn）紋是特殊螺（luó）紋接頭生（shēng）產加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表（biǎo）麵質量，還會導致特殊螺（luó）紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應（yīng）避免顫紋的產（chǎn）生（shēng）。

(1)車床、加工樣（yàng）品以及刀具本身的剛性不足（zú）是引起顫紋的主要因素，應當選擇剛性高的刀具和（hé）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的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾（jiá）不規範、刀具（jù）安裝不合理也是引起顫紋的因素之一，生產廠家（jiā）應建（jiàn）立相應的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定期（qī）對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；

(3)根據加工樣品的（de）鋼級、尺寸等（děng）情（qíng）況，製定合理（lǐ）的加工（gōng）工藝參（cān）數及加工方式，有效控製特殊螺紋接頭加工過程（chéng）中顫紋的產生。