​數控（kòng）車床加工（gōng）特殊（shū）螺紋接頭產生顫紋的（de）原因

特殊螺紋接（jiē）頭是針對API螺紋接（jiē）頭密封（fēng）性能差、上扣控製難、接頭應力水平高等不足而專門（mén）設（shè）計的（de）具有可靠連接強度和良（liáng）好密封性（xìng）能的專用油套（tào）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。隨著我國石油勘探（tàn）水平不斷提高，深井、超深井（jǐng）、熱采井（jǐng）以及高溫（wēn）高（gāo）壓氣井的（de）數量逐年增加，對特殊螺紋（wén）接（jiē）頭的性能及（jí）質量控製（zhì）要求越來越高。目前，國內生產特殊螺紋接（jiē）頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車床，就是為（wéi）了更好地控製特殊螺紋接頭（tóu）的產品質量。

顫紋是特殊螺（luó）紋接（jiē）頭加工過程（chéng）中常見（jiàn）的加工缺陷，直接影響到特（tè）殊螺紋接頭的使用性能和（hé）產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產生的（de）原因（yīn）及對策，為特殊螺紋接頭的生產質量控製提供（gòng）了一定參考。

1 顫紋產生的原（yuán）因

(1)加工（gōng）試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng），顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺紋（wén）加工的螺紋成型麵是經過連續加工（gōng）獲得的，理論上會保持（chí）較好的加工表麵光潔度（dù），而不會像（xiàng）普通車削加工那樣受進（jìn）給量的影響。但（dàn）如果加工剛性較差的（de）薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加（jiā）工（gōng）過程中發生振動，從而在螺紋加（jiā）工表麵（miàn）產生顫紋。

在（zài）剛性較（jiào）差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避（bì）免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計（jì）長度、車床的（de）加工特（tè）點和（hé）刀具（jù）裝夾方式，確（què）定（dìng）合（hé）理的（de）管體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸（xuán）出過長、管（guǎn）頭擺動造成（chéng）加工顫紋（wén）的產（chǎn）生。此外，在進行外螺紋加工時，可根據管（guǎn）體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道上（shàng）的浮動支撐輥(見（jiàn）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（chàn）紋，要求在設計時根據（jù）加工管體的材料（liào）和（hé）特殊螺紋接頭的結構（gòu）設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計內（nèi）螺紋刀杆時，應（yīng）注意刀（dāo）杆（gǎn）直徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控製在刀杆（gǎn）直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加（jiā）工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇（zé）專（zhuān）業刀具廠家生產的專用（yòng）防振刀杆。這（zhè）些刀杆是為了（le）解決加工孔小行程長的內螺（luó）紋專門設計的，一般懸出長度（dù）控製在刀杆直徑的3-4倍。另（lìng）外，選擇適當的刀具材料和熱處（chù）理工藝也很重要，合理的刀（dāo）具材料和熱處理工藝可以有效地保（bǎo）證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車（chē）削的數控車（chē）床。剛性好的車床可以更有效地控製（zhì）特殊螺紋接頭加工的質量，防止加工過程中出（chū）現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

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要（yào）原因，例如（rú）夾持壓力不（bú）合理（lǐ）或夾具卡爪尺寸不合適等都會（huì）造成顫紋。如果夾持壓力過低，在（zài）螺紋加工過（guò）程中，試樣會發（fā）生位置移動，導致顫（chàn）紋產生；如果（guǒ）夾持壓力過（guò）高，接頭毛坯在夾緊時有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（sōng）開後，接頭彈（dàn）性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的（de）密（mì）封性能主（zhǔ）要靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地方產（chǎn）生間隙或更大的過盈量（liàng），使（shǐ）特殊螺（luó）紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合（hé）適，不能與加工試樣的外表麵完美貼合，勢必會影響夾（jiá）持的穩定性。當夾持穩定性降低到一（yī）定程度時，便會在加工過程出現（xiàn）樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的加工是（shì）一個長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓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期（qī）摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣品在加（jiā）工過程中的移動，同時把樣品變形控製在彈性範圍內（nèi），這樣既可以有效消除加工顫紋，還可（kě）以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡（kǎ）爪的設計也（yě）要結合（hé）需要加工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的（de）特點專門設計。目前，常見的有平麵卡（kǎ）爪和圓弧包爪（zhǎo）。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（xiǎo），可以（yǐ）有效增加卡爪和樣品表（biǎo）麵之間（jiān）的夾持力，防止加工樣品的移動，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，但加工時相對容易出現（xiàn）異動（dòng），產生（shēng）顫紋（wén）。因此，在加工特（tè）殊螺紋接頭時（shí），應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂（dǐng）齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓（yuán）弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配（pèi），最（zuì）好在加工前根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免（miǎn）圓弧直徑相差（chà）太大（dà）而（ér）在加工中發生樣品移動（dòng）、產生顫紋（wén）。還需注意包裹（guǒ）角度的（de）設計，太小可能會導致夾持（chí）力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹（gàn）涉，導致樣品（pǐn）夾持不緊（jǐn），產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過（guò）程中，盡（jìn）量選擇與加工樣品外（wài）徑匹配的大摩擦力圓（yuán）弧（hú）包爪，包裹角度應達到整個樣品（pǐn）圓周的（de）中上水（shuǐ）平，這樣不僅可以保證（zhèng）樣品（pǐn）的加工尺寸，同時還能有效降低（dī）加工過（guò）程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工（gōng）質量參差不齊、誤差大或緊固裝置設計不合（hé）理以及不規範安裝都會導致樣品加工時產生顫紋（wén）。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（dà）也是產生顫紋的重要原（yuán）因之一。

刀片、刀墊以（yǐ）及相關配件的質量（liàng）情況直（zhí）接（jiē）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（dì）相互（hù）配（pèi）合，會產生間隙，還有可（kě）能（néng）存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都（dōu）會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應（yīng）選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工（gōng）過程（chéng）中顫（chàn）紋的（de）出現（xiàn）。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在（zài）加工過程中，也要定期檢查（chá）刀（dāo）片、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑（xiè），如有隱患應及時處理，以防止產生顫紋。刀（dāo）片、刀墊緊固方式的設計合理性也是影響顫（chàn）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（dāo）墊製造廠家（jiā）或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程中產生顫紋的可能性。

刀（dāo）杆安裝不規範、刀尖與（yǔ）車床中心高距離相差大，會導致（zhì）刀具在車削時（shí）的（de）刀具角度和理（lǐ）想角度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態，從而導（dǎo）致樣（yàng）品加工過程中產（chǎn）生振動，出現顫紋。因此，在進行刀（dāo）具對刀時，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車（chē）床中心高距離相差太（tài）大。很多國外的專（zhuān）業刀具廠家會配套專用的對刀器來確定刀具的（de）安（ān）裝角度。國產刀具一般不（bú）配套對刀器，在確定刀具安裝角度時（shí），可用基準刀對（duì）拔外（wài）皮後實心（xīn）棒料（liào）進行平端麵車削，找（zhǎo）到棒料的圓（yuán）心，並留下一個（gè）小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台（tái）軸（zhóu）線的高度上即可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通（tōng）過目測來判斷刀尖與（yǔ）車床主（zhǔ）軸回轉中心是否共線，因此會存在一定誤差。根據（jù）經驗，刀尖與車床主軸回（huí）轉中心的距離相差（chà）±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（xuǎn）取不當

特殊螺紋接頭（tóu）的加工（gōng）工藝是決定特殊螺紋接頭質量的重要（yào）影響因素，不同的吃刀量、車削速度（dù）等都（dōu）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（jiā）工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級（jí）、尺寸對應不同（tóng）的加工工藝及加（jiā）工方式，才能有效降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（luó）紋或改良的偏梯螺紋（wén），因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相（xiàng）同吃刀量(0.3mm)、不同（tóng）車（chē）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)或過慢(60m/min)時（shí），在螺紋表麵都會（huì）產生顫紋；而在中間速度（dù）(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在進行特殊螺紋接頭加工時，應當結（jié）合加工樣品的鋼級、尺（chǐ）寸及結構情況，摸索出合理的車削速（sù）度，以避免產生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋的（de）產生幾率。吃刀量太大時，刀具（jù）受到的切（qiē）削阻力大。隨著螺紋（wén）深度的增加，刀片與樣品（pǐn）的接觸麵積逐漸增大（dà），螺紋車削即將完成時，刀片會承受（shòu）非常大的切削載荷，從而引起（qǐ）刀片（piàn）出現（xiàn）輕微顫動或崩刀，產生顫紋（wén），影響螺紋的表麵（miàn）質（zhì）量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以一定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住（zhù）刀片，導致刀片在車（chē）削過程中產生顫（chàn）動，引起顫紋，同時（shí）吃刀量太小也會（huì）導致加工（gōng）效率（lǜ）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

選擇合理的車削方式，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（xuē）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（xuē）力較（jiào）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（gāo），一般適合於小齒形小螺距的螺紋（wén）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（xiè）順暢，切削力（lì）較小，但背吃刀量較（jiào）大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度（dù）較大，易出現顫紋，而且不參與切削一側的刀刃磨損大；改進型側向進刀則可避免斜向進（jìn）刀刀刃磨損大和工件表麵粗（cū）糙度大的問題（tí）；交互式（shì）進刀切削時，兩（liǎng）側刀刃磨損均勻，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）采用改進型側向進刀（dāo）或（huò）交（jiāo）互式進刀（dāo）方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削，避免3個刀刃（rèn）同時工作，減小振（zhèn）動出現（xiàn）的機率（lǜ），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的現（xiàn）象，不（bú）僅影響特（tè）殊螺紋接頭的表麵（miàn）質量，還會導致特殊螺紋接頭（tóu）的（de）各項性能（néng）惡化，因此，加工過程（chéng）中應避免顫（chàn）紋的產生。

(1)車床、加工樣品以及刀具本身的剛性不（bú）足是引起顫紋的（de）主要因素，應當選擇剛性高的刀具和車床，同時根（gēn）據加工管體的實際情況，適（shì）當設計或增加一些減振防顫的工裝或工藝；

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

(3)根（gēn）據加工樣品的鋼級（jí）、尺寸等情況，製定合理的加工（gōng）工藝參數及加工方（fāng）式，有效控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋（wén）的產（chǎn）生。