數控車床加工（gōng）特殊螺紋接頭產生顫紋的（de）原因及對策（cè）

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控製難、接頭應力水平高等不足而專門設計的具有可靠（kào）連接強度和良好密封性能的專用油套管接頭，其結構設計（jì）特點決定了它良（liáng）好的使用性能和加工（gōng）精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱（rè）采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來越高。目前，國（guó）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（shù）控車床，就是為了更好地（dì）控製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫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接頭（tóu）的使用性能（néng）和產品質量（liàng）。本文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（gōng）過程中顫紋產生（shēng）的原因及對策（cè），為特殊螺紋（wén）接頭的生產質（zhì）量控製提供了一定參考。

1 顫紋產生的原因（yīn）

(1)加工試（shì）樣、刀具或車床本身剛性不足

特（tè）殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理（lǐ）論上會保（bǎo）持較好的（de）加工表麵光潔度，而（ér）不會像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果加工（gōng）剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振動，從而在螺紋加工表麵產生顫（chàn）紋。

在剛性較（jiào）差的薄壁管體上進行螺紋加（jiā）工時，為避免加工顫紋的產生，可以根（gēn）據螺（luó）紋的（de）設計長度、車床的（de）加工特點（diǎn）和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以（yǐ）避免管體懸出過長、管頭擺動造（zào）成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可根據管體幾何尺（chǐ）寸，設計管體內支撐和輥道（dào）上的浮（fú）動支撐輥（gǔn）(見圖2)，這樣可以更有效地（dì）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（chéng）受非常大的車（chē）削力。為（wéi）有效避免（miǎn）加工過程中產生顫（chàn）紋，要求在（zài）設計時根據加工管（guǎn）體的材料和特殊螺紋接頭（tóu）的結構（gòu）設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長度的關係。一般懸出（chū）長（zhǎng）度控製在（zài）刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的（de）內螺紋時，盡量選（xuǎn）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（zhǎng）的（de）內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在刀杆直徑的3-4倍。另（lìng）外（wài），選擇適當的刀具材料和熱（rè）處理（lǐ）工藝也很重（chóng）要，合理的（de）刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具（jù）的剛（gāng）性。盡量選擇剛性較好、適合重（chóng）車削的數控車床。剛性好（hǎo）的車（chē）床（chuáng）可以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾（jiá）方式不合理

除了車床、刀具以及管體（tǐ）本身的（de）剛性不足，加工試（shì）樣的裝夾方式也是導致顫紋出（chū）現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持（chí）壓力過低，在螺紋加工過程（chéng）中，試樣會發生位置移（yí）動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過（guò）高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不（bú）均勻彈性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的（de）密封性（xìng）能主要靠金屬過盈來實（shí）現，當橢（tuǒ）圓度超差時，會在原本過盈的地方產生間隙或更大（dà）的過盈量，使特殊螺（luó）紋（wén）接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工（gōng）試樣的外表麵（miàn）完美貼合，勢必會影響夾持（chí）的穩定性。當夾持（chí）穩定性降低到一定程度時，便（biàn）會在加工過（guò）程出現樣（yàng）品移動，產生顫紋。

油套管螺（luó）紋的加工是一個長期總結經驗的過程，其加工時（shí）的夾持壓力就是一個重要的數據經驗積累（lèi），主要根據加工樣品的（de）尺（chǐ）寸、鋼（gāng）級以及車床本身的特點長期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除（chú）樣品在加（jiā）工過程（chéng）中的移動，同時把樣品變形控製在彈性（xìng）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（de）橢圓度。

同樣，卡爪的（de）設計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級（jí）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（hú）包爪。平麵（miàn）卡爪的夾持形式為點線接觸，這種夾持方式（shì）接觸麵積小，可以有效增加卡爪和樣品表麵之間的（de）夾（jiá）持力，防（fáng）止加工樣品的移動（dòng），但會（huì）導致樣品受力不（bú）均，使樣品加工後的尺寸或橢（tuǒ）圓度超（chāo）差。圓弧包爪夾持方（fāng）式的優點是（shì）樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異動（dòng），產生顫紋。因此（cǐ），在加工特（tè）殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與（yǔ）樣品接觸的（de）工作麵（miàn）應當設計成平頂齒狀（zhuàng）或設置多個（gè）凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品（pǐn）外徑相匹配，最好在加工前根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的（de）工作表麵的鏜車，以避免圓弧（hú）直徑相（xiàng）差太大而在加工（gōng）中發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包裹角（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程中卡爪之間的（de）相互（hù）幹涉，導致（zhì）樣品夾持不緊，產（chǎn）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（gōng）樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達到整個（gè）樣品圓周的中上水平，這樣（yàng）不僅可以保證樣品（pǐn）的（de）加工尺寸，同（tóng）時還能（néng）有效降低加工過程中顫紋（wén）的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不（bú）規（guī）範（fàn）

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝置設（shè）計不（bú）合理以及不規範安裝都會導致樣品加工時產生顫紋。同（tóng）時，刀杆安裝時，刀尖（jiān）與車床（chuáng）主軸回（huí）轉中心(車床中（zhōng）心高)距離相差較大也（yě）是產生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（dìng）了樣品的加工質量，質量差的刀（dāo）片、刀墊安裝在刀杆上後，不（bú）能很好（hǎo）地相互配合，會產生間隙，還有可能存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導致顫紋產生（shēng）。因此，在特殊螺（luó）紋（wén）接頭加工時，應選擇（zé）質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規（guī）範、裝夾不緊或是在車削（xuē）過程中夾入鐵屑（xiè），都會導致加工過程（chéng）中顫紋的出現。因此，安裝新的（de）刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在加工過（guò）程中，也要定（dìng）期檢（jiǎn）查刀片（piàn）、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時（shí）處理，以（yǐ）防止產生顫紋（wén）。刀片、刀墊緊固方（fāng）式的設計合理性也是影響顫（chàn）紋出現的重要原因之一，應（yīng）盡量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刀片（piàn）、刀墊緊固設計方案（àn），以降低加工過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床中心高距離相差大，會（huì）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（zài）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（jù）對刀時，一定要注意刀具（jù）安裝的角度（dù），避免刀尖與車床中心高距離相差太大（dà）。很多國（guó）外的專業刀具廠家會配套（tào）專用的對刀（dāo）器（qì）來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般（bān）不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基準刀對（duì）拔外皮後實心（xīn）棒料進行平端麵車削，找（zhǎo）到棒料的圓心，並留（liú）下一個小圓（yuán）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最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目（mù）測來判斷刀尖與車（chē）床主軸回轉中（zhōng）心（xīn）是否共線，因此會存在一（yī）定誤差（chà）。根（gēn）據經驗（yàn），刀尖與車床（chuáng）主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內（nèi），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

特殊螺紋接頭的加工工藝（yì）是決定特殊螺紋接頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等都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（yào）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工藝及加工方式，才能有效降低加工顫紋出現（xiàn）的幾率。

特殊螺紋接頭的螺紋（wén）形式通常為偏梯螺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（jìn）行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在（zài）螺紋表麵都會產生顫紋；而在中間速度（dù）(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因（yīn）此，在進行特殊螺（luó）紋接頭加（jiā）工時，應當結合加工（gōng）樣品的鋼級、尺寸及結構（gòu）情況（kuàng），摸索出合理的車削速度，以避免產（chǎn）生顫紋。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，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成（chéng）時，刀片會承受非常（cháng）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、轉（zhuǎn）速較高時，刀具（jù）以一定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓（yā）住刀片，導致刀片在車削過（guò）程（chéng）中產生顫動，引起顫紋，同時吃（chī）刀量太小也會導致加工效率大幅降低，影響製（zhì）造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋（wén）產生的（de）辦法

選擇（zé）合理的車削（xuē）方式，可以有效改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使用壽（shòu）命。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進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（jiān）易磨（mó）損，但操作相對簡單，牙型精度較高，一般適合於小齒形小螺（luó）距的螺（luó）紋或脆（cuì）性材料的螺（luó）紋加（jiā）工；側向進刀的特點是不易紮刀，單（dān）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（cū）糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切削（xuē）一（yī）側的刀刃磨損大；改進型側（cè）向進刀則可避免斜向進刀刀（dāo）刃磨損大和工件表麵粗糙度大（dà）的問題（tí）；交互式進刀切削時，兩側刀（dāo）刃磨損均勻，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（yòng）改（gǎi）進型側向進刀或交互式進刀方式，以實現單刀刃或（huò）雙刀刃切削，避免3個刀刃同時工作，減小振動出現的機率（lǜ），避免顫紋的（de）發生。

小結

顫紋是特殊螺紋（wén）接頭生產加工過（guò）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，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應避免顫（chàn）紋的產生。

(1)車床（chuáng）、加工（gōng）樣品以及刀具本身（shēn）的剛性不足是引起顫紋（wén）的主要因素（sù），應當選（xuǎn）擇剛性高的刀具和車床，同時根據加工管體的（de）實際情（qíng）況，適當設（shè）計或增加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾（jiá）不（bú）規範、刀具安裝不合理也是引起顫紋的（de）因素之一，生產廠家應建立（lì）相應的試（shì）樣裝夾、刀具安（ān）裝的管理文件（jiàn），定期對樣品裝夾（jiá）和刀具安裝情況進（jìn）行（háng）檢（jiǎn）查；

(3)根（gēn）據加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合理的加工工藝（yì）參數及加工方式，有（yǒu）效控製特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中顫紋的產生。