​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及（jí）對策（cè）

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密（mì）封（fēng）性能差、上扣控製難、接（jiē）頭應力水平高等不足而專門設計的（de）具有可靠（kào）連接強度和良好密封性能的專用（yòng）油套管接頭（tóu），其結構設（shè）計特點決定了它良好的使用（yòng）性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超深井（jǐng）、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特（tè）殊螺紋接頭的性（xìng）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頭的廠家大（dà）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紋接頭的產品質量（liàng）。

顫紋是特殊螺紋接頭加工過（guò）程中常見的加工缺陷，直接影響到特殊螺紋接頭的使用（yòng）性能和產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點，總結了特殊螺（luó）紋接頭加工過程中顫紋產生的原因及對策，為特殊螺紋（wén）接頭的生產質量控製提供了一定（dìng）參考。

1 顫紋（wén）產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊（shū）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，理論上（shàng）會保持較（jiào）好的加工表麵光潔度，而不（bú）會像普通（tōng）車削加工那樣受進給量的影響。但如果加工剛性較差的（de）薄壁管或者刀具、車床（chuáng）剛性不足，就（jiù）會在加工過（guò）程中發（fā）生振動，從而在螺紋加（jiā）工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上進（jìn）行螺紋加工時，為避免加工顫（chàn）紋的產生，可（kě）以根（gēn）據螺紋的（de）設計長度、車床的加（jiā）工特點和（hé）刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長（zhǎng）度(見圖（tú）1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成加工（gōng）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上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地（dì）降低顫紋的（de）產生。

特（tè）殊螺紋加工時的（de）進（jìn）給量遠大於普（pǔ）通車削，因（yīn）此（cǐ）刀具（jù）會承受非常大的車削力（lì）。為有效避（bì）免加（jiā）工過（guò）程中（zhōng）產生顫紋，要求在設（shè）計時根據加工管體的材料和特殊螺紋接頭（tóu）的（de）結構設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計（jì）內螺紋刀杆時，應注意刀杆直（zhí）徑和懸出長度（dù）的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑的（de）1.5-2倍為宜，如果需要加工（gōng）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（jiā）工孔小行程長的內螺紋專（zhuān）門設計的，一（yī）般（bān）懸出長度控製在刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和熱處理工（gōng）藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工藝（yì）可以（yǐ）有效地保證刀具的剛（gāng）性。盡量（liàng）選（xuǎn）擇剛性較好、適合重（chóng）車削的數控（kòng）車床。剛性好（hǎo）的車床可以（yǐ）更有效地控（kòng）製特殊螺紋接頭加工的質（zhì）量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工（gōng）試樣的裝夾（jiá）方式（shì）不合理

除了車床、刀具以及管體本身的剛性不（bú）足，加工試樣的裝夾（jiá）方式也是導致顫紋出現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾（jiá）具卡爪尺寸不合（hé）適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過（guò）程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產生；如（rú）果夾持壓力過高，接頭（tóu）毛坯在（zài）夾緊時有較大的不均勻彈性（xìng）變形，盡管切削時接頭（tóu）內壁可以被車成（chéng）正圓孔，但鬆開後，接頭彈（dàn）性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢（tuǒ）圓度超差時，會在原本過盈的地（dì）方產生間隙或（huò）更大的過盈量，使特殊（shū）螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工試樣的外表麵完美貼合（hé），勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性（xìng）降（jiàng）低到一（yī）定程度（dù）時，便會在加工過程出現樣品（pǐn）移動，產生顫紋。

油套管螺紋（wén）的加工是一個長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓力（lì）就是一個重要（yào）的數據經驗積累，主要根據（jù）加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期摸索總結而來。合理的夾持壓（yā）力可以消除（chú）樣（yàng）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，這樣（yàng）既可以有效消除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓（yuán）度。

同樣，卡爪的設計（jì）也（yě）要結合需要加工（gōng）樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點專門設計。目前，常見（jiàn）的有平麵卡爪和圓弧（hú）包爪。平（píng）麵卡爪的夾持形式為點線接觸，這（zhè）種夾持方（fāng）式接觸麵積（jī）小，可以有（yǒu）效增加卡爪（zhǎo）和樣（yàng）品表麵之（zhī）間的夾持力，防止加工樣品的移動（dòng），但會導致樣品受力不均，使樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方（fāng）式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品（pǐn）尺寸好，橢圓度佳（jiā），但加工時相對容易出現異動，產生顫紋。因此，在加（jiā）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（chù）的工作麵應當（dāng）設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其（qí）摩擦力。同時，圓弧（hú）包（bāo）爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配，最好在加工前根（gēn）據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的（de）工（gōng）作表麵的鏜車（chē），以避免圓弧直徑（jìng）相差太大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小可能（néng）會（huì）導致夾持力不足，太大則會造（zào）成裝夾過程中卡爪之間的相互幹（gàn）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（pǐn）外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓周的中上水平，這（zhè）樣不僅可以保（bǎo）證樣品的加工尺寸，同時還能有效降低（dī）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（shēn）加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝（zhuāng）置設計不合理以及不規範安裝都會導致樣品加工時產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心(車床中心高)距離相差較大也是產生（shēng）顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質（zhì）量情況直接（jiē）決定了樣品的（de）加工質量（liàng），質量（liàng）差的刀（dāo）片、刀墊安裝在刀杆上後，不（bú）能（néng）很好地相互（hù）配合，會產生間（jiān）隙，還有可能存在加工尺寸與設計方（fāng）案有出入以（yǐ）及刀具鈍化，這些都會導致（zhì）顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專（zhuān）業刀（dāo）具。此外，刀片、刀墊安（ān）裝不規範（fàn）、裝夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都（dōu）會導致加工過程中（zhōng）顫紋的出現（xiàn）。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照（zhào）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（shì）否（fǒu）鬆動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以防（fáng）止（zhǐ）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（chóng）要原因之一，應盡量選擇經驗豐富（fù）的專（zhuān）業刀片、刀墊製造廠家或使（shǐ）用較為成熟的刀片、刀墊緊（jǐn）固（gù）設（shè）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、刀尖與車床中（zhōng）心高距離相差大，會導致刀具在（zài）車削時的刀具角度和理想角度偏差太（tài）大（dà），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，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注（zhù）意刀具安裝（zhuāng）的角度，避免刀尖與車（chē）床中心（xīn）高距（jù）離相差太大。很多國外的專業刀具廠家會（huì）配套專用的對（duì）刀器來確定刀具的安裝角（jiǎo）度。國產刀具一般不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基準刀（dāo）對拔外皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料的圓心，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（zhuī）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刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心是否共線，因（yīn）此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉中（zhōng）心（xīn）的距（jù）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（shì）選取（qǔ）不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是（shì）決定（dìng）特殊螺紋接（jiē）頭質量的重（chóng）要影（yǐng）響因素，不同的吃刀量、車削速度等都會（huì）導致樣品加工質量上的（de）差（chà）異。此外，加工方式的選擇也（yě）需要（yào）根據加工樣品的鋼級、尺（chǐ）寸等情況來定。不同的鋼級、尺（chǐ）寸對應不同的加（jiā）工工藝及加工方式，才能有效（xiào）降低（dī）加工顫（chàn）紋出現的幾率。

特殊螺紋接頭的（de）螺紋形式通常（cháng）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削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀量(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，在螺紋表麵都會產生顫（chàn）紋；而在中間速（sù）度(80m/min和（hé）100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在（zài）進行特（tè）殊螺（luó）紋接頭加工時，應當（dāng）結合加（jiā）工樣品（pǐn）的鋼級、尺寸及結（jié）構情況，摸索出合理的車削速度（dù），以避免產生（shēng）顫紋。另（lìng）外（wài），合（hé）理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程（chéng）中顫紋的產生幾率（lǜ）。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋（wén）深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺（luó）紋車削即將完成時，刀片會（huì）承受非常大的切削載荷（hé），從而引起刀片出現輕微顫動或崩刀，產（chǎn）生顫紋，影響螺紋的表麵質量。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（yàng）無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過（guò）程中產生顫動，引起顫紋，同（tóng）時吃刀量太小也會導致加工效率（lǜ）大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免（miǎn）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（liàng）並提（tí）高刀具（jù）的使用壽命。圖5為螺紋（wén）車削常見進刀方式示意圖。徑向（xiàng）進（jìn）刀的特點為各刀刃（rèn）同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振（zhèn）動、刀尖易磨損，但操作（zuò）相（xiàng）對簡（jiǎn）單，牙型精度較高，一般適合於小齒（chǐ）形小螺距的螺紋或脆性材（cái）料的螺紋加工（gōng）；側向進刀的特點是不易紮（zhā）刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切削力（lì）較小，但背吃刀量較大（dà），牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易（yì）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（dāo）則可避免斜向進刀刀刃磨（mó）損（sǔn）大和工件表麵粗糙（cāo）度大的問題；交互（hù）式進刀切削時（shí），兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工大螺距螺紋。因（yīn）此，對於特（tè）殊螺紋的車削，可采用改進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，減小振動出現的機率，避免顫紋的發（fā）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象，不僅影響特殊（shū）螺紋接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭的（de）各項性能惡化，因此（cǐ），加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床（chuáng）、加工樣品以及刀具（jù）本身的剛性不足是引起顫紋的主要因素，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，適當設計（jì）或增加一（yī）些減振防顫的工（gōng）裝（zhuāng）或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝不合理也是（shì）引起顫紋的因素之一，生（shēng）產廠家應（yīng）建（jiàn）立相應（yīng）的試（shì）樣裝夾、刀具安裝的管（guǎn）理文件，定期對樣品裝夾（jiá）和刀具安裝情況進行檢查；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合理的加工（gōng）工藝參數及加工方式（shì），有（yǒu）效控（kòng）製特殊螺紋（wén）接頭（tóu）加工過程中顫紋的產生。