​數控車床加工特殊螺紋接（jiē）頭產生（shēng）顫（chàn）紋的原因

特（tè）殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封（fēng）性能差、上扣控（kòng）製難、接（jiē）頭應力水（shuǐ）平高等不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好密（mì）封性能的專用油套管接頭，其（qí）結構設計特（tè）點決定了它（tā）良好的使用性（xìng）能和加工精（jīng）度。隨著我國石油勘探（tàn）水平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊（shū）螺紋接頭的性能（néng）及質量控製要求越（yuè）來越高。目前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大（dà）部（bù）分都采用進口高（gāo）精度數控車床（chuáng），就是為（wéi）了更好地控製特殊螺紋（wén）接頭的產品質量。

顫紋是（shì）特（tè）殊螺紋接頭加（jiā）工過程中常見的（de）加工缺陷，直接影響（xiǎng）到特殊螺紋接（jiē）頭的使用性能和產（chǎn）品質量。本（běn）文結合（hé）特殊螺紋接頭的加工特（tè）點（diǎn），總結了特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng）顫紋產生的原（yuán）因及對策，為特殊螺紋（wén）接頭的生產質量控製提供了一定參考。

1 顫（chàn）紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加（jiā）工過程中，顫紋常見於螺紋車（chē）削階段。特殊（shū）螺紋加（jiā）工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好的加（jiā）工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果加工剛（gāng）性（xìng）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（miàn）產生（shēng）顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上（shàng）進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可（kě）以根據螺紋的設計長（zhǎng）度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避（bì）免管體懸出過長、管頭擺動造成加工顫（chàn）紋（wén）的產生。此外，在進行外（wài）螺（luó）紋加工時（shí），可根據管體幾何尺寸（cùn），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（liàng）遠大（dà）於普（pǔ）通車削，因此刀具會承受非常大的（de）車削力。為有（yǒu）效避免加（jiā）工過程中產生顫紋，要求在設計（jì）時根（gēn）據（jù）加工（gōng）管體的材料和特殊螺紋接頭的結構設計（jì）特點，製定合理的（de）刀具設計方案（àn），特別是設計內螺紋刀杆時，應注意（yì）刀杆直（zhí）徑和（hé）懸出長度的關係（xì）。一般懸（xuán）出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如（rú）果（guǒ）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（shēng）產的專用防振刀（dāo）杆。這些刀杆是為了解決加工孔小行程長（zhǎng）的內螺紋專門設計的，一（yī）般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（liào）和熱處理工藝（yì）也很重要，合理的刀（dāo）具材料和熱處理工藝可以有效（xiào）地保（bǎo）證刀具的剛性。盡量選（xuǎn）擇剛性較好、適合重車削的數控（kòng）車（chē）床。剛性好的車床可（kě）以更（gèng）有效地控製特殊螺紋接頭加工（gōng）的質（zhì）量，防止加工過程（chéng）中出（chū）現顫紋。

(2)加工試（shì）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原因，例如夾持壓力（lì）不合理或夾具卡爪（zhǎo）尺（chǐ）寸不（bú）合適等都會造成顫紋。如果夾持壓（yā）力過低，在螺紋加工過程中，試樣會發生位置移動，導致顫（chàn）紋產生（shēng）；如果（guǒ）夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡管切削時（shí）接頭內壁可以被車成（chéng）正圓孔（kǒng），但鬆（sōng）開後，接（jiē）頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊（shū）螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過（guò）盈來實現，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量（liàng），使特殊螺紋接頭（tóu）泄漏或發生（shēng）粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工試（shì）樣的外表麵完美貼（tiē）合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度時，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（gōng）是一個長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓（yā）力就是一（yī）個重要的數據經驗積（jī）累，主要根據加工（gōng）樣品的尺寸、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樣品在加工過程中（zhōng）的移（yí）動，同時把樣品（pǐn）變形控製在彈性範圍內，這樣（yàng）既可以有效（xiào）消除（chú）加工顫紋，還可以（yǐ）保證特殊螺紋（wén）的橢圓度（dù）。

同樣，卡爪的設計也要結合需要加工樣品的尺（chǐ）寸、鋼級並結合（hé）車床的特點專門（mén）設計。目前，常見（jiàn）的有（yǒu）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（pǐn）表麵之間（jiān）的夾持力，防止加工（gōng）樣品的移動，但會導致（zhì）樣品受力不均，使樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是（shì）樣品在加工時接觸麵積大（dà），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（yì）出現異動，產生顫紋（wén）。因此，在加（jiā）工特殊螺紋接（jiē）頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪（zhǎo）與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹（āo）槽(見圖3)，以增加其摩擦力（lì）。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加（jiā）工樣品外徑相匹配，最（zuì）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麵的鏜車，以避免圓弧直徑相差太大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋（wén）。還需注（zhù）意包裹角度的設計，太小可能會導致夾持力（lì）不足，太大則會（huì）造成裝夾（jiá）過程中卡爪之間的相互幹涉，導致（zhì）樣品夾持不緊，產生顫紋。因（yīn）此，在特殊螺紋（wén）的加工過程中，盡量選擇（zé）與加工（gōng）樣品外徑匹配的大摩擦力圓（yuán）弧（hú）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（bǎo）證樣品的加工尺寸（cùn），同時還能有效（xiào）降（jiàng）低加工過程中顫紋的（de）出現幾率。

(3)刀（dāo）具加工質量差或安裝不（bú）規範（fàn）

刀片、刀墊本（běn）身加工質量參（cān）差不齊、誤差大或（huò）緊固裝置設計不合理以及不規範安裝都會導致樣品加工時（shí）產（chǎn）生顫紋。同時，刀杆安裝時，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（shēng）顫紋的重（chóng）要原因之一（yī）。

刀片、刀（dāo）墊以及相關配件的質量情況直接決定了樣（yàng）品的加工質量，質量差的刀片（piàn）、刀（dāo）墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互配合，會產生間隙（xì），還（hái）有可能存在加工尺寸與設計（jì）方案有（yǒu）出入以及刀具鈍化，這些都會導（dǎo）致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇（zé）質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會（huì）導致加工過程中顫紋的出現。因此，安（ān）裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進（jìn）行安裝。在加（jiā）工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或（huò）是夾入鐵屑（xiè），如有隱患應及時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合（hé）理（lǐ）性也是影響（xiǎng）顫紋出現（xiàn）的（de）重要原因（yīn）之一，應盡量（liàng）選擇經驗豐富的（de）專（zhuān）業刀片、刀墊製造廠家或使用較為成熟（shú）的刀（dāo）片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程（chéng）中產生顫紋的可能（néng）性。

刀杆安裝（zhuāng）不規範、刀（dāo）尖與車床中心高距離相差大，會導致刀具在車削時的刀具角度和（hé）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（jiā）工過程中產生振動，出（chū）現顫紋。因此，在（zài）進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝的角（jiǎo）度，避免刀尖與車床中心高距（jù）離相差太大。很多國外的專業（yè）刀具（jù）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（dāo）具安裝角度時，可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料的（de）圓心，並留下一（yī）個（gè）小圓錐（zhuī）台，將需要安裝的（de）刀具刀尖（jiān）調（diào）整到小圓錐台軸線的高度上即可最終確定刀具（jù）安（ān）裝角度(見圖4)。通常是通過目測來判（pàn）斷刀尖與車（chē）床主軸回轉中心是否共線（xiàn），因此（cǐ）會存在一定誤差。根（gēn）據經（jīng）驗，刀尖與車床主軸回轉（zhuǎn）中心的距離（lí）相差±0.5mm以（yǐ）內（nèi），可以有效減少加工顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是決定（dìng）特殊（shū）螺紋接頭質量的重要影響因素，不同的（de）吃刀量（liàng）、車削速度等都會導致樣品加（jiā）工質量上的差異。此外，加工方式的（de）選（xuǎn）擇也需要根據加工樣品的鋼（gāng）級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同的加工工藝（yì）及加工方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾率。

特殊螺紋接頭的螺（luó）紋形式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯（tī）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同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研（yán）究發現：當進給速度過快(120m/min)或（huò）過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而在中間速度（dù）(80m/min和100m/min)加（jiā）工時（shí），螺紋表（biǎo）麵完好。因此，在進行特殊螺紋（wén）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（chǎn）生顫紋。另外，合理的吃刀（dāo）量分配也（yě）可（kě）大幅降低螺紋車削過（guò）程中顫紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切（qiē）削阻力大。隨著螺紋深度（dù）的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀（dāo）片會承受非常大的切削（xuē）載荷（hé），從而引起刀（dāo）片出現輕微顫動（dòng）或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃（chī）刀量過小、轉速較高時，刀具以一定進給速（sù）度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同（tóng）時吃刀量太小也（yě）會導致加工（gōng）效率大幅降低，影響製造廠家的（de）經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方（fāng）式，可以有效改善螺紋的表麵質量（liàng）並提高刀具的使用（yòng）壽命（mìng）。圖（tú）5為螺紋車削常見進刀方（fāng）式示意（yì）圖。徑向進刀的特點為各刀刃同時（shí）工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙（yá）型精度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性（xìng）材料（liào）的螺紋加工；側向進刀的特點（diǎn）是不易（yì）紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切（qiē）削力較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度（dù）較大，易（yì）出現顫紋，而（ér）且不參與切削一側的刀刃（rèn）磨損大；改進型側向進刀則（zé）可避免斜向進刀刀刃磨損大和工件表麵粗糙度大的問題；交互式進刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適（shì）用於加工大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可采用改進型側向進刀（dāo）或交（jiāo）互式進（jìn）刀方式，以實現單刀刃或（huò）雙刀刃切削，避免3個刀刃同（tóng）時工作，減小振動出現的機率，避免（miǎn）顫紋的發生。

小結

顫紋（wén）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（xiǎng）特殊螺紋接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過（guò）程（chéng）中應避免顫紋的產生。

(1)車（chē）床、加工樣（yàng）品以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因素，應當選擇剛性高（gāo）的（de）刀具（jù）和車床，同時根據加工管體的實際情況，適當設計（jì）或增加（jiā）一些減振防顫的工（gōng）裝或工藝；

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

(3)根據（jù）加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定（dìng）合理的加工工藝參數（shù）及加工方式，有效控製特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中顫紋的產生（shēng）。