數控車床加工特殊螺（luó）紋接頭產生顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭（tóu）是針對API螺紋接頭密封性能（néng）差、上扣控製難、接頭應力（lì）水平高等不足而（ér）專門設計的具有可靠（kào）連接強（qiáng）度和良好密封性能的專用油套（tào）管接頭，其結構設計特點決（jué）定了它良好的使用性能和加工精度（dù）。隨著我國（guó）石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來（lái）越高。目前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大（dà）部分都（dōu）采用進口高精度數控車床，就是為了更好地（dì）控製特殊螺紋接頭的（de）產品質量。

顫紋是特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中常（cháng）見的加工缺陷，直（zhí）接影響到特殊螺紋接頭的使用性能和（hé）產品質量。本文（wén）結合（hé）特殊螺紋接頭的加工特點，總結了特殊螺紋（wén）接頭加工過程中顫紋產生的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產（chǎn）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。特殊螺紋加工的螺紋成型麵（miàn）是經過連續加工獲（huò）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工那樣（yàng）受進（jìn）給量的影（yǐng）響。但如（rú）果加工剛性（xìng）較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足（zú），就會在加工過程中發生振（zhèn）動（dòng），從而在螺（luó）紋加（jiā）工表麵產生顫紋（wén）。

在剛性（xìng）較差的薄壁管體上進行螺紋（wén）加工時，為避免加工顫紋的產生，可以根（gēn）據螺紋的設計長度、車床的（de）加工特點和（hé）刀具裝夾方式，確定合（hé）理的管體（tǐ）懸出長（zhǎng）度(見圖1)，以避（bì）免管體（tǐ）懸出過長、管頭擺動（dòng）造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺（luó）紋加工時，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（shēng）。

特殊螺紋（wén）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（shēng）顫紋，要求在設計時（shí）根據加工管體的材料（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。一般懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需（xū）要加工內孔小且長的內螺紋時，盡量選（xuǎn）擇（zé）專（zhuān）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的內螺紋（wén）專門設計的，一般懸出（chū）長度控製在刀杆直徑的3-4倍。另（lìng）外，選擇適當的刀（dāo）具（jù）材料和熱處（chù）理工藝也很重要（yào），合理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地（dì）保（bǎo）證刀具的剛性。盡量選擇剛性（xìng）較好（hǎo）、適合重車削的數（shù）控車（chē）床。剛性好的車床可以更有效地控製特殊（shū）螺紋接頭加（jiā）工的質量（liàng），防止（zhǐ）加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式（shì）不合理

除了車床、刀具以及管體本身的剛性不足，加工（gōng）試（shì）樣的裝夾方式也是導致顫紋出現（xiàn）的（de）主要原因，例（lì）如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不（bú）合（hé）適等都會造成（chéng）顫紋。如（rú）果夾持壓力過（guò）低，在螺（luó）紋加工過程中，試樣會（huì）發生位置移（yí）動，導致顫紋產生（shēng）；如果夾持壓力過高，接頭（tóu）毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性（xìng）變形（xíng），盡管切削時接頭內壁可以被車（chē）成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣品（pǐn）橢圓度超差（chà）。特殊螺紋接頭的（de）密封性能主要靠金屬過盈來（lái）實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地（dì）方產生間隙（xì）或更大的過盈量（liàng），使特（tè）殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸（cùn）不合適，不能與（yǔ）加（jiā）工試樣的外表麵完美貼合，勢必會影響夾持（chí）的穩定（dìng）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。

油套管螺紋的加工是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（jī）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摸索總結而來。合理的夾持壓力可以（yǐ）消除樣品在加工過程中（zhōng）的移動，同時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣既可以（yǐ）有效消除加工顫紋，還可（kě）以保證特殊螺（luó）紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合（hé）需要加工樣品的尺寸、鋼級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。平麵卡爪的夾持形式為點線接（jiē）觸，這種夾持方式接觸麵積小，可以有（yǒu）效增加卡爪和樣品表麵之間的夾（jiá）持力，防止加工樣品的移動，但會導（dǎo）致樣品受力不均，使樣品（pǐn）加工後（hòu）的（de）尺寸或橢圓度超（chāo）差。圓弧包爪夾持方式的優（yōu）點是樣品在加工時（shí）接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但（dàn）加工時相（xiàng）對容易出現異動，產生顫紋。因（yīn）此，在加工特殊螺（luó）紋接頭時，應盡量選（xuǎn）擇圓弧包爪，且包（bāo）爪與樣品接（jiē）觸的工作麵應當（dāng）設計（jì）成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應（yīng）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（jìng）尺寸，進行（háng）圓弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓弧直徑相差太大（dà）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（shè）計，太小可能會導致夾持力不足，太大則（zé）會（huì）造成裝夾過程中卡爪之間的（de）相互幹涉，導（dǎo）致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加（jiā）工過（guò）程中，盡量選擇與加工（gōng）樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角（jiǎo）度應達到整個樣品圓周的中上水平，這樣不僅可以保證（zhèng）樣品的加工尺寸，同時還能有效降（jiàng）低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具（jù）加工（gōng）質量差（chà）或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參差不（bú）齊、誤差大或緊固裝置設計不合理以及（jí）不規範安裝都會導致樣品加工時產生顫紋。同時，刀（dāo）杆安裝（zhuāng）時，刀尖與車床主軸回轉中（zhōng）心(車（chē）床（chuáng）中心高)距離相差較（jiào）大（dà）也是產生顫紋的重要原（yuán）因之一（yī）。

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況（kuàng）直接決（jué）定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上（shàng）後，不能（néng）很好地相互配合，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（huì）導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇（zé）質量可靠（kào）的（de）專（zhuān）業刀（dāo）具。此外，刀（dāo）片、刀（dāo）墊安（ān）裝不規範、裝夾不緊（jǐn）或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工（gōng）過程中顫（chàn）紋的出現。因（yīn）此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作（zuò）規範進行安裝。在加工過程中，也要定期檢查刀（dāo）片（piàn）、刀墊（diàn）是否鬆動（dòng）或（huò）是夾（jiá）入鐵（tiě）屑，如有（yǒu）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理性也是影響顫（chàn）紋出現的重要原因之（zhī）一，應盡量選擇經（jīng）驗豐富的專業（yè）刀片、刀墊製造廠家或使用較為（wéi）成熟的刀片、刀墊緊固設（shè）計方案，以降低加工過程中（zhōng）產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規（guī）範（fàn）、刀尖（jiān）與車床（chuáng）中心（xīn）高距離相差（chà）大，會導致刀具在車削時的刀具（jù）角度和理想角度偏（piān）差太（tài）大，刀具受力不（bú）在最佳狀（zhuàng）態，從而（ér）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（yī）定要注意刀具安裝的角（jiǎo）度，避（bì）免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外的專業刀具廠家（jiā）會配套專用的（de）對（duì）刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不配套對刀器（qì），在確定刀具安裝角度時，可用基（jī）準刀對拔外皮後實（shí）心棒料進行（háng）平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下（xià）一（yī）個小圓錐台，將需（xū）要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的高度上即（jí）可最終（zhōng）確定刀具安裝角（jiǎo）度(見圖（tú）4)。通（tōng）常是通過目測來判斷刀尖與車床主軸回轉中心是（shì）否共線，因此會存在一定誤差（chà）。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉中（zhōng）心的距離相差±0.5mm以（yǐ）內，可以有效減少加（jiā）工顫（chàn）紋的產生。

(4)加（jiā）工參數及方式選取不當

特（tè）殊螺紋接頭的加工工藝是決（jué）定特殊螺紋（wén）接頭質量的重要影響（xiǎng）因素，不同的吃刀量、車削速度等都會導致樣品加工（gōng）質量上的差（chà）異。此外，加（jiā）工方式的選擇也需要根（gēn）據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同的（de）加工工藝及加工（gōng）方式，才能有效降低加工顫（chàn）紋出（chū）現的幾率。

特殊螺紋接頭的螺（luó）紋形式通常為偏梯螺（luó）紋或改良的偏（piān）梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬（shǔ）於重車（chē）削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了（le）相同（tóng）吃刀量(0.3mm)、不（bú）同（tóng）車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的（de）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紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋（wén）表麵完好。因此，在進行特殊（shū）螺紋接頭加工時，應當結合加（jiā）工樣品的（de）鋼級、尺寸及（jí）結構情況，摸（mō）索出合（hé）理（lǐ）的車削速（sù）度，以避免產生顫紋（wén）。另（lìng）外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程中（zhōng）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（jī）逐漸增大，螺（luó）紋車削即將完成時（shí），刀片會承受非常大的切削（xuē）載荷（hé），從（cóng）而引起刀片出（chū）現輕微顫動或崩刀（dāo），產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀（dāo）量過小、轉速較高（gāo）時，刀具以一定進給速度前進，被車削的（de）試樣無法緊壓（yā）住（zhù）刀（dāo）片，導致（zhì）刀片在車削過程（chéng）中產生顫動，引起顫（chàn）紋（wén），同時（shí）吃刀量太小（xiǎo）也會導致加工效（xiào）率（lǜ）大幅降低，影響製（zhì）造廠家（jiā）的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法（fǎ）

選擇合理的車削方式，可以有（yǒu）效改善螺紋（wén）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式示意圖。徑向進刀（dāo）的特（tè）點（diǎn）為各刀刃同時工（gōng）作，排屑困（kùn）難（nán），切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易（yì）磨損，但操作相對簡單，牙型精（jīng）度較高，一（yī）般適合（hé）於小齒（chǐ）形小螺距（jù）的（de）螺（luó）紋或脆性材（cái）料的螺紋加工；側向進（jìn）刀的特點（diǎn）是不易（yì）紮刀，單刃切削，排鐵屑（xiè）順暢（chàng），切削力較（jiào）小，但（dàn）背吃刀（dāo）量較大，牙型精度差，螺紋表（biǎo）麵粗糙度較大，易（yì）出現顫紋（wén），而且（qiě）不參與切削一（yī）側的刀刃磨損（sǔn）大（dà）；改進型側向進刀（dāo）則可避免斜向進刀刀刃磨損大（dà）和工件表麵粗糙度（dù）大的問題；交互式（shì）進刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可（kě）采用改進型側向進刀或交互式進刀方式（shì），以實現單刀刃或雙刀刃（rèn）切（qiē）削，避（bì）免3個刀刃同時工作，減（jiǎn）小振動出現的機（jī）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，不僅影響特殊螺紋（wén）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，加工過程中應避免顫（chàn）紋的產生。

(1)車床、加工樣品以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因（yīn）素，應當（dāng）選擇剛性高的刀具和車床，同時根據（jù）加工管體的實際情況（kuàng），適當設計或增加一些減振（zhèn）防顫的工（gōng）裝（zhuāng）或工藝；

(2)試樣裝夾不規範（fàn）、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（yīng）的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣品（pǐn）裝夾（jiá）和刀具安裝情（qíng）況進行檢查；

(3)根據加工樣（yàng）品的鋼級、尺寸等（děng）情況，製定合理的（de）加工工藝參數及（jí）加工方式，有效控製特殊螺紋（wén）接頭加工過（guò）程中顫紋的產生。