​數控車床加（jiā）工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及（jí）對策

特殊（shū）螺紋接頭是針對（duì）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（ér）專門設計的具有可靠連（lián）接強度和良好密封性能的專用油套管接頭，其結構設（shè）計（jì）特點決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我國（guó）石油勘探水平不斷提高（gāo），深井、超（chāo）深井、熱采井以及高溫高壓氣井的（de）數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性（xìng）能及質量控製要求越來越高（gāo）。目前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車床，就是為了更好地控（kòng）製特殊（shū）螺紋接頭的產品（pǐn）質量。

顫紋是特殊螺紋接頭加工過程中常見的加工缺陷，直接影響到特（tè）殊螺紋接頭的使用性能和產品質量。本文結合特殊螺紋接頭（tóu）的加工特點，總結了特殊（shū）螺紋接頭加工過程中顫紋（wén）產生的原因及對策（cè），為特殊螺紋接頭的生產質量控（kòng）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（chéng）中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋（wén）成型麵是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車（chē）削加工（gōng）那（nà）樣受進給量的影響。但如果加（jiā）工（gōng）剛性較差的（de）薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在（zài）加工（gōng）過程中發生振動，從而在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避（bì）免加工顫（chàn）紋的產生，可以根（gēn）據螺紋的設（shè）計長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式（shì），確定合理（lǐ）的管體懸出長度(見圖（tú）1)，以避免管體懸出過長、管頭擺（bǎi）動造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工（gōng）時，可根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥（gǔn）道上的浮動支（zhī）撐輥(見圖（tú）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車削，因此刀具會（huì）承受非常大的（de）車削力。為有（yǒu）效避免加工過程中產生顫紋，要（yào）求在設計時根（gēn）據加工管（guǎn）體的材料（liào）和特殊螺（luó）紋接頭的結構（gòu）設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別（bié）是（shì）設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長度（dù）的（de）關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀（dāo）具廠（chǎng）家生（shēng）產的專（zhuān）用防（fáng）振刀杆。這（zhè）些刀杆是為了解（jiě）決加工孔小行程長的內螺紋專門設計（jì）的，一般懸（xuán）出長度控製在刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當（dāng）的刀具材料和熱處（chù）理工藝（yì）也很重要，合理的刀（dāo）具材料和（hé）熱處理（lǐ）工藝（yì）可以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛（gāng）性較好、適合（hé）重車削的數控車床。剛性好（hǎo）的車床可以更有效地（dì）控製特（tè）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（yàng）的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及（jí）管體本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋（wén）出現的主要原因，例如夾持壓（yā）力不合理或夾具（jù）卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持（chí）壓（yā）力過低，在螺紋（wén）加工過程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產（chǎn）生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成（chéng）正圓孔，但鬆開後，接（jiē）頭彈性恢複，導致樣品橢圓（yuán）度超差。特殊螺紋（wén）接頭的密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓（yuán）度（dù）超差時，會在原本（běn）過盈的地（dì）方產生間（jiān）隙或更大的過盈量（liàng），使特殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外（wài），卡爪尺寸不合適，不能與（yǔ）加工試樣的外表麵完美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到（dào）一定程（chéng）度時，便會在加工過程出現樣品移動，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（qí）加工時的夾持壓（yā）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摸索總結而來。合理的夾（jiá）持壓力可（kě）以消除樣品在加工過程中的移動（dòng），同時（shí）把樣品變形（xíng）控製在彈性範圍內，這樣既（jì）可以有效（xiào）消除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋（wén）的橢圓（yuán）度。

同樣，卡（kǎ）爪（zhǎo）的設計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼（gāng）級並結合車床的特點專門設計。目（mù）前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾（jiá）持形式為點線接觸，這種夾持方式接觸麵積小，可（kě）以（yǐ）有效增加卡爪和樣品表麵之間的夾持力，防止加工樣品的移（yí）動，但會導致樣品受力（lì）不均，使樣（yàng）品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持（chí）方式（shì）的優點是樣品在（zài）加工時（shí）接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品尺（chǐ）寸好（hǎo），橢圓度佳，但加工時相對容易（yì）出現異（yì）動，產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且（qiě）包爪與樣品接觸的工作麵應（yīng）當設計成平頂齒狀或（huò）設（shè）置多個凹槽(見圖3)，以增加其（qí）摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑（jìng）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（wài）徑尺寸（cùn），進行圓弧（hú）包爪（zhǎo）的工作表麵的鏜車，以避免圓弧（hú）直徑（jìng）相差太大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還（hái）需（xū）注意包裹角度的設計，太小可能會導致夾持力不足，太（tài）大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導致樣品夾（jiá）持不緊（jǐn），產生顫紋。因（yīn）此，在特殊螺紋的加工過程（chéng）中，盡量選擇與加工樣（yàng）品（pǐn）外徑匹（pǐ）配的大摩擦（cā）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)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參（cān）差（chà）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（yàng）品加工時產生顫紋（wén）。同時，刀杆安裝時，刀（dāo）尖與（yǔ）車床主軸回（huí）轉（zhuǎn）中心(車床中心（xīn）高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊（diàn）以（yǐ）及相關配件的質（zhì）量情況直接決定了樣品的加（jiā）工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相（xiàng）互配合，會產生間隙，還有可能存在（zài）加工（gōng）尺（chǐ）寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都（dōu）會（huì）導致顫紋產生。因此，在特殊螺（luó）紋接頭加工時，應選擇質量（liàng）可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝（zhuāng）不規範（fàn）、裝夾不（bú）緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加（jiā）工過程中顫紋（wén）的出現。因（yīn）此（cǐ），安裝（zhuāng）新（xīn）的刀片、刀（dāo）墊時，應按照（zhào）操作規範進（jìn）行安裝。在加工過（guò）程中，也要定期檢查（chá）刀片、刀墊（diàn）是否鬆動或（huò）是夾（jiá）入鐵（tiě）屑，如有隱患應及時處理，以防止產生（shēng）顫紋。刀片（piàn）、刀墊緊固方式的設計合（hé）理性也是影響顫紋出現的重（chóng）要原因之一，應盡量選（xuǎn）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、刀墊緊固設計方案（àn），以降低（dī）加工過程中產（chǎn）生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車（chē）床中心高距離相差大，會導致（zhì）刀（dāo）具在車削時（shí）的刀具角度和理（lǐ）想角度偏差（chà）太大，刀具受力不在（zài）最佳狀態，從而導（dǎo）致樣品加工過程中產生振動，出現顫紋。因此，在進（jìn）行（háng）刀具對刀（dāo）時，一（yī）定要注意刀具安裝的角度，避（bì）免（miǎn）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會配套（tào）專用的對刀器來（lái）確定刀具的安裝角度。國產刀具（jù）一（yī）般不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基準刀對拔外皮後（hòu）實心棒料進行（háng）平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀（dāo）具刀尖調整到小圓錐台軸線的高度上即可最終確定刀（dāo）具安（ān）裝角度(見圖4)。通（tōng）常是通（tōng）過目測（cè）來判斷刀尖（jiān）與車床主（zhǔ）軸（zhóu）回轉中心（xīn）是否共線，因（yīn）此會存在一定（dìng）誤差。根據經驗，刀尖與車床（chuáng）主（zhǔ）軸回轉中（zhōng）心（xīn）的距離相（xiàng）差±0.5mm以內，可以有效減少（shǎo）加工顫紋的產生。

(4)加工參數（shù）及方式選取不當

特殊（shū）螺紋接頭的加工工藝是決定特殊螺紋接頭質量的重要影響因素，不（bú）同的吃刀量、車削（xuē）速度等（děng）都會導致（zhì）樣品加工質量上的（de）差異。此外，加工方式的選（xuǎn）擇也需（xū）要根據加工樣品的鋼級、尺寸等（děng）情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同（tóng）的加（jiā）工工藝及加工方式（shì），才（cái）能有效降低加（jiā）工顫紋出現（xiàn）的幾率。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良的（de）偏梯螺紋，因此，該螺紋的車（chē）削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進（jìn）行了相同吃刀（dāo）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（gěi）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(80m/min和100m/min)加工（gōng）時，螺紋表（biǎo）麵完好。因此，在進行特殊螺（luó）紋接頭加工時（shí），應（yīng）當（dāng）結合（hé）加工樣品的鋼級、尺寸及結構（gòu）情況，摸索（suǒ）出合理的車削速度，以避免產生（shēng）顫（chàn）紋。另外，合（hé）理的吃（chī）刀（dāo）量分配（pèi）也可大幅降低螺紋車削過程中（zhōng）顫紋的產生（shēng）幾率。吃刀量太（tài）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（pǐn）的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大（dà）的切削載荷，從（cóng）而引起刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影（yǐng）響螺紋的表麵質量（liàng）。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以一定（dìng）進給速度（dù）前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削（xuē）過程（chéng）中產生顫動，引（yǐn）起（qǐ）顫紋，同時（shí）吃刀量太小也會導致加（jiā）工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的（de）辦法

選擇合理的車削方式，可以有效（xiào）改善螺紋的表麵質量（liàng）並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常見（jiàn）進刀方式示意圖（tú）。徑（jìng）向進刀的（de）特點為各（gè）刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振（zhèn）動、刀尖易磨損，但操作相對簡（jiǎn）單，牙型精度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的（de）螺紋加（jiā）工；側（cè）向（xiàng）進刀的（de）特（tè）點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順（shùn）暢，切削力較小，但背吃刀量較（jiào）大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大（dà），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（bì）免斜向進刀刀刃磨損大和工件表麵粗糙度大的問題（tí）；交互式進刀切削時，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（chē）削，可采用改進型側向進（jìn）刀或交互式（shì）進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃（rèn）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（wén）的（de）發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加（jiā）工過程中（zhōng）普（pǔ）遍存在的現象（xiàng），不僅影響特殊螺紋接頭的表（biǎo）麵質量，還會導（dǎo）致特殊螺紋接頭的各項性能（néng）惡化，因此，加工過程（chéng）中應避免顫紋的產（chǎn）生（shēng）。

(1)車床、加工樣品以及（jí）刀具本（běn）身的剛性不足是（shì）引起顫紋的主要因素，應當選擇剛性高的刀具和車床，同時根據加工管體（tǐ）的實際情況（kuàng），適當設計或增加一些減振防（fáng）顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規（guī）範、刀具（jù）安裝不合理也（yě）是引起顫紋的因素之一，生產（chǎn）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（jù）安裝情況進行檢查（chá）；

(3)根據加工樣（yàng）品的鋼級、尺寸等情況，製定合理的加工工藝參數及加工方式，有效（xiào）控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產生。