​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差（chà）、上扣（kòu）控製難、接頭應力水平高等不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好（hǎo）密封（fēng）性能的專用油套管接頭，其結構設計特點（diǎn）決定了它良（liáng）好的使用性能（néng）和加工精度（dù）。隨（suí）著我（wǒ）國石油勘探水平不斷提高，深井（jǐng）、超深井、熱采井以及（jí）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（bù）分（fèn）都（dōu）采用進口高精度數控車床（chuáng），就是為了（le）更（gèng）好（hǎo）地控（kòng）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（chéng）中常見的加工（gōng）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（shū）螺紋接頭的加工特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產生（shēng）的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產質量（liàng）控製提供（gòng）了一定參考。

1 顫紋產生的（de）原因

(1)加（jiā）工試樣、刀具或車床本身剛（gāng）性不足

特殊螺紋（wén）接頭加工過程中，顫（chàn）紋常見於螺紋車（chē）削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵（miàn）是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好（hǎo）的加工（gōng）表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進給量的影（yǐng）響。但（dàn）如果加工剛性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，從而在螺紋加（jiā）工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄（báo）壁管體上進行螺紋加工時，為避（bì）免加工顫紋的（de）產生，可以根據螺紋的設（shè）計長（zhǎng）度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確定合理的管（guǎn）體懸出長度(見圖1)，以避免（miǎn）管體懸出（chū）過長、管（guǎn）頭擺動造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺（luó）紋加（jiā）工時，可根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮（fú）動（dòng）支撐（chēng）輥（gǔn）(見圖2)，這樣可以更有效地降低顫（chàn）紋的產（chǎn）生。

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（miǎn）加工過程中產生顫紋，要求在設計時根據加工（gōng）管體的材料和特殊螺紋接頭的結構設計特點，製定合理（lǐ）的刀（dāo）具設計方案，特（tè）別是設計內（nèi）螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和（hé）懸出長度的關係。一般懸（xuán）出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內（nèi）孔小且長的內螺（luó）紋（wén）時，盡量選擇專業刀具廠家生（shēng）產的專用防振（zhèn）刀（dāo）杆。這些刀杆是為了解決加工孔小行程長的內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在刀杆直徑的3-4倍。另外（wài），選擇適當的刀具材料和熱處理工藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛（gāng）性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛性好的車床可以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質量，防止加工過（guò）程中出現顫紋。

(2)加工（gōng）試樣的裝夾方式（shì）不合理

除了車床、刀具以（yǐ）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（yào）原（yuán）因，例如夾持壓（yā）力不合理或夾具卡（kǎ）爪尺寸不合適等（děng）都會造成顫紋。如果（guǒ）夾持壓力過（guò）低，在螺紋加工（gōng）過程中，試樣會發生位置（zhì）移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過（guò）高，接頭毛坯在（zài）夾緊時有較大的不均勻彈性變形（xíng），盡管切削時接頭內壁可以被車（chē）成正圓（yuán）孔，但（dàn）鬆開後，接（jiē）頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性（xìng）能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地（dì）方產生間隙或更大（dà）的過盈（yíng）量，使特（tè）殊螺紋接頭（tóu）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，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性（xìng）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（de）加工是一個長期總結經驗的過程，其加工時的夾持（chí）壓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（jí）車床（chuáng）本身的特點長期摸索總結（jié）而來。合理的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中的移動，同時把樣品（pǐn）變形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效消除加工顫紋，還可以保證特（tè）殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要（yào）結合需要加工樣品的（de）尺（chǐ）寸、鋼級並結合車床的特點專門（mén）設計。目前（qián），常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵（miàn）卡爪的夾持形式為點（diǎn）線接觸，這種夾持方式接觸麵積小，可以有效（xiào）增加卡爪和樣品表麵（miàn）之間的夾持力，防止（zhǐ）加（jiā）工樣品的（de）移動，但（dàn）會導致樣品受力不均，使樣品（pǐn）加工後的（de）尺寸或橢（tuǒ）圓度超差。圓弧包爪夾持（chí）方式的（de）優點是樣品在加工時接觸麵（miàn）積大，受力均勻（yún），加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容（róng）易出現異動，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，且包爪與樣品（pǐn）接觸的工（gōng）作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其（qí）摩擦（cā）力。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，最好在加工前根據加（jiā）工樣品的外徑尺寸，進行圓（yuán）弧包（bāo）爪的（de）工作表麵的鏜車，以避免圓弧直徑相差太大而在加工（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相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產（chǎn）生顫紋。因此，在特殊螺紋（wén）的（de）加工過程中，盡量選擇與加工樣品外徑（jìng）匹配（pèi）的大摩擦（cā）力（lì）圓弧包爪，包（bāo）裹角度應達到整個樣品圓周（zhōu）的（de）中上（shàng）水平，這樣不僅可以保證樣品的（de）加工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質（zhì）量差或安裝不（bú）規範（fàn）

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝置設計不合理以及不規範安（ān）裝（zhuāng）都會導致樣品加工時產生（shēng）顫紋。同時，刀杆安裝時，刀（dāo）尖與車床主軸（zhóu）回（huí）轉中心(車床中心高)距離（lí）相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀（dāo）片、刀墊以及相關配件（jiàn）的質量情況直接決定了樣（yàng）品的加工質量，質（zhì）量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互（hù）配合，會產（chǎn）生間隙，還有可能存在加工尺寸與設（shè）計方案有出入以及刀具鈍化，這（zhè）些（xiē）都會導致顫紋產生。因此，在（zài）特殊螺紋接（jiē）頭加工時（shí），應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不（bú）緊或是在（zài）車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的（de）出現。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應（yīng）按照操作規範進行安裝。在加工過程中，也要（yào）定期（qī）檢查刀片、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以防止產生顫（chàn）紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性（xìng）也是影響顫紋出現的重要原因之一，應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（shú）的刀片、刀墊（diàn）緊固設計方（fāng）案（àn），以降低加工（gōng）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（gāo）距離相差大，會導（dǎo）致刀具在車（chē）削時的刀具角度和理想角度偏差（chà）太大，刀（dāo）具受（shòu）力不在最佳狀態（tài），從而導致樣（yàng）品加工過程（chéng）中產生振動，出現顫紋。因此，在進行刀具（jù）對刀時（shí），一定要注意（yì）刀（dāo）具安裝的角度（dù），避免刀尖與（yǔ）車床中心（xīn）高距離相差太大。很多（duō）國（guó）外的專業刀具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（zài）確定（dìng）刀具安裝角度時，可用基準刀對（duì）拔外皮後實（shí）心棒料進行平端麵車削，找到棒（bàng）料的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的（de）刀（dāo）具刀尖（jiān）調整（zhěng）到小（xiǎo）圓錐台軸線的高度上即可最終確定刀具安裝角度（dù）(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與車床主軸回（huí）轉中心是否共（gòng）線，因此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少（shǎo）加工顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋接（jiē）頭的加工工藝是決定（dìng）特殊螺紋接頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量（liàng）、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根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來（lái）定（dìng）。不同的鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加工方式，才（cái）能有（yǒu）效降低（dī）加工顫紋出現的幾率。

特（tè）殊螺（luó）紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因（yīn）此，該螺紋的車削屬於（yú）重車削。王瀟屹等對油管外螺紋（wén）進行了相同吃刀量（liàng）(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（guò）快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而（ér）在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此（cǐ），在進行特殊螺紋接頭加工時，應（yīng）當結合加工樣品的鋼級（jí）、尺寸及結構情況，摸（mō）索出合理的車削速（sù）度，以避免（miǎn）產生顫紋（wén）。另外，合理的吃刀量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（wán）成時，刀片（piàn）會承受非常大的切削載（zǎi）荷，從而引起刀片出現輕（qīng）微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表麵質量（liàng）。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以一定進給速度前進（jìn），被車削的試樣無法緊壓住刀片（piàn），導致刀片在車（chē）削過程（chéng）中產生顫動，引起顫紋，同（tóng）時吃刀量太小也（yě）會導致加工效（xiào）率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免（miǎn）顫紋產（chǎn）生的辦法

選擇合理的車削方式，可以有效改善螺紋的（de）表麵質量並提高刀具的使（shǐ）用壽（shòu）命。圖5為螺紋車削常見進刀方（fāng）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（yì）紮刀、振動（dòng）、刀尖易（yì）磨損，但操作相對簡單，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（liào）的螺（luó）紋（wén）加工；側向進（jìn）刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵（tiě）屑順暢，切削力較小，但背（bèi）吃刀量較大，牙型精度（dù）差，螺紋表麵（miàn）粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切削（xuē）一側的刀刃磨損大；改進型（xíng）側向進刀則可避免斜向進刀（dāo）刀刃磨損大和（hé）工件表麵（miàn）粗糙度大的問（wèn）題；交（jiāo）互式進刀切削時（shí），兩側刀刃磨損均勻（yún），較適（shì）用於加工大（dà）螺距螺紋。因此，對於特殊螺（luó）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（chū）現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加工過程（chéng）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（gè）項性能惡（è）化，因（yīn）此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加工樣品（pǐn）以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋（wén）的主要因素，應當選擇剛性高的刀具和車床，同（tóng）時根據加（jiā）工管體的實際情況，適當設計或增加一些減振防顫（chàn）的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝不（bú）合理也是引起顫紋的因素（sù）之一，生產（chǎn）廠家應建立相應的試（shì）樣裝夾、刀具（jù）安（ān）裝的管理文件，定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；

(3)根據加工（gōng）樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合理（lǐ）的加工工藝參數及加工方式，有效控製特殊螺紋（wén）接頭加工過（guò）程（chéng）中顫紋的產生。