​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、上扣控製難、接頭應力（lì）水平高等（děng）不足而專門設計的具有可靠連接（jiē）強度和良好密封性能的專用油套管接頭，其結構設計特點決定了它良好的使用性能和加工精度（dù）。隨著我國石油（yóu）勘探水平不（bú）斷提高，深井、超深井、熱采井（jǐng）以及高溫高（gāo）壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭（tóu）的性能及質量控（kòng）製要求越來越高。目前，國內生產（chǎn）特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車床，就是為了更好地控製特殊（shū）螺紋接頭的（de）產品質量。

顫紋是特殊螺紋接頭加工過程中常見的加工缺陷，直（zhí）接影響到（dào）特殊螺紋接頭的使用性能和產品質量。本文結（jié）合特殊（shū）螺（luó）紋接頭（tóu）的加工特點，總結（jié）了特殊螺紋接（jiē）頭加工過程中顫（chàn）紋（wén）產生的原因及對策，為特殊螺（luó）紋（wén）接頭的生產質（zhì）量控製提供了（le）一定參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加（jiā）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（luó）紋車削階段（duàn）。特殊螺紋加工（gōng）的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論上會保持較（jiào）好的加工（gōng）表麵光潔度，而不會像（xiàng）普（pǔ）通（tōng）車削加工那樣受進給量的影響。但（dàn）如果加工剛性較差的薄（báo）壁管或者刀具、車（chē）床剛性不足，就會在加工（gōng）過程中發生振動，從而在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛性（xìng）較差的薄（báo）壁管體上進行螺紋加工（gōng）時，為避免加工顫（chàn）紋的產生，可（kě）以根據螺紋的設計長度、車床的加工特點和刀具（jù）裝夾方式（shì），確（què）定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成（chéng）加（jiā）工顫紋的（de）產生（shēng）。此外，在進行外螺紋加工時，可根據管體幾何尺寸（cùn），設計管體內支撐和輥道上的浮動（dòng）支撐輥(見圖2)，這樣可以更（gèng）有效地降低顫紋的產生。

特殊（shū）螺紋加工（gōng）時的進給量遠大於普通車削（xuē），因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避免加工過（guò）程中產生顫紋，要求在設計時根（gēn）據加工（gōng）管體的材料和特殊螺（luó）紋接頭的結構設計特（tè）點，製（zhì）定合（hé）理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋（wén）刀杆時（shí），應注意刀杆直（zhí）徑和懸出長度的關（guān）係。一般懸出長（zhǎng）度控製在刀杆（gǎn）直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔（kǒng）小且長的內螺（luó）紋時，盡量（liàng）選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆是為了（le）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，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可以有效地保證（zhèng）刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數（shù）控車床。剛性好的車床（chuáng）可以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質量，防止加（jiā）工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方（fāng）式不合理

除了車床（chuáng）、刀具以及管體本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方（fāng）式也是導（dǎo）致（zhì）顫紋出現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪（zhǎo）尺寸不合適等都會造成顫紋。如（rú）果夾持壓力過低，在螺紋加工過程（chéng）中，試（shì）樣會發生位置移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時（shí）有較大的不均勻彈性變形，盡管切削時接（jiē）頭內壁可以（yǐ）被車成正圓孔，但鬆開後（hòu），接頭彈性恢（huī）複，導致（zhì）樣品橢（tuǒ）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，使特殊螺紋接頭泄漏或發生（shēng）粘扣（kòu）。此外，卡爪尺寸（cùn）不合適，不能與加工試樣的外（wài）表麵完（wán）美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持（chí）穩定（dìng）性降低到一定程度時，便會在加工過程（chéng）出現樣品（pǐn）移動，產生顫紋。

油套（tào）管螺紋的加工是一（yī）個長期總結經驗的過程，其加工（gōng）時的夾持壓力就是一個重要的（de）數據經驗積累，主要根據加工（gōng）樣品的尺寸、鋼級（jí）以及車床（chuáng）本身的特點長（zhǎng）期摸（mō）索總結而來。合理（lǐ）的夾持壓力可以消除樣品在加工（gōng）過程中的移動，同時把樣品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（bǎo）證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合需要加工樣（yàng）品的尺寸、鋼級並結合車床的特點專（zhuān）門設計。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪（zhǎo）。平麵卡爪的夾持形式為點線接觸（chù），這種夾（jiá）持方式接觸麵積小，可以有效增加卡（kǎ）爪和樣（yàng）品表麵之間的夾持力，防止加工（gōng）樣品的移（yí）動，但會導致樣品受力不均，使樣品加（jiā）工後的（de）尺寸（cùn）或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在（zài）加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的（de）樣品尺寸好，橢圓度（dù）佳，但加工時相對容易出現異動，產生（shēng）顫紋。因此，在加（jiā）工特（tè）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)，以增加其摩（mó）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（pèi），最好在加工前根據加工樣品的外徑尺（chǐ）寸，進（jìn）行圓弧包（bāo）爪的工作表麵的鏜車，以避免圓（yuán）弧直徑相差太（tài）大（dà）而在加工中發生樣品移動、產生顫紋（wén）。還需注意包裹角度的設計，太小可能會（huì）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（zhì）樣品夾持不緊，產生（shēng）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（pèi）的大摩擦（cā）力圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓周的中上水平，這樣不僅可以保證樣品的加工尺（chǐ）寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規（guī）範

刀片、刀（dāo）墊本身加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝置設計不合理（lǐ）以及不規範安（ān）裝都會導致樣品加工時產（chǎn）生顫紋。同時（shí），刀杆安裝時（shí），刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心高)距離相差較大也是產生顫紋的（de）重要原因之一。

刀片（piàn）、刀墊以及相關配（pèi）件的（de）質量情況直接決定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後（hòu），不能很好地相互配合，會產（chǎn）生間隙（xì），還有可能存在加工（gōng）尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化（huà），這些都會導致顫紋產生。因此，在（zài）特殊螺紋（wén）接頭加工時，應選擇質量可靠（kào）的專業刀具（jù）。此外，刀（dāo）片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的（de）出現。因此，安裝新的刀片、刀墊（diàn）時，應按照操作（zuò）規範進行安裝。在加工過程中，也（yě）要定期檢查刀片、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（chǎn）生顫紋。刀（dāo）片、刀墊緊固方式的設計合理（lǐ）性（xìng）也是影響顫（chàn）紋出現（xiàn）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（shǐ）用較為成（chéng）熟的刀片、刀墊緊固設計方（fāng）案，以降低加工過（guò）程中產生顫紋的可能性。

刀杆安（ān）裝不規範、刀尖與車床中心高距（jù）離相差大，會導致刀具在車削時的刀具（jù）角度和（hé）理（lǐ）想角度偏差太大，刀具受力不（bú）在最佳狀態，從而導致（zhì）樣品加工過程中產生（shēng）振（zhèn）動，出（chū）現（xiàn）顫紋。因此，在進行刀具對（duì）刀時，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀（dāo）尖（jiān）與車床中心高距離相差太（tài）大（dà）。很多國外的專業刀具廠家會配套專用的對刀器來確（què）定刀具的安裝角度（dù）。國產刀具一般不配套對刀器，在確定（dìng）刀具安裝角度時，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（liào）的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具（jù）刀尖（jiān）調整到小圓錐台（tái）軸線的高度上即可最終確定刀（dāo）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回轉中心是否共（gòng）線，因此會存在一定誤差。根據經驗（yàn），刀尖與車床主（zhǔ）軸回轉中心的距離相差±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）選取不當

特殊螺紋接頭的（de）加工工藝是決定特殊螺紋接頭質量的（de）重要影響因素（sù），不同的吃刀量、車削速度（dù）等都會導致樣品加工質量上的差異。此外，加（jiā）工方式的選擇也需要根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不（bú）同的（de）鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加工（gōng）方式，才能有效降低加工（gōng）顫紋出現的幾率（lǜ）。

特殊螺紋接頭的螺紋形式（shì）通常為偏梯螺紋或（huò）改（gǎi）良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟（xiāo）屹等對油（yóu）管（guǎn）外螺（luó）紋進行了相同吃刀（dāo）量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究（jiū）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（shēng）顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加（jiā）工時，螺紋表麵完好。因此，在進行特殊螺紋（wén）接頭加（jiā）工時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出（chū）合理（lǐ）的車削速度，以避免產生顫（chàn）紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降（jiàng）低螺紋車削過程中顫紋（wén）的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切（qiē）削阻力大。隨著螺紋深度的（de）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，刀片會承受非（fēi）常大的切削載荷，從而引起刀片出現輕微（wēi）顫動或崩刀，產生顫紋，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（xuē）的試樣無法緊壓住（zhù）刀（dāo）片（piàn），導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋（wén），同時吃刀量太小也（yě）會導致加工效率大幅降低，影響（xiǎng）製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方式，可以有效改善螺紋的（de）表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削（xuē）常（cháng）見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃同時工作，排（pái）屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對（duì）簡單，牙型精度較（jiào）高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是（shì）不（bú）易紮刀（dāo），單刃切削，排鐵屑順（shùn）暢，切（qiē）削力較小，但背吃刀量較大（dà），牙型精度差，螺紋表麵（miàn）粗糙度較（jiào）大，易出現顫紋，而且不參與切削一側的刀刃（rèn）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（sǔn）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（shuāng）刀刃切削，避免3個刀（dāo）刃同時工作（zuò），減小振動出現的機率，避（bì）免顫（chàn）紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加工（gōng）過程中（zhōng）普遍存（cún）在的現象，不僅影響特（tè）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，加工過程（chéng）中應避免顫紋的產生。

(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素，應當選擇剛性高的刀（dāo）具和車床，同時根據加工管體的實際情況，適當（dāng）設（shè）計或增加一些減（jiǎn）振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝（zhuāng）不合理也（yě）是引起顫紋的因素之一，生產廠家應建立相應的試樣（yàng）裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣（yàng）品裝夾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（zhì）定合理的加工工藝參數（shù）及（jí）加（jiā）工方式，有效控製特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中（zhōng）顫紋的產生（shēng）。