數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控製難、接頭應力水平高等不足（zú）而專門設計（jì）的具有可靠連接強度和（hé）良好密封性能的專用油套管接頭，其結構（gòu）設計特點（diǎn）決定（dìng）了它良好的（de）使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超（chāo）深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐（zhú）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（qián），國內生產特殊螺紋接頭的廠（chǎng）家大部分都采用進口高精度數控車床，就是為了更（gèng）好地控製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊螺紋接頭加工（gōng）過程中常見的加工（gōng）缺（quē）陷，直接影（yǐng）響到特殊螺（luó）紋接頭的使用性能和產品質量。本（běn）文結合特殊螺（luó）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的原因及（jí）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（shēng）的原因

(1)加工試樣、刀具（jù）或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工（gōng）過程中，顫紋常見於螺（luó）紋車削階（jiē）段（duàn）。特殊螺紋加工的螺（luó）紋（wén）成（chéng）型麵是經過連續加工獲（huò）得的，理論上會（huì）保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車（chē）削（xuē）加工（gōng）那樣受進給量的（de）影響。但如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振（zhèn）動，從而（ér）在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛（gāng）性較差的薄壁（bì）管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的（de）設計長度、車床的加工特點（diǎn）和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以（yǐ）避免管體懸出過長（zhǎng）、管頭擺動造成加工顫紋（wén）的產生（shēng）。此外，在進行外螺紋加工時，可根據管體幾何尺寸，設計管體（tǐ）內支撐和輥（gǔn）道上的浮動支撐輥(見圖（tú）2)，這樣可以更有效地降低顫紋的產（chǎn）生。

特殊（shū）螺紋（wén）加工時的進給量遠大於（yú）普（pǔ）通車削，因此刀具會承受非常大的車削（xuē）力。為有效避免加（jiā）工（gōng）過程中產（chǎn）生顫紋，要求在設（shè）計（jì）時根據加工管體的材料和特殊螺紋接頭的結構設計特點，製定合理的刀具設計方（fāng）案，特別是設計內（nèi）螺（luó）紋（wén）刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長（zhǎng）度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍（bèi）為宜，如果需要加工（gōng）內孔小（xiǎo）且長的內螺紋時，盡（jìn）量選擇專業（yè）刀（dāo）具廠家生產（chǎn）的專用防振刀杆。這些刀杆是為了（le）解決加工（gōng）孔小行程長的內螺紋專門（mén）設計（jì）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（gōng）藝也很重要，合理（lǐ）的（de）刀具材料和（hé）熱處理工藝可以有效地保證刀具（jù）的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控車床（chuáng）。剛性好的車床可以更有效地控製特殊螺紋接頭加（jiā）工的（de）質量，防止加工過程中出現顫（chàn）紋（wén）。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及管體本身（shēn）的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是（shì）導致顫紋出（chū）現的主（zhǔ）要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中，試（shì）樣會發生位（wèi）置（zhì）移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接（jiē）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（bèi）車成正圓孔（kǒng），但鬆開後，接頭彈性恢複，導致（zhì）樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要（yào）靠金（jīn）屬過盈來實現，當橢圓度超差時（shí），會在原本過盈的地方產生間隙或更大（dà）的過盈量，使特殊螺紋接頭泄（xiè）漏（lòu）或發生粘扣（kòu）。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（xiǎng）夾持（chí）的穩定（dìng）性。當夾持穩定性降低（dī）到一定程（chéng）度時，便會在加工過程出現樣品移（yí）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（jiù）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（lái）。合理的夾持壓力可以（yǐ）消除樣（yàng）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（yǐ）保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門設計。目前，常見的有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（shì）接觸麵積小，可以有效增加（jiā）卡爪和樣品（pǐn）表麵之間的夾持（chí）力，防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品加工後的尺寸或橢（tuǒ）圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大（dà），受（shòu）力均勻，加工後的樣品尺寸（cùn）好（hǎo），橢圓度佳，但加工時相對容（róng）易出現異動，產生顫紋（wén）。因此，在加工特殊螺紋接頭時（shí），應盡量選擇圓弧包爪，且包（bāo）爪與樣品接觸的工作麵（miàn）應當設（shè）計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦（cā）力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量（liàng）與加工樣品外徑（jìng）相匹配，最好在加工前（qián）根據加工樣品的外徑尺寸（cùn），進行圓弧包爪的工作（zuò）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（dòng）、產生顫紋。還需注意包裹（guǒ）角度的設計（jì），太小（xiǎo）可（kě）能會導致夾持力不足，太大（dà）則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導致（zhì）樣（yàng）品（pǐn）夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋（wén）的（de）加（jiā）工過程（chéng）中，盡（jìn）量選擇與（yǔ）加（jiā）工（gōng）樣品外徑匹配（pèi）的大（dà）摩（mó）擦力圓弧（hú）包爪，包（bāo）裹角度（dù）應達到（dào）整（zhěng）個樣品圓周的中上水平，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（guò）程中顫紋的（de）出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本（běn）身加工質量參差不齊、誤（wù）差大或緊固裝置設計（jì）不（bú）合理以及不規範安裝都會導（dǎo）致樣（yàng）品加（jiā）工時產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床主軸回轉中心（xīn）(車床中心高（gāo）)距離相差（chà）較大（dà）也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以（yǐ）及相關配件的質量情（qíng）況直接決定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊（diàn）安裝在刀杆上後，不能很好地（dì）相互配合，會產生間隙，還有可能存在加工尺寸與設計（jì）方案有出入以及（jí）刀具鈍化，這些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀（dāo）具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊（jǐn）或是（shì）在車削過程中夾入鐵屑，都會導（dǎo）致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。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（chù）理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的（de）設計合理性也是影響顫紋出現的重要原因之一，應盡量選擇（zé）經驗豐富的專業刀片（piàn）、刀墊製造廠家或使用（yòng）較為（wéi）成熟的刀片、刀墊緊固設計方（fāng）案，以降（jiàng）低（dī）加工過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車（chē）床中（zhōng）心高距離相差大，會（huì）導致刀具在車削時的刀具角（jiǎo）度和理（lǐ）想角度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態，從而導致樣品加工過程中產（chǎn）生振動，出現顫紋。因（yīn）此，在進行刀具對刀時，一定（dìng）要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心（xīn）高距離相差太大。很多國外的專（zhuān）業刀具廠（chǎng）家會配套專用的對（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，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（bàng）料的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖（jiān）調（diào）整到小圓錐台（tái）軸線的高度（dù）上即（jí）可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目測來（lái）判斷刀尖與車床主軸回轉中心是否共線，因此（cǐ）會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車（chē）床主（zhǔ）軸回轉中（zhōng）心的距離相差±0.5mm以內，可以（yǐ）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特殊螺紋接（jiē）頭質量（liàng）的重要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等都會導致樣品加工質（zhì）量上的差異。此外，加工方式的選擇也需要根（gēn）據加工樣品的鋼級、尺（chǐ）寸等情況來定。不同（tóng）的（de）鋼級（jí）、尺寸對應（yīng）不同的加工工藝及加（jiā）工方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾（jǐ）率。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋（wén）或改良的偏（piān）梯螺紋，因此，該螺紋的（de）車（chē）削屬於重車（chē）削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀量（liàng）(0.3mm)、不同車削（xuē）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；而在中（zhōng）間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在（zài）進行特殊螺紋接頭加工時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及（jí）結構情況，摸索出（chū）合理的車削速度，以避免產生顫紋。另外，合理的（de）吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋的產生幾（jǐ）率。吃刀量太大時，刀具受到的（de）切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸（chù）麵積逐漸增（zēng）大（dà），螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大的切削載荷，從（cóng）而引起刀片（piàn）出（chū）現輕微顫動或崩刀（dāo），產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具（jù）以一定進（jìn）給速度前進（jìn），被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致（zhì）刀片在（zài）車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀（dāo）量太小也會導致加工效率（lǜ）大幅降（jiàng）低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產（chǎn）生的辦法

選擇合（hé）理的車削方式，可以有效改善螺紋（wén）的表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為（wéi）螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃同時工作，排屑困難，切削力（lì）較大，容易紮刀、振動、刀（dāo）尖易磨損，但（dàn）操作相對簡（jiǎn）單，牙型精度較高，一（yī）般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢（chàng），切削力較小（xiǎo），但背吃（chī）刀量較（jiào）大，牙（yá）型精度（dù）差，螺紋表麵粗糙（cāo）度較大，易出現顫紋（wén），而且不參（cān）與切削一側的刀刃磨損大；改進型側向進（jìn）刀則可避（bì）免斜向進刀刀刃（rèn）磨損大和（hé）工件表麵粗糙度大的問題；交互式進刀切削時，兩側（cè）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，減小振動出現的機率（lǜ），避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特（tè）殊螺紋接頭生產（chǎn）加工過程中普遍存在的（de）現象（xiàng），不僅影響特殊螺紋接頭的（de）表麵質量，還會導致特殊螺紋接（jiē）頭的各項性能惡化（huà），因（yīn）此（cǐ），加工過程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具（jù）和車床，同時根據加工管（guǎn）體的實際情況，適當設計或增加一些減振（zhèn）防顫的工（gōng）裝或工藝；

(2)試樣裝（zhuāng）夾不（bú）規範、刀具安裝不合理也是引起顫紋的因素之一，生產廠家應建立相應的試（shì）樣裝夾、刀具（jù）安裝的（de）管（guǎn）理文件，定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；

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