​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的（de）原因及對策

特殊（shū）螺紋接（jiē）頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上（shàng）扣控製難、接（jiē）頭應力水平高等不足而專門設計的具有可靠連接（jiē）強度和良好密封性（xìng）能的專用油套管接頭，其結構設計特點決（jué）定了它（tā）良好的使用性能（néng）和加工精（jīng）度。隨著我國石油勘探水（shuǐ）平不斷提高，深井、超深（shēn）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（de）性（xìng）能及質量控製要求越來越高。目前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大（dà）部分都采用進口高精度數（shù）控（kòng）車床（chuáng），就（jiù）是為了更好地控（kòng）製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊螺紋接（jiē）頭加工過程中常見（jiàn）的加工缺陷，直接影響到特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的加工特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng）顫紋產生的原因及對（duì）策，為特殊螺紋接頭的生產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（gāng）性不（bú）足

特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常（cháng）見於（yú）螺紋車削階（jiē）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（bú）會像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果加工剛性較（jiào）差的薄壁管或者刀（dāo）具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振動，從而在螺紋加工表麵（miàn）產生顫紋。

在剛性較（jiào）差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計（jì）長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免（miǎn）管體懸出過長、管（guǎn）頭擺動造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可（kě）根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮（fú）動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低顫（chàn）紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於（yú）普通（tōng）車削，因此刀具會承受非常大的車削力（lì）。為有效避免加工過程中產生顫紋，要求在（zài）設（shè）計時根據加工管（guǎn）體的材料和特殊螺紋接頭的結構設計特點，製（zhì）定合理的（de）刀具設計方案，特別是設計內（nèi）螺（luó）紋刀杆時，應注意刀杆直（zhí）徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控製（zhì）在刀杆直徑（jìng）的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠（chǎng）家生產的專用防振（zhèn）刀杆。這些刀杆是為（wéi）了解決（jué）加工孔小行程長的內（nèi）螺紋專門設計的，一般懸出長度控（kòng）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性（xìng）。盡量選擇剛（gāng）性較好、適合重車削的數控車床。剛性（xìng）好（hǎo）的車床可以更有效地控製特殊螺紋接頭（tóu）加工的質量，防止（zhǐ）加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝（zhuāng）夾方式不合理

除了（le）車（chē）床、刀具以及管體本身（shēn）的（de）剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋出現的主要原因，例如夾（jiá）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（jiá）持壓力過低，在螺紋加工過程（chéng）中，試樣會發生位置移動，導致顫紋（wén）產生；如果（guǒ）夾持（chí）壓力過高，接頭毛坯（pī）在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡（jìn）管切削（xuē）時接頭內壁（bì）可以被車成（chéng）正圓（yuán）孔，但鬆（sōng）開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接（jiē）頭的（de）密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢（tuǒ）圓度超差時，會在原本過（guò）盈的地（dì）方產生間隙或更大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。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（chéng）出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的（de）加（jiā）工是一個長期（qī）總結經驗的過程，其加工時的夾（jiá）持壓力就是一（yī）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（qī）摸索總結而（ér）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（yàng）品變形控（kòng）製在彈性範圍內，這樣既可以有效消除（chú）加工（gōng）顫紋，還可以保證（zhèng）特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的（de）設（shè）計也要結合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（qián），常見的有平麵卡爪（zhǎo）和圓弧包爪。平麵卡爪（zhǎo）的夾（jiá）持形式為點線接觸，這種夾持方式（shì）接觸麵積小（xiǎo），可以有效增加卡爪和樣品表麵之間的夾持（chí）力（lì），防止加工樣品的移動，但會導致樣品受（shòu）力不均，使樣品加工後的尺寸或（huò）橢圓度超差。圓弧包（bāo）爪（zhǎo）夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積（jī）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（bāo）爪，且（qiě）包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂（dǐng）齒狀或設置多個凹（āo）槽（cáo）(見圖3)，以增（zēng）加（jiā）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（jìng）相匹配，最好（hǎo）在加工前根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包（bāo）爪的工作表麵（miàn）的（de）鏜（táng）車，以避免圓弧（hú）直徑相差太大而在加工中發生樣品移動（dòng）、產生顫紋（wén）。還（hái）需注意包裹角度的設計，太小可能會導致（zhì）夾持力（lì）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（chí）不緊，產生顫紋。因此，在（zài）特（tè）殊螺（luó）紋的加工過程中，盡量選擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓周的中上水（shuǐ）平，這樣不（bú）僅可以保證樣品的加工尺（chǐ）寸，同時還（hái）能有效降低加工過（guò）程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範（fàn）

刀片、刀墊（diàn）本身加工質量參差不齊、誤差大或（huò）緊（jǐn）固裝置設計不（bú）合理以及不規範安裝都（dōu）會（huì）導致樣品加工時產生顫紋。同時，刀（dāo）杆（gǎn）安（ān）裝時，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重要原因之一。

刀片、刀墊以及相（xiàng）關配件（jiàn）的（de）質量情（qíng）況直接決定了樣品的加工（gōng）質（zhì）量，質量差的刀片（piàn）、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好（hǎo）地相互配合，會產生間隙，還有可能（néng）存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導致顫（chàn）紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加（jiā）工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安（ān）裝不規（guī）範、裝夾不緊（jǐn）或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按（àn）照操作規範進行安裝。在加工過程（chéng）中，也要定期檢查（chá）刀片（piàn）、刀墊是否鬆（sōng）動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以（yǐ）防止產（chǎn）生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合（hé）理性也是影響顫紋出現的重要原因之一（yī），應盡量選擇經驗豐富的（de）專業刀片（piàn）、刀（dāo）墊製造廠家或使用較為成熟的刀片（piàn）、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床中（zhōng）心高（gāo）距離相差（chà）大，會導致刀（dāo）具在車削（xuē）時（shí）的刀具角度和（hé）理想角度偏差太大，刀具受力不在最（zuì）佳（jiā）狀態，從而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，一定要注意刀具（jù）安裝的角度，避免刀尖（jiān）與車床中心高距離相差太大。很多國外的專業（yè）刀具廠家會（huì）配套（tào）專用（yòng）的對刀器來（lái）確（què）定刀具（jù）的安裝角度。國（guó）產（chǎn）刀具一般不配套（tào）對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端（duān）麵車削，找到棒料的圓心，並留下一個小（xiǎo）圓錐台，將（jiāng）需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的高度上即可最終確定刀具安裝角度(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（fǒu）共線，因此會存在一定誤差。根據（jù）經驗，刀尖與車床主軸回轉中心的（de）距離相差±0.5mm以內，可以有（yǒu）效減少加工顫紋（wén）的產生。

(4)加工參數及方式選取不（bú）當

特殊螺紋接頭的（de）加工工藝是決定（dìng）特殊螺紋（wén）接頭質（zhì）量的重要影（yǐng）響因素，不（bú）同的吃刀量、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（de）鋼級、尺寸等情況來定。不同的（de）鋼級（jí）、尺（chǐ）寸對應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率。

特（tè）殊螺紋接頭的螺紋形式通常為（wéi）偏梯螺紋或（huò）改良（liáng）的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬（shǔ）於重車削。王瀟屹等對油管外（wài）螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車（chē）削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發（fā）現：當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在（zài）螺紋表麵都會（huì）產（chǎn）生顫紋（wén）；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在進行特殊螺紋接頭加工時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構（gòu）情況，摸索出合（hé）理的車削速度，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（luó）紋車削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太（tài）大時，刀具受（shòu）到的切削阻力大。隨（suí）著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時（shí），刀片會承（chéng）受非常大（dà）的切削載荷，從而引起刀片（piàn）出現（xiàn）輕微（wēi）顫動（dòng）或崩刀，產生顫（chàn）紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小（xiǎo）、轉速較高時（shí），刀具以一定進（jìn）給速度前進，被（bèi）車削（xuē）的試樣（yàng）無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造廠家（jiā）的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇（zé）合（hé）理的車削方式，可以有（yǒu）效改善螺紋的表（biǎo）麵質量並提高刀（dāo）具的使用壽命（mìng）。圖（tú）5為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（kùn）難，切削力較大，容易（yì）紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作（zuò）相對簡單，牙型（xíng）精度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單（dān）刃切削，排鐵屑順暢，切（qiē）削力較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表（biǎo）麵粗糙度較大，易出現顫（chàn）紋，而且不參與切削一側（cè）的刀刃磨損大；改進型側（cè）向進（jìn）刀（dāo）則可避免斜向進刀刀刃磨損大和工（gōng）件表麵粗糙度大（dà）的問題；交互式進刀切削（xuē）時，兩側（cè）刀刃磨損均勻，較適用於加工（gōng）大螺距螺紋。因此，對於特殊螺（luó）紋的車削，可采用（yòng）改進型側向進刀（dāo）或交互式進刀方式，以實現單刀刃（rèn）或雙刀刃切削（xuē），避免3個刀刃同時工作，減小振動出現的機率，避免顫紋的發生。

小（xiǎo）結

顫紋是（shì）特（tè）殊螺紋（wén）接頭生產加工過程中普（pǔ）遍存在的現象，不僅影響特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（de）主要因素，應當選擇（zé）剛性高的刀具和車床，同時根據加（jiā）工管體的實際情況，適當設計或增加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不（bú）規範（fàn）、刀具安裝不合理（lǐ）也是引起顫紋的因素之一，生產廠家應建立相應的（de）試樣裝夾、刀具安裝的管理文（wén）件，定期對樣品裝夾和刀具安（ān）裝情（qíng）況進行檢查；

(3)根（gēn）據（jù）加（jiā）工樣品的鋼級（jí）、尺寸等情況（kuàng），製定合理的加工工藝參數及加工方式，有（yǒu）效控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產（chǎn）生。