數控車床加工（gōng）特殊螺紋接頭產生顫紋（wén）的原因及對策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封（fēng）性能差、上扣（kòu）控製難、接頭應力水平高等不足而專門設（shè）計的具有可靠連接強度（dù）和良好密封性能的專（zhuān）用油套（tào）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。隨著我（wǒ）國（guó）石（shí）油勘探水平不斷提高，深井、超深（shēn）井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭（tóu）的性能及質（zhì）量控製要求越來越高。目前，國內生產特（tè）殊螺（luó）紋接頭的（de）廠家大（dà）部分都采用進口高精度數控（kòng）車床（chuáng），就（jiù）是為了更好地控製特（tè）殊螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊螺紋接頭加工過程中常見（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（shū）螺紋接頭（tóu）的加工特點（diǎn），總結了特殊螺紋接頭加工（gōng）過程中顫紋產（chǎn）生的原因及對策，為特殊螺（luó）紋接頭的生產質量控製提（tí）供了（le）一定參考。

1 顫紋產生的（de）原（yuán）因

(1)加工試樣、刀（dāo）具或車（chē）床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論上（shàng）會保持較好的加工表麵光潔（jié）度，而不會像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如（rú）果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就（jiù）會在加工過程（chéng）中發生振（zhèn）動，從而在螺紋加工表麵（miàn）產生顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上進行螺（luó）紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計長度、車床的加工特點（diǎn）和刀具裝夾方（fāng）式，確定合理的管（guǎn）體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成（chéng）加工顫（chàn）紋（wén）的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可根據（jù）管體幾何尺寸，設計（jì）管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖（tú）2)，這（zhè）樣可（kě）以更有效地（dì）降低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普（pǔ）通車削（xuē），因（yīn）此刀具會承受非常（cháng）大的車削力。為有效避免加工過程中產生顫紋，要求在設計時（shí）根據加工管（guǎn）體（tǐ）的材料和特殊螺紋接頭的結構設計特點，製定合理的刀具（jù）設（shè）計方案，特別是設計（jì）內（nèi）螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑（jìng）的（de）1.5-2倍為宜，如果（guǒ）需要加工內孔小且長的內螺（luó）紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工孔小行程長的內螺紋專（zhuān）門設計的，一般懸出長度控製在刀杆（gǎn）直徑（jìng）的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材（cái）料和熱處（chù）理工藝也很重要，合理的刀具材料和（hé）熱處理工藝可（kě）以（yǐ）有效地保證刀具的（de）剛性。盡量選擇剛（gāng）性較好、適合重車削的數（shù）控車（chē）床。剛性好的車床可以更有（yǒu）效地控製特殊（shū）螺紋接頭加工的（de）質量，防止加（jiā）工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾（jiá）方式不合理

除了車床（chuáng）、刀具（jù）以及管體本身的（de）剛性不足，加工（gōng）試樣的裝夾方（fāng）式也是導致顫紋出現的主（zhǔ）要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合（hé）適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工（gōng）過程中，試樣會發（fā）生位置移動，導致顫紋產生；如果夾持（chí）壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的（de）不均勻（yún）彈性變形，盡管切削時接頭內（nèi）壁可以被車成正圓孔，但（dàn）鬆開後，接頭彈（dàn）性恢（huī）複，導致樣品橢圓度（dù）超差。特殊螺紋接頭的密（mì）封性（xìng）能（néng）主要靠金屬過盈來實現，當（dāng）橢（tuǒ）圓度超差時，會在原（yuán）本過盈的地方產生（shēng）間（jiān）隙或更大（dà）的過盈量，使特殊（shū）螺紋接頭泄（xiè）漏或發生（shēng）粘扣。此外（wài），卡爪尺寸不合（hé）適，不（bú）能與加工試樣（yàng）的外表麵完美貼合，勢必會（huì）影響夾持的穩定性。當夾持（chí）穩定性降低到一定程（chéng）度時，便會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺（luó）紋的加工是一個長期（qī）總結經驗（yàn）的過程，其加工時的夾持壓（yā）力就是一個重要的數據經驗積累，主要根（gēn）據加工樣（yàng）品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期摸（mō）索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣品在（zài）加工過程中的移動，同時把樣品變（biàn）形控製在彈性範（fàn）圍內，這樣既可以有效消除（chú）加工顫紋，還可以保（bǎo）證特（tè）殊螺紋的橢圓度（dù）。

同樣（yàng），卡爪的設計也要（yào）結合需要加工樣品的尺寸、鋼級並結合車（chē）床的特（tè）點專門設計。目前（qián），常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾（jiá）持形式（shì）為點線接觸，這種夾持方（fāng）式（shì）接觸麵積（jī）小，可以有效增加卡爪和樣品表麵之間（jiān）的夾持力，防（fáng）止加（jiā）工樣品的移動，但會（huì）導致樣品受力（lì）不均，使樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積（jī）大，受力均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容（róng）易（yì）出現異動，產生顫紋。因（yīn）此，在加工特殊螺紋接頭時，應（yīng）盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂齒狀或（huò）設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓（yuán）弧包爪的圓弧直徑應盡（jìn）量與加工樣品外徑相匹配，最好在加工前根據加工樣品的（de）外徑尺（chǐ）寸（cùn），進行圓弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓弧直（zhí）徑相（xiàng）差太大（dà）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（shè）計（jì），太（tài）小可能會（huì）導致夾持力不足，太大則會造成裝（zhuāng）夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導致樣品夾持不緊，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外徑匹配的大摩擦力圓（yuán）弧（hú）包爪，包（bāo）裹角度應達到整個樣品圓周的中上水（shuǐ）平，這樣不僅可以保證樣品的加工尺寸，同時還（hái）能有效（xiào）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範

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

刀片、刀墊以及相關配件（jiàn）的質量情（qíng）況直接決定（dìng）了樣品的加工質量，質量差（chà）的刀片、刀墊安裝在刀杆上（shàng）後，不能很好地相互配合，會（huì）產生間隙，還有可能存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導致顫紋產生。因此（cǐ），在特殊（shū）螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或是在車削過程中（zhōng）夾入（rù）鐵屑（xiè），都會導致加工過程中顫紋的出現。因（yīn）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，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動（dòng）或是夾入鐵屑，如有隱患應及時（shí）處理，以（yǐ）防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性也是影響顫紋出現的重要原因之一，應盡量選擇經驗豐富（fù）的專業刀片、刀墊製造廠家（jiā）或使用（yòng）較為成熟的刀片、刀（dāo）墊緊固設（shè）計方案，以降低加工過程（chéng）中產生顫紋的可能性。

刀杆安（ān）裝不（bú）規範、刀尖與車床中心高距離相差大，會導致刀（dāo）具在（zài）車削時的刀具角（jiǎo）度和理（lǐ）想角度偏（piān）差太大，刀具受力不在最（zuì）佳狀態，從而導致（zhì）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（yì）刀具（jù）安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離（lí）相差太大。很多國（guó）外的專業刀具（jù）廠家會配套專用的對（duì）刀器來確定刀具的安裝角度。國產（chǎn）刀具（jù）一般不（bú）配套（tào）對刀器，在（zài）確定刀具安裝角度時（shí），可用基準刀對拔外皮後實心棒料（liào）進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下一個小圓錐（zhuī）台（tái），將需要安裝的刀具刀尖調（diào）整到小圓（yuán）錐台（tái）軸線的高度上即可最終（zhōng）確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是（shì）通過目測來判斷刀尖與車床（chuáng）主軸回轉中心是否共線，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（xiàng）差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫（chàn）紋的產生。

(4)加工參數及方式選取不（bú）當

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

特殊螺紋接頭的螺（luó）紋形式（shì）通常為偏梯螺紋或改良（liáng）的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對（duì）油管外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研（yán）究發現：當進給（gěi）速（sù）度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺（luó）紋（wén）表麵都會產生顫紋；而在中間（jiān）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，應當結合（hé）加工樣品的鋼級、尺寸及（jí）結構情況（kuàng），摸索出合（hé）理的車削速度，以避免產生顫紋。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（zhe）螺（luó）紋深度的增加，刀（dāo）片與樣品的接觸麵積逐（zhú）漸增（zēng）大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大的切削載荷，從而引起（qǐ）刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量（liàng）過小、轉速較高時，刀具以一定進給速度前進，被車削的（de）試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引（yǐn）起顫紋，同時（shí）吃刀（dāo）量太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方式，可以（yǐ）有（yǒu）效改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點（diǎn）為各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖（jiān）易磨損，但操作相對簡單，牙型精度較高，一般適合於小齒形小（xiǎo）螺距的螺紋（wén）或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃（rèn）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，螺紋表麵粗糙（cāo）度較大，易出現顫紋，而且（qiě）不參與切（qiē）削一側的刀刃磨損大；改進型側向進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損（sǔn）大和工件表麵粗糙度（dù）大的問題；交互式進刀切削時，兩側刀刃磨（mó）損均（jun1）勻，較適用於加工大螺距螺（luó）紋。因此，對於（yú）特殊螺紋的車削，可采用改進型側向進刀（dāo）或交互式進刀方式，以實現（xiàn）單刀刃或（huò）雙刀刃（rèn）切（qiē）削，避免3個刀刃同時工作，減（jiǎn）小振動出現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接（jiē）頭生產加工過程中普遍存在的現（xiàn）象，不僅（jǐn）影響特殊螺紋接頭的（de）表（biǎo）麵質量，還會導致特殊螺紋接（jiē）頭的各項性能惡化（huà），因此，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（běn）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和車床，同時根據加（jiā）工管（guǎn）體的實際情況，適當設計（jì）或增加一些減振防顫（chàn）的工裝或工藝（yì）；

(2)試樣裝（zhuāng）夾不（bú）規範、刀具安裝（zhuāng）不（bú）合理也是引起（qǐ）顫紋（wén）的因素之（zhī）一（yī），生產廠家應建立相應的（de）試樣裝夾、刀具安裝的管（guǎn）理文件，定期對樣品裝夾和刀（dāo）具安裝情況進行檢查；

(3)根據加（jiā）工樣品（pǐn）的鋼級、尺寸等情況，製定合（hé）理的（de）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（chéng）中顫紋的產生。