數控車床加工特殊螺（luó）紋接頭產（chǎn）生（shēng）顫紋的原因及對策

特（tè）殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上（shàng）扣控製難、接頭應力水平高等不足而專門（mén）設計的具（jù）有可靠連接強度和良好密封性能的（de）專用油套管接頭，其結構設計特點決定了它良好（hǎo）的使用（yòng）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（liàng）逐年增加，對（duì）特殊螺紋接頭的性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部分都采用進口高精度數（shù）控車床，就（jiù）是為（wéi）了更好地控製特殊（shū）螺紋接頭的產品質量。

顫紋是（shì）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（liàng）。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點，總結（jié）了特殊（shū）螺紋接頭加工過程（chéng）中顫紋產生的原因及對策，為特殊螺紋接（jiē）頭的生產質量（liàng）控製提供了一定參（cān）考。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工（gōng）過程（chéng）中，顫紋（wén）常（cháng）見（jiàn）於螺紋車削階（jiē）段。特殊螺紋加工的（de）螺紋成型麵是經過連續（xù）加工獲（huò）得的（de），理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通（tōng）車削加工那樣受進給量的影響。但如果（guǒ）加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車（chē）床剛性（xìng）不足，就會在加工過程（chéng）中發生振動（dòng），從而（ér）在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的（de）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長度、車床（chuáng）的加（jiā）工特點和刀具裝夾方式，確定（dìng）合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管（guǎn）頭擺（bǎi）動造成加工顫（chàn）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（jì）管（guǎn）體內支撐和（hé）輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低顫紋的產生。

特殊螺紋加（jiā）工時的進給量遠大於普（pǔ）通車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避免加工過程中產生顫紋（wén），要求在設計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（hé）理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時（shí），應（yīng）注意刀杆直徑（jìng）和懸出長度的關係。一般懸出長度控製在（zài）刀（dāo）杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長（zhǎng）的內螺紋時（shí），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（kǒng）小行程長的內螺紋專門設計的，一般懸（xuán）出長度控製在刀杆（gǎn）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（rè）處理（lǐ）工藝可以有效地保證刀具的（de）剛性（xìng）。盡量選擇剛性（xìng）較好（hǎo）、適（shì）合重車削的數控車（chē）床（chuáng）。剛性好的車床可以（yǐ）更有（yǒu）效地控製特殊螺紋接（jiē）頭加工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加（jiā）工試（shì）樣的裝夾方式不合理

除了車床（chuáng）、刀具以及管體本身的（de）剛性不足，加工試樣的（de）裝夾方式也是導致顫紋出現的主要原因（yīn），例如夾持壓力不合理（lǐ）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（jiā）工過程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高（gāo），接頭毛坯在夾緊（jǐn）時有較大的不均勻彈性變形（xíng），盡（jìn）管切削時接（jiē）頭內壁可以被車成（chéng）正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，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（tuǒ）圓度超差時，會（huì）在（zài）原本過盈的地方（fāng）產（chǎn）生間隙或更大（dà）的過盈量，使特殊螺紋接（jiē）頭泄漏或發生粘（zhān）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（bì）會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性（xìng）降（jiàng）低到一定程度時，便（biàn）會在加（jiā）工過程出現樣品移（yí）動，產生顫紋。

油套管螺（luó）紋的加工是一個長期總結（jié）經驗的（de）過程，其加工時（shí）的夾持壓力就是一（yī）個重要的（de）數據經驗積累，主要根據（jù）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。合理的夾持壓（yā）力可以（yǐ）消（xiāo）除樣品在加工過程中（zhōng）的移動，同時把樣品變形控製在彈性範（fàn）圍內，這樣既可以有效消除加（jiā）工（gōng）顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓（yuán）度（dù）。

同樣，卡（kǎ）爪的設計也要結合需要加工樣品的尺（chǐ）寸、鋼級並結合（hé）車床的特點專門設計。目前，常見的有平麵卡（kǎ）爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾（jiá）持（chí）形式為點線接觸，這種夾持方式接觸麵積小（xiǎo），可以有效增加卡爪和樣（yàng）品表麵之間的（de）夾持力，防止加工樣（yàng）品的移動，但會導致樣（yàng）品受力不（bú）均，使樣（yàng）品加工（gōng）後的尺寸或橢（tuǒ）圓度超差。圓弧（hú）包（bāo）爪（zhǎo）夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，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（chǎn）生顫紋。因此（cǐ），在加（jiā）工特殊螺紋（wén）接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與（yǔ）樣品接觸的工作麵應當設計成平頂（dǐng）齒（chǐ）狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力（lì）。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑（jìng）相匹配，最好在（zài）加工前根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪（zhǎo）的工作表麵的鏜車（chē），以（yǐ）避免圓弧直（zhí）徑相差太大而在加（jiā）工（gōng）中（zhōng）發生樣品移動（dòng）、產生顫紋。還需注意包裹角度的設（shè）計，太小可能會導致夾持力不足，太大則會造成裝（zhuāng）夾過程中卡爪之間的相互幹（gàn）涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過程中，盡量選擇（zé）與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角（jiǎo）度應達到整個樣品圓周的中上水平，這樣不僅（jǐn）可以保證樣品的加工尺寸，同時還能有效降低加（jiā）工過（guò）程中顫紋（wén）的（de）出現幾率（lǜ）。

(3)刀（dāo）具加工質量（liàng）差或安裝（zhuāng）不規（guī）範

刀片、刀墊（diàn）本（běn）身加（jiā）工質量參差不齊、誤（wù）差大（dà）或緊固裝（zhuāng）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（ān）裝時，刀尖與車床主軸回轉（zhuǎn）中心(車床（chuáng）中心高)距離相差較大（dà）也是產生顫紋的（de）重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況（kuàng）直接決定了樣品的加工（gōng）質量，質量差的刀片、刀墊（diàn）安裝在刀杆上後，不能很好地相互（hù）配合，會產生（shēng）間（jiān）隙，還有（yǒu）可能存在加工尺寸與設計方案有出（chū）入以及刀具鈍化，這些都會導（dǎo）致（zhì）顫紋產生。因此（cǐ），在特殊螺（luó）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（jiá）不緊或是在車削過程中夾入鐵（tiě）屑，都會導致加工過程（chéng）中顫紋的出（chū）現（xiàn）。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規（guī）範（fàn）進行安裝。在加工過程中（zhōng），也要定期檢（jiǎn）查刀片、刀墊是（shì）否鬆動或是夾入鐵屑，如（rú）有隱患應及時處理（lǐ），以防止產生顫紋。刀片（piàn）、刀墊（diàn）緊固方式的設計合理性也是影響顫紋出現的重要（yào）原因（yīn）之一（yī），應盡量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製（zhì）造廠家或（huò）使用較為成熟的刀片、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（ān）裝不規範（fàn）、刀尖（jiān）與車床（chuáng）中心高距離相差大，會導致刀具在車削時的刀具角度和理想角度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態（tài），從而導致樣品加工過程中產生振（zhèn）動，出現（xiàn）顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝的角度，避免（miǎn）刀尖與車床中心高（gāo）距離相差太大。很（hěn）多國外（wài）的（de）專業刀具廠家會配套專用的對刀（dāo）器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一（yī）般不配套對刀器，在確（què）定刀具安裝角度時，可用基準刀對拔外（wài）皮後實心棒料進行平端麵車削，找（zhǎo）到棒料（liào）的圓心，並留下（xià）一個小圓錐台，將需要安（ān）裝的刀具刀尖（jiān）調整到小圓（yuán）錐（zhuī）台軸（zhóu）線的（de）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（zhóu）回轉中心是否共線，因此會（huì）存在一定誤（wù）差。根據經驗，刀尖與車床（chuáng）主軸回轉中心的距離（lí）相差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選（xuǎn）取不（bú）當（dāng）

特（tè）殊螺紋接頭的加工工（gōng）藝是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）度等都會導致樣品加工質量上的差（chà）異。此外，加工方式的選擇也需要根據加（jiā）工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同（tóng）的鋼級、尺寸對應不（bú）同的（de）加工工藝（yì）及加工（gōng）方（fāng）式，才能（néng）有效降（jiàng）低加工顫紋出現的幾率（lǜ）。

特殊螺紋接（jiē）頭（tóu）的（de）螺紋形式通常為偏梯螺紋或（huò）改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對油（yóu）管外（wài）螺紋（wén）進行了相同吃刀（dāo）量(0.3mm)、不同車削速度（dù）(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研（yán）究發現：當（dāng）進（jìn）給速（sù）度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋（wén）表麵都會產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺（luó）紋表麵完（wán）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（jí）結構情況，摸索出合理的車削速度，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率。吃刀量太大時（shí），刀具受到（dào）的切削阻力大。隨著螺紋（wén）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，刀片會承受（shòu）非常大的切削載荷（hé），從而引起刀片（piàn）出現輕微顫動或崩刀，產生顫（chàn）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（chē）削的（de）試樣無法緊壓住刀片，導（dǎo）致刀片在車削過程中產生（shēng）顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導致加工效率大（dà）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（hé）理的車削方式（shì），可以有效改善螺紋的表麵（miàn）質量並（bìng）提（tí）高刀具的使用（yòng）壽命。圖5為螺紋車（chē）削（xuē）常見進刀方式示意圖。徑向（xiàng）進刀的特點為各刀刃同時工作（zuò），排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對（duì）簡單（dān），牙型精度較高，一般（bān）適（shì）合於小齒形小螺距的（de）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（xuē），排（pái）鐵屑順暢，切削力較小，但背（bèi）吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫（chàn）紋，而且不參與切削一側的刀刃磨損大；改進型側向進刀則可避免斜（xié）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（dāo）切削時，兩側刀刃磨損均勻（yún），較適用於加（jiā）工（gōng）大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可采（cǎi）用改（gǎi）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（gè）刀（dāo）刃同時工作，減小振動出現（xiàn）的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特（tè）殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋（wén）接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭（tóu）的各項（xiàng）性能（néng）惡化，因此，加（jiā）工過（guò）程中（zhōng）應避免（miǎn）顫紋的產生（shēng）。

(1)車床、加（jiā）工樣品（pǐn）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和（hé）車床，同時根據加工管體的實際情況，適當設計或增加一（yī）些減振防顫的工裝（zhuāng）或工藝；

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

(3)根據加工樣（yàng）品的鋼級、尺寸等情況，製定合理的加工工藝參數（shù）及（jí）加工（gōng）方式，有效控製特殊螺紋（wén）接（jiē）頭加工過程中顫紋的產生。