​數控車床加（jiā）工特殊螺紋接頭（tóu）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（nán）、接頭（tóu）應力水平高等不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好密封性能的專用油套管（guǎn）接頭，其（qí）結構設計特點決定了它良好的使用性能和（hé）加工精度。隨著我國（guó）石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋（wén）接頭的性能及（jí）質量控製要求越來越高。目前，國內（nèi）生產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螺紋接頭的產（chǎn）品質量。

顫紋是特殊（shū）螺紋接頭加（jiā）工過程中常見的加工缺（quē）陷，直接影（yǐng）響到（dào）特殊螺紋接頭的使用性能和產品（pǐn）質量（liàng）。本文結合特（tè）殊螺紋接頭的（de）加工特點，總結了特殊（shū）螺（luó）紋接（jiē）頭加工過程中顫（chàn）紋產生的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產質量（liàng）控製提供了一定參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀（dāo）具或車床本身剛性不足

特殊螺紋（wén）接頭加工過程中，顫紋常見（jiàn）於螺紋車削階段（duàn）。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工（gōng）獲得的，理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進（jìn）給（gěi）量的影響。但如（rú）果加工剛性較差的薄壁管（guǎn）或者刀具、車床剛性不足，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。

在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工（gōng）時，為避免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設（shè）計長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確（què）定合理的管體（tǐ）懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動（dòng）造成加工顫紋的產生。此外，在進（jìn）行外螺紋加工時，可根據管體（tǐ）幾何尺寸，設（shè）計管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可（kě）以更有效地降低顫紋的產生。

特殊螺（luó）紋加（jiā）工時的（de）進給量遠大於普通車削，因此刀具會承受非常（cháng）大的車削力。為有效避免加工過程中產生顫紋，要求在設計時根據加工（gōng）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（jì）方案，特別是設計（jì）內螺紋刀杆時，應注意刀杆直（zhí）徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑（jìng）的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔（kǒng）小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產的（de）專用防振刀杆（gǎn）。這些刀杆是為（wéi）了解決加工孔小行程長的內螺紋（wén）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（liào）和熱處理工藝也很重要，合（hé）理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的（de）剛性。盡量選擇剛（gāng）性較（jiào）好、適合重車削的（de）數控車床。剛性好的車床可以更（gèng）有效地控製特殊螺紋接頭加工的質量，防止加工過程中出現顫（chàn）紋。

(2)加工試樣（yàng）的裝夾方式不合理

除了（le）車床、刀具以（yǐ）及管體本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋出現的主要原因，例如夾持壓力不合理或（huò）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（gōng）過程中，試樣會發生位置（zhì）移動，導致（zhì）顫紋產生；如果夾持壓力過高，接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車（chē）成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢（huī）複，導致樣（yàng）品橢（tuǒ）圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主（zhǔ）要（yào）靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈（yíng）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粘扣。此外，卡爪尺寸（cùn）不合適，不（bú）能（néng）與加工試樣的外（wài）表麵完美貼合，勢必（bì）會（huì）影響夾持的穩定（dìng）性。當夾（jiá）持穩定性降低到一定程度時，便會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的加工是一個（gè）長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓力（lì）就是一個重要的數據經驗積累，主（zhǔ）要根據加工樣品的尺寸、鋼級以及（jí）車床本身的特點長期摸（mō）索總結而來。合理（lǐ）的夾持壓力可以消除樣（yàng）品（pǐn）在加工過程中的移動，同時把樣品變（biàn）形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效（xiào）消除加工（gōng）顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓（yuán）度（dù）。

同樣，卡爪的設（shè）計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特（tè）點專門設計。目前，常見的（de）有平麵卡爪和圓弧（hú）包爪。平麵卡爪的（de）夾持形式（shì）為點線接（jiē）觸（chù），這種夾持方式接觸麵積小，可以有效增加卡爪和樣品表麵之間的夾（jiá）持力，防止加（jiā）工樣品的移動，但會導致（zhì）樣品受力不均（jun1），使樣品加工後的（de）尺寸或（huò）橢圓度超差。圓弧包爪（zhǎo）夾持方式的優點是樣品（pǐn）在加工時接觸（chù）麵積大，受（shòu）力均勻，加工後的（de）樣（yàng）品尺寸好，橢圓度佳（jiā），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（jìn）量選擇（zé）圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工（gōng）作麵應當（dāng）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（yuán）弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配，最好在加工前根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表麵（miàn）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（zhù）意（yì）包裹角度的設計，太（tài）小可能會（huì）導致夾持力不足，太大則會造（zào）成裝夾過程中卡爪之間的相互幹（gàn）涉（shè），導致樣品夾持不（bú）緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過（guò）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（dù）應達到整（zhěng）個樣品圓周的中上水平，這樣不僅（jǐn）可以（yǐ）保證樣品的加工尺寸，同（tóng）時還能有效降低加（jiā）工過（guò）程（chéng）中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀（dāo）片、刀墊本身加工質（zhì）量參差不齊、誤差大或緊固裝置設計不合理以及不規範安裝都會（huì）導致樣品（pǐn）加工時產（chǎn）生顫紋。同時，刀（dāo）杆安裝時，刀尖與車床主軸回（huí）轉中（zhōng）心(車床（chuáng）中心高（gāo）)距離相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況直接（jiē）決定了樣品的加（jiā）工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能（néng）很好地相互（hù）配合，會產生間隙，還有（yǒu）可能存在加（jiā）工尺寸與設計方案（àn）有出入以及刀具鈍化（huà），這（zhè）些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋（wén）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（guī）範、裝夾不緊或是在車（chē）削過程中夾（jiá）入鐵屑（xiè），都會導致加工過程中顫紋的出現。因此，安（ān）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（dìng）期檢查刀片、刀墊是否鬆動或（huò）是夾入鐵（tiě）屑（xiè），如有隱患應及時處理，以防止產（chǎn）生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設（shè）計合理性也是影響顫紋出現的重要原（yuán）因之一，應盡量選擇經驗（yàn）豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以（yǐ）降低加工過（guò）程中產生顫紋的可能性。

刀杆（gǎn）安裝不規範、刀尖與車床中心高距（jù）離相差大，會（huì）導致刀具在車削時的刀具角度和（hé）理想角度偏差太（tài）大，刀具受力不在最佳狀態，從而導致樣品加工過程中產生（shēng）振動，出（chū）現顫紋。因此，在進行刀具（jù）對刀時，一定要注意刀（dāo）具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離相差太（tài）大。很多國外的專業刀具廠家會配套專用的對刀器來確定（dìng）刀具的安裝角度（dù）。國產刀具一（yī）般不配套對（duì）刀器，在確定刀具安裝（zhuāng）角度時（shí），可用（yòng）基準刀對拔外皮後實（shí）心（xīn）棒料進行平端（duān）麵（miàn）車削，找到棒（bàng）料的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要（yào）安裝的刀具刀尖調整到（dào）小圓錐台軸（zhóu）線的高度上即可（kě）最終（zhōng）確定刀具安裝角度（dù）(見（jiàn）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線，因此會存在一定誤差。根據經驗（yàn），刀尖與車床主軸回轉中心的距（jù）離相差±0.5mm以內，可以有效（xiào）減少加工顫紋的產（chǎn）生。

(4)加工參數及方式（shì）選取不當

特殊螺紋（wén）接頭的加工工（gōng）藝是決定特（tè）殊螺紋接頭質量的重要（yào）影響因素，不同的吃刀量、車削速（sù）度等都（dōu）會導致樣品加工（gōng）質量（liàng）上的差（chà）異。此外，加工方式的選擇也需要根據加工（gōng）樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加工方（fāng）式，才（cái）能有（yǒu）效降（jiàng）低加工顫紋出現的幾率（lǜ）。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通（tōng）常為偏梯螺紋（wén）或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車（chē）削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速（sù）度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當進給速（sù）度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵（miàn）都會產生顫紋；而在中間速（sù）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（yīng）當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構（gòu）情況，摸索出合理的車削速度，以避免產生顫紋。另外，合理的吃（chī）刀量分配（pèi）也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太（tài）大（dà）時（shí），刀具受到的切（qiē）削阻力大。隨著螺紋深度（dù）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，刀片會承受非常大的（de）切削載荷，從而引起刀片出現輕微顫動或崩（bēng）刀，產（chǎn）生顫（chàn）紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速（sù）較高時，刀具以一定進（jìn）給速度前進，被車（chē）削的試（shì）樣無法緊壓（yā）住刀片，導致刀片在車削過程中產（chǎn）生顫動（dòng），引起顫紋，同時吃刀量太（tài）小也會導致加工效率大幅降低（dī），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，可以有效改善螺紋的表麵質量並提（tí）高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常（cháng）見進（jìn）刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃（rèn）同時工（gōng）作，排屑困難（nán），切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙型精度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋（wén）或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的（de）特點是不易（yì）紮刀，單刃切（qiē）削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量（liàng）較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現（xiàn）顫紋，而且不參與切削一（yī）側的刀刃磨損大；改進型（xíng）側向進刀則可避（bì）免斜向進刀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，兩側刀刃磨損均（jun1）勻，較適用於加工大螺距螺紋。因此，對於特殊（shū）螺紋的（de）車削，可采用改（gǎi）進型側向進刀或（huò）交互式進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃（rèn）切削，避（bì）免3個刀刃（rèn）同時工作，減小振動出現的機率，避免（miǎn）顫紋的（de）發生。

小結

顫紋是特殊（shū）螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象（xiàng），不僅（jǐn）影響特殊螺紋接頭的表麵質（zhì）量（liàng），還會導致特殊螺紋接頭（tóu）的各項性能惡化，因此（cǐ），加工過程中應避（bì）免顫紋的產生。

(1)車床、加工樣品以（yǐ）及刀具本（běn）身的剛性不足是引起顫紋的主要因素（sù），應當選（xuǎn）擇剛性高的刀（dāo）具和車床，同時（shí）根據加工管體的實際情（qíng）況，適當設計或（huò）增加（jiā）一些減（jiǎn）振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝不合理也是引起顫紋（wén）的因素之一，生（shēng）產廠家應建立相應的試樣裝（zhuāng）夾、刀具安裝的（de）管理文件，定期對樣品裝夾和刀具安裝（zhuāng）情（qíng）況進（jìn）行檢查；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情（qíng）況，製定（dìng）合理的加工工藝參數及加工（gōng）方式，有效控製特（tè）殊螺紋接頭（tóu）加工過程中顫紋的產生。