數控車床加工特殊螺紋接頭產生（shēng）顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭（tóu）密封（fēng）性能差、上扣（kòu）控製難、接頭應力水平高（gāo）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（yóu）套管接頭（tóu），其結構設計特點決定了它良好的使（shǐ）用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平（píng）不斷提高，深井、超深（shēn）井、熱采井以及（jí）高溫高壓（yā）氣井的數量逐年增加，對特殊螺（luó）紋接頭（tóu）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控車床，就是為了更好地（dì）控（kòng）製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊（shū）螺紋接頭加工過（guò）程中常見的加工缺（quē）陷，直接影響到特（tè）殊螺紋接頭的使用性能和產品質量。本文結合特（tè）殊螺紋接頭（tóu）的加（jiā）工特點，總結了特殊螺紋接頭加工（gōng）過程中（zhōng）顫紋（wén）產生的原因及對策，為特（tè）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（yàng）、刀具或車床本身剛性（xìng）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（wén）加工的螺紋成型麵是經過連續加工（gōng）獲得的，理（lǐ）論上會保持較（jiào）好的加工表麵光潔度，而不會像（xiàng）普通車削加工那樣受（shòu）進給（gěi）量的影響（xiǎng）。但（dàn）如果（guǒ）加工剛性（xìng）較差的薄壁管（guǎn）或（huò）者刀具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振動，從而在螺紋（wén）加工表麵產（chǎn）生顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工（gōng）顫紋的產生，可以根據螺紋的設計長度、車床的加工特點和（hé）刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見（jiàn）圖1)，以避免（miǎn）管體（tǐ）懸出過長、管頭擺動造成加工顫紋的產生（shēng）。此外，在進行外螺紋（wén）加工（gōng）時，可根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥（gǔn）道上的浮（fú）動支撐（chēng）輥(見圖2)，這樣（yàng）可以更有效地降低顫紋的（de）產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因此刀具（jù）會（huì）承受非常大的車削力。為（wéi）有效避免加工過程中產生顫紋，要求在設計（jì）時根據加工管體（tǐ）的材料和特殊螺紋接頭的結構設計特點，製（zhì）定合理的刀具設計（jì）方（fāng）案，特別是設計內螺紋（wén）刀杆（gǎn）時，應注意刀杆直徑和懸出長度的關係。一（yī）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（jiā）工內孔小且長（zhǎng）的內（nèi）螺紋（wén）時，盡量選擇專（zhuān）業刀具廠家生產的專用（yòng）防振刀杆。這些刀（dāo）杆是（shì）為了解決加工孔小（xiǎo）行程長的內螺紋專門設計的，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（liào）和熱處理工藝（yì）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。盡量選擇剛性較好、適合重車削的（de）數控車床。剛性好的（de）車床可以更有效地控製特殊螺（luó）紋接頭加工的質量，防止加工過程中（zhōng）出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及管體本身的（de）剛性不足，加工（gōng）試樣的裝夾方式也是導致（zhì）顫紋（wén）出現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適（shì）等都會造成顫（chàn）紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工（gōng）過程中，試樣會發生位置移動，導致顫（chàn）紋產生；如果夾（jiá）持壓力過高（gāo），接頭毛坯在夾緊時有較大的（de）不均勻彈性變形，盡管切削時接頭內壁可（kě）以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性（xìng）恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的（de）密封性能主要（yào）靠金屬過盈來實現，當（dāng）橢圓（yuán）度超差時，會在（zài）原本過盈的地方產生間隙或更（gèng）大的過盈（yíng）量，使特殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合（hé）適，不能與加工試樣的外表麵完（wán）美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程（chéng）度時，便會在加工過（guò）程出現樣品移動，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是一個重要的數據經驗積累，主要根據加（jiā）工樣品的尺寸、鋼級以及車床本（běn）身的特點長（zhǎng）期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中的移動，同時把樣品變形控製（zhì）在彈性範圍內，這樣既可（kě）以有（yǒu）效消除加工顫紋，還可（kě）以保（bǎo）證（zhèng）特殊螺紋的橢圓度。

同（tóng）樣，卡爪的設計也要結合需要加工樣（yàng）品的尺（chǐ）寸、鋼級（jí）並結合車床的（de）特點專門（mén）設計。目前，常見的有平（píng）麵卡爪和圓弧包爪。平麵（miàn）卡爪的夾持形式為點線接觸（chù），這種夾持方式接觸麵積小，可以有（yǒu）效增加卡爪和樣品表麵之間的夾（jiá）持力，防止加工樣品的移（yí）動，但會導致樣品受力（lì）不均，使樣品（pǐn）加工後的（de）尺寸或橢圓度（dù）超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣（yàng）品在加工時接觸麵積大，受力均（jun1）勻，加工後的（de）樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異動（dòng），產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋（wén）接頭時，應盡量（liàng）選擇（zé）圓弧包爪，且包爪與樣品（pǐn）接觸的工（gōng）作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加（jiā）其摩擦力。同時，圓弧（hú）包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配，最好在加（jiā）工前根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓弧直徑相差太大而在加（jiā）工中發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包（bāo）裹角度的設計，太小可能會導致夾持力不足，太大則會造成（chéng）裝夾過程中卡爪（zhǎo）之間的相互幹（gàn）涉，導（dǎo）致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊（shū）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弧包爪，包裹（guǒ）角（jiǎo）度應達到整個樣品圓周的中上水平（píng），這樣不僅可以保證（zhèng）樣品的加工尺寸，同（tóng）時還能有效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（chà）不齊、誤差大或緊固裝置設（shè）計不合理以及不規範安裝都會導致樣品加工（gōng）時產（chǎn）生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心(車床中（zhōng）心高)距離（lí）相差較大也是產生顫紋的重（chóng）要原因之一。

刀片、刀（dāo）墊以及相關配件（jiàn）的質量情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（hòu），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，這些都會導致顫紋產生（shēng）。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的（de）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（chéng）中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的（de）出現。因此（cǐ），安裝新的刀片、刀墊時，應按照操（cāo）作規範進行安裝。在加工過程中，也要定期檢（jiǎn）查刀片、刀墊是否鬆（sōng）動（dòng）或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以防止產生顫（chàn）紋。刀片、刀墊（diàn）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，應盡量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製（zhì）造廠家或使用較為（wéi）成（chéng）熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程中產生（shēng）顫紋的可能性（xìng）。

刀杆安裝不規範、刀尖（jiān）與車床中（zhōng）心高距離相差大，會導致刀具在車削時的刀具角度（dù）和（hé）理想角度偏差太大，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。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝的角度，避（bì）免刀尖與車床中心（xīn）高距離相差太大。很多國外的專業刀具廠家會配套專用（yòng）的對刀器來確定刀具的安裝（zhuāng）角度（dù）。國產刀具一般不配套對刀（dāo）器，在確定刀具安（ān）裝角度時，可用（yòng）基準刀對（duì）拔外皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並（bìng）留下一個小（xiǎo）圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小（xiǎo）圓（yuán）錐台（tái）軸線的高度上即可最終確（què）定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目（mù）測來判斷刀尖與車床主軸回轉中心是否共線，因此會（huì）存在一（yī）定（dìng）誤差。根（gēn）據經驗，刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加（jiā）工顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選取（qǔ）不當

特殊螺紋接頭的加工工（gōng）藝（yì）是決定特殊螺紋接頭質量的重（chóng）要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等都會導致樣品加工（gōng）質量上的差異。此外，加工方式（shì）的選擇也需（xū）要（yào）根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應（yīng）不同的加工工藝及加工方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾率。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為（wéi）偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟（xiāo）屹等對油（yóu）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)的研究發（fā）現：當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而（ér）在中間速度(80m/min和100m/min)加工時（shí），螺紋（wén）表（biǎo）麵完好。因此，在（zài）進行特殊螺紋接頭加工時（shí），應當（dāng）結合（hé）加工樣品（pǐn）的（de）鋼級、尺寸（cùn）及結構情況，摸（mō）索出合理的（de）車削速度，以避免（miǎn）產生顫紋。另外，合理的吃刀量（liàng）分配也可大幅降低螺紋車削（xuē）過程中顫紋的（de）產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切（qiē）削阻力大。隨著螺紋深度的增（zēng）加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺（luó）紋車削即將完成時，刀片會承受非常大的切削載荷，從而引起刀片（piàn）出現輕（qīng）微顫動（dòng）或崩刀，產（chǎn）生顫紋，影響螺紋的表麵質量（liàng）。吃刀量過（guò）小、轉速（sù）較高時，刀具以一（yī）定進給速度前進，被（bèi）車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車（chē）削過程中產（chǎn）生顫動，引起顫紋（wén），同（tóng）時吃刀量太小也會導致加工效率大幅降（jiàng）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，可以有效改善螺紋的表（biǎo）麵質量（liàng）並（bìng）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、刀尖易磨（mó）損，但（dàn）操（cāo）作相對簡單，牙型精度較（jiào）高，一般適（shì）合於小齒形小螺距的螺（luó）紋（wén）或脆性材料的螺紋加工（gōng）；側向進刀的特（tè）點是（shì）不（bú）易紮刀（dāo），單刃切削，排鐵屑順暢，切削力較小（xiǎo），但背吃刀量較大，牙型精（jīng）度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出（chū）現顫紋，而且不參（cān）與切削一側的刀刃磨損大；改（gǎi）進型側向進刀（dāo）則可避免斜向進刀刀（dāo）刃磨損大和工件表（biǎo）麵粗糙度大的問題；交（jiāo）互式進刀切削時，兩側刀（dāo）刃磨損均勻，較適用於加工大螺（luó）距螺紋。因此，對於特殊螺（luó）紋的（de）車削，可采用改進型側向進刀或交互式（shì）進刀方式，以實（shí）現單刀刃（rèn）或雙刀刃切削，避免3個刀刃同時工作，減小（xiǎo）振動出（chū）現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋（wén）是（shì）特殊螺紋（wén）接頭生產加工過程中（zhōng）普遍存（cún）在的現象，不僅影響特殊螺（luó）紋接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性（xìng）能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加工（gōng）樣品以及（jí）刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主（zhǔ）要因素，應當選擇剛性高（gāo）的刀具和車（chē）床，同時根據加工管體的實（shí）際情況，適（shì）當設計（jì）或增加一些減振防顫的工裝或工藝（yì）；

(2)試樣（yàng）裝夾（jiá）不規範、刀具（jù）安裝不合理也是引起顫紋的因（yīn）素之一，生產（chǎn）廠家應建立相應的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件（jiàn），定期對樣品裝夾和刀具安裝情況（kuàng）進（jìn）行檢查；

(3)根據加工樣（yàng）品的（de）鋼級、尺寸等（děng）情況，製定合理的加工（gōng）工藝參（cān）數及加工方式，有效（xiào）控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產生。