數控車床（chuáng）加工特殊（shū）螺紋接頭（tóu）產生顫紋的原因（yīn）及對策

特殊螺（luó）紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控製難、接頭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接頭，其結構設計特點決定（dìng）了它良好的使（shǐ）用（yòng）性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平（píng）不斷提高，深井、超深井、熱采（cǎi）井以及高溫高壓氣井的數量逐年增（zēng）加（jiā），對特（tè）殊螺紋接頭的性能及質量（liàng）控製（zhì）要求越來越高。目前，國內生產特（tè）殊螺紋接頭（tóu）的廠家大部分都（dōu）采用進口高（gāo）精度數控車床，就是為了更好地控製特殊螺（luó）紋接頭的（de）產（chǎn）品質量。

顫紋是特殊螺紋（wén）接頭加工過程中常見的加工缺陷（xiàn），直接影響到特殊螺（luó）紋接頭的使用性能和產品質量。本文結合（hé）特殊螺紋接頭（tóu）的加工特點，總結了特（tè）殊螺紋（wén）接頭加工過程中顫紋產生的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產質量控製提供了一定參考（kǎo）。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試（shì）樣、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（jiàn）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（jiā）工獲得的，理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通（tōng）車削加工（gōng）那樣受進給量的影響。但如果加工剛性（xìng）較差（chà）的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工過程（chéng）中發生振（zhèn）動，從而在螺紋加（jiā）工表麵產生顫紋。

在剛性（xìng）較差（chà）的薄壁管體（tǐ）上進行螺（luó）紋加工時，為避免加工顫紋的產（chǎn）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（guǎn）體懸出（chū）長（zhǎng）度(見（jiàn）圖（tú）1)，以避（bì）免管體懸出過長、管頭擺動造成（chéng）加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可根據管體幾何尺寸，設計（jì）管體（tǐ）內（nèi）支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖（tú）2)，這樣（yàng）可以更有效地降低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進（jìn）給量遠大於普通車（chē）削，因此刀具會承受非常（cháng）大的車（chē）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（tóu）的結構設計特點，製定合理的刀具設計方案（àn），特別是設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長（zhǎng）度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果（guǒ）需要加工內孔（kǒng）小（xiǎo）且長的內螺紋時，盡（jìn）量選擇專（zhuān）業（yè）刀具廠家生產的專用防（fáng）振刀杆。這些刀（dāo）杆是為了解決加工孔小行程長的內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在刀杆直徑的3-4倍。另（lìng）外，選擇適（shì）當的刀具材料和（hé）熱處理工藝（yì）也很重要，合理的刀具材料和（hé）熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選（xuǎn）擇剛性較好、適合重（chóng）車削的數控車床。剛性好的車（chē）床可以更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紋。

(2)加工試樣的裝夾（jiá）方式不合理

除了（le）車床、刀具（jù）以及管體本身的剛性不（bú）足，加工試（shì）樣的（de）裝夾方式（shì）也是導致顫紋出（chū）現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺（chǐ）寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低（dī），在螺紋（wén）加工過（guò）程（chéng）中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊（jǐn）時有較大的不均勻彈性變形，盡管（guǎn）切削時接頭內壁（bì）可以被車成正圓（yuán）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能主要靠金屬過（guò）盈來實現，當橢（tuǒ）圓（yuán）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（tóu）泄漏或發（fā）生粘扣。此外，卡爪尺寸（cùn）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。當夾持穩定性降（jiàng）低到（dào）一定（dìng）程度（dù）時，便會在加工過程出現樣（yàng）品移動，產生顫紋。

油套管螺紋（wén）的加工是一個（gè）長期總（zǒng）結經驗的（de）過程，其加工時的夾持壓（yā）力就是一個重（chóng）要的數據經驗積累（lèi），主要根據加工（gōng）樣品的尺寸、鋼級以（yǐ）及車床本身的特點長（zhǎng）期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消（xiāo）除樣品在加工過程中的移動，同時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效消（xiāo）除加（jiā）工顫紋，還可以保證特殊螺（luó）紋的橢圓度。

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點專門設計。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平（píng）麵（miàn）卡爪的夾持形式為點線接觸，這種（zhǒng）夾（jiá）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持力（lì），防止加（jiā）工樣品的移動，但會導致樣品受力不均（jun1），使樣品加工後的尺寸或橢圓（yuán）度超差。圓弧包爪夾（jiá）持方式的（de）優點是（shì）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（tuǒ）圓度佳，但加工時（shí）相對容易出現異動，產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪（zhǎo）與樣（yàng）品接（jiē）觸的工作麵應（yīng）當設計成（chéng）平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力（lì）。同時，圓（yuán）弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣（yàng）品外徑相匹配，最好（hǎo）在（zài）加工前根據（jù）加（jiā）工樣（yàng）品的外徑尺寸（cùn），進行圓（yuán）弧包爪（zhǎo）的工作表麵的鏜（táng）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（hái）需注意包裹角度（dù）的設計，太小可（kě）能會導致夾持力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導（dǎo）致樣品夾持不緊，產生顫紋（wén）。因此，在特殊螺紋的加工過程（chéng）中，盡量選擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪（zhǎo），包（bāo）裹角度應達到整個（gè）樣品圓（yuán）周的中上水平，這樣不（bú）僅可以保證樣品的加工（gōng）尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工（gōng）質（zhì）量差或安裝不規範

刀（dāo）片、刀墊本身加（jiā）工質量參差不齊、誤差（chà）大（dà）或緊固裝置設計不合理以及不規範安裝都會導致樣（yàng）品加工時（shí）產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床主軸（zhóu）回（huí）轉中心(車床（chuáng）中心高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原（yuán）因（yīn）之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況直接決定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀（dāo）杆上後，不能（néng）很好地相互配合，會產生間隙，還有可（kě）能存在加工（gōng）尺寸（cùn）與設計方案有出入以及刀（dāo）具鈍化，這些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝（zhuāng）夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會（huì）導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新的刀片（piàn）、刀墊時，應按照操作規範進行（háng）安裝。在加工（gōng）過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如（rú）有隱患應及時（shí）處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性也（yě）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、刀墊製造廠家或使用較為成熟的刀片（piàn）、刀墊緊固設計方（fāng）案，以降低加工過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規（guī）範、刀尖與車床中心高（gāo）距離相（xiàng）差大，會導（dǎo）致刀具在車削（xuē）時的刀具角度和理想角度偏差太大，刀具受（shòu）力不在（zài）最（zuì）佳狀（zhuàng）態，從而導致樣品加工過程中產生振動，出現顫（chàn）紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安（ān）裝的角度，避免刀尖（jiān）與車床中心高距離相差太大。很多（duō）國外的專業刀具廠家會配套專用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀（dāo）具一般（bān）不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可（kě）用（yòng）基準刀對拔（bá）外（wài）皮後實心棒（bàng）料進行平端麵車削，找（zhǎo）到棒（bàng）料的圓心，並（bìng）留（liú）下一個小圓錐（zhuī）台，將需要安裝的刀具刀尖調（diào）整到小圓錐台軸線的高度上（shàng）即可最（zuì）終（zhōng）確定（dìng）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（xīn）是否共線，因此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心的距離相（xiàng）差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫紋的產生。

(4)加工參（cān）數及方式選取不當（dāng）

特殊螺紋接頭的加工工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、車削速度等都（dōu）會導致樣品加工質量上的差（chà）異（yì）。此外，加工方式的選擇也需要根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級（jí）、尺寸對應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（shū）螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺（luó）紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬（shǔ）於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行（háng）了相同吃刀量(0.3mm)、不同車（chē）削（xuē）速度（dù）(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研（yán）究發現：當進給速度過快（kuài）(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵（miàn）都會產生顫紋；而在中間（jiān）速度(80m/min和100m/min)加（jiā）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（jí）、尺寸及結（jié）構情況，摸（mō）索出合（hé）理的車（chē）削速度，以避免產生（shēng）顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋（wén）車削過程中顫紋的產（chǎn）生幾率。吃刀量太（tài）大時，刀具受到的切削阻力大（dà）。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增（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。吃刀量過（guò）小、轉（zhuǎn）速較高時，刀（dāo）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（dāo）片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也（yě）會導致加工效（xiào）率大幅降低，影（yǐng）響製造廠（chǎng）家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦（bàn）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高（gāo）刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常見進刀方（fāng）式示意圖。徑向進刀的（de）特點為各刀（dāo）刃同時工作，排屑困難，切削力較（jiào）大（dà），容易紮刀、振動（dòng）、刀尖易（yì）磨損，但操作（zuò）相對簡單，牙型精度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料（liào）的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵（tiě）屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺（luó）紋表麵粗糙度較大，易出現（xiàn）顫紋，而且不參（cān）與（yǔ）切削一側的刀刃磨損大；改進型側向進刀則可避免斜（xié）向（xiàng）進刀刀刃磨（mó）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，較適用（yòng）於加工大螺距螺紋。因（yīn）此，對於（yú）特殊螺紋的車削，可采用改進型（xíng）側向進刀或交互式進刀（dāo）方（fāng）式，以實（shí）現單刀刃（rèn）或雙（shuāng）刀刃切削，避免3個刀刃同時（shí）工作，減小振動（dòng）出現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋（wén）是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍（biàn）存在的現象，不僅影響（xiǎng）特殊螺紋接頭的表麵質量，還會（huì）導致特殊（shū）螺紋接頭的各（gè）項性能惡化，因此，加工過程中（zhōng）應（yīng）避免顫（chàn）紋的產生。

(1)車床（chuáng）、加工樣品以及刀具本身的剛性不（bú）足是引起顫紋的主（zhǔ）要（yào）因素，應當選擇剛性高的刀（dāo）具和車床，同時根據加工管體的實際情況，適當（dāng）設計或增加一些減振防顫的（de）工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、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（jiàn）立相應的試樣裝夾、刀具安裝的（de）管（guǎn）理文件，定期對（duì）樣品裝夾和刀具安裝情況進（jìn）行檢查；

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