​數控車床加工特殊螺紋接（jiē）頭產生顫紋的原因

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（liáng）好密封性能的專（zhuān）用油套管接頭，其結構設計特點決定了它良（liáng）好的使用（yòng）性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱（rè）采井以及高溫高壓氣（qì）井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來（lái）越高。目前（qián），國內生產特殊螺紋接頭的（de）廠家大部分都采用進（jìn）口高精度數控（kòng）車床，就是為了更好地控製特殊螺紋接頭（tóu）的產品質量。

顫紋是特殊螺紋（wén）接頭加工過程中常（cháng）見的加（jiā）工缺陷（xiàn），直接影（yǐng）響到特殊螺紋（wén）接（jiē）頭的使用性能和產品（pǐn）質量（liàng）。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點，總結了特（tè）殊螺紋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。

1 顫（chàn）紋產生的原因（yīn）

(1)加工試樣、刀具或車（chē）床本身剛性不足（zú）

特殊螺紋接頭加工過程中，顫（chàn）紋常見於螺紋車削階段。特殊螺（luó）紋加工的螺紋成（chéng）型麵是經過連續加工獲得的，理論上會保持（chí）較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受（shòu）進給量的影（yǐng）響。但（dàn）如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足（zú），就會在加工過程中發生振動，從（cóng）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時（shí），為避免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計長度（dù）、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確定（dìng）合理的管體懸出長度(見（jiàn）圖1)，以（yǐ）避免管體懸出過長、管（guǎn）頭擺（bǎi）動造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可根（gēn）據（jù）管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣（yàng）可以更有效地降低顫紋的產生。

特（tè）殊螺紋加工時的進給量遠大於（yú）普通車削，因此刀具會承（chéng）受非（fēi）常大（dà）的車削力。為有效（xiào）避免加工過程中產生顫紋，要求在設計時根據加工管體的材料和特殊螺紋接（jiē）頭的結構（gòu）設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應注意（yì）刀杆直（zhí）徑和懸出長度的關係。一般懸出長度（dù）控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要（yào）加（jiā）工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家生（shēng）產的專（zhuān）用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工孔小（xiǎo）行程長的內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在刀杆直（zhí）徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和熱處理（lǐ）工藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工藝可（kě）以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性（xìng）較好、適合重車削的數控車床。剛性好的（de）車床可以（yǐ）更（gèng）有效地（dì）控（kòng）製特殊螺紋接頭加工（gōng）的質量，防（fáng）止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣（yàng）的裝夾方式不（bú）合理

除了車床、刀具以及管體本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致（zhì）顫（chàn）紋出現的主要（yào）原因，例如夾持壓力（lì）不合理或夾（jiá）具卡爪尺寸不合（hé）適等都會造（zào）成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產生；如果夾持壓（yā）力過高，接頭毛坯在（zài）夾緊時（shí）有較大（dà）的不均勻彈（dàn）性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開（kāi）後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密（mì）封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本（běn）過盈的地方產生間（jiān）隙或更（gèng）大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄（xiè）漏或發生粘扣。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。當夾持穩定性降低到一定程度時，便會在加（jiā）工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管（guǎn）螺紋的加工是一個長期總（zǒng）結經驗的過程，其加工時的夾（jiá）持壓力就是（shì）一個重要的數據（jù）經驗（yàn）積（jī）累，主要根據加工（gōng）樣品的尺（chǐ）寸、鋼級以及車床本身的特點長期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣品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（nèi），這樣既可以有效消除加（jiā）工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同（tóng）樣（yàng），卡爪的設計也要結合需要加工樣（yàng）品的尺寸、鋼級並結合（hé）車床的特點專門設計。目前，常見的有平麵卡爪（zhǎo）和圓弧包爪。平麵卡爪的（de）夾持形式為點線接觸（chù），這種夾持方式接觸（chù）麵積小，可以有效增加卡爪和樣品表麵之（zhī）間的夾持力，防止加工樣品的（de）移動，但會導致樣品受力不（bú）均，使樣品加工後的尺寸或橢圓（yuán）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（jiā）工時相對容易出現異動，產生顫（chàn）紋。因此，在加工特殊螺（luó）紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包（bāo）爪與樣品接觸的工作麵（miàn）應當設計成平頂齒狀或設置多個（gè）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量與加（jiā）工樣品外（wài）徑相匹配，最好在加工前根據加工樣品的外徑尺寸（cùn），進行圓弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓弧（hú）直徑相差太大而在加工中（zhōng）發生樣品移動、產生顫紋（wén）。還需注意（yì）包裹角度的設計，太小可能會（huì）導致夾持力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間（jiān）的相（xiàng）互幹（gàn）涉，導致樣品夾持不緊，產生顫（chàn）紋。因此，在（zài）特殊螺紋的加工（gōng）過程中，盡量選擇與加工樣（yàng）品外徑匹配的大摩擦力（lì）圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓周的（de）中上水平，這（zhè）樣不僅（jǐn）可以保證樣品的（de）加（jiā）工尺寸，同時還（hái）能有效降（jiàng）低加工過程中顫紋的（de）出現幾率。

(3)刀具加工質（zhì）量差或（huò）安裝不規範

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

刀片、刀墊以及（jí）相（xiàng）關配件（jiàn）的質量情況（kuàng）直接決定了樣品的加工質（zhì）量，質量差的（de）刀片、刀墊安裝在（zài）刀杆上後，不能（néng）很好地（dì）相互配合，會產生間隙，還有可能存在加工尺寸與設計（jì）方（fāng）案有出入以及刀具鈍化，這些都會（huì）導（dǎo）致顫紋產生。因此，在特（tè）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（zài）車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的出現（xiàn）。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在加（jiā）工過程中，也要定期檢查刀片（piàn）、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以防止產生顫紋（wén）。刀片、刀墊緊固（gù）方式的設計合理（lǐ）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（yè）刀片、刀墊製造（zào）廠家或使用（yòng）較（jiào）為（wéi）成（chéng）熟的刀片、刀墊緊固設計方（fāng）案，以降低加工（gōng）過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床中心高距離相差大，會導致刀具在（zài）車削時的刀具角度和理（lǐ）想角度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態，從（cóng）而導（dǎo）致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，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外的專業刀具廠家會配套（tào）專用的對刀器（qì）來確定刀具的安裝角度。國產刀（dāo）具一般不配套對刀器，在確定刀具（jù）安裝角度時，可用基準刀對拔外皮後實（shí）心棒料進（jìn）行平端麵車削，找到棒料的（de）圓心，並（bìng）留（liú）下（xià）一個小圓錐台，將（jiāng）需要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）最終確定刀具（jù）安（ān）裝角度(見圖4)。通常是通過目測來（lái）判斷刀尖與車床主軸回（huí）轉中心是（shì）否共線，因此會（huì）存在（zài）一定誤差。根據經（jīng）驗，刀尖（jiān）與車（chē）床主軸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不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是（shì）決定特（tè）殊螺紋接頭質量的重要影響因素，不同的（de）吃刀量（liàng）、車削速度等都會導（dǎo）致樣品加工質量上的差異。此外，加工方式的選（xuǎn）擇也需要根據加（jiā）工樣（yàng）品的鋼級、尺寸等情況來定。不同（tóng）的鋼級、尺寸對應不同（tóng）的加工（gōng）工藝及加工方式，才能有效降低（dī）加工顫（chàn）紋出現的幾（jǐ）率。

特殊螺紋接頭的螺紋形（xíng）式通常（cháng）為偏梯螺紋或改良的偏（piān）梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬（shǔ）於（yú）重車削。王瀟屹等對油管外（wài）螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同（tóng）車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當進給速度過快(120m/min)或過（guò）慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在（zài）進行特殊螺紋接頭加工時，應當結合加工樣（yàng）品（pǐn）的鋼級、尺寸及結構情況（kuàng），摸索出合理的（de）車削速度，以避免產生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可（kě）大幅降低螺紋（wén）車（chē）削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具（jù）受到的切削阻力大。隨著螺（luó）紋深度的增加，刀片與樣品的接觸（chù）麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會（huì）承受非常大的切（qiē）削載荷，從而引起刀（dāo）片出現輕微顫動或（huò）崩刀，產生顫紋（wén），影響螺紋（wén）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，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中（zhōng）產生（shēng）顫動，引起顫紋，同時吃（chī）刀量太小也會導致加工效率大幅降低（dī），影響製造廠（chǎng）家（jiā）的（de）經濟效益。

2 避免顫紋產生的（de）辦法

選擇合理的（de）車削方式，可以有效改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使用壽（shòu）命。圖5為螺紋車削（xuē）常見進（jìn）刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃（rèn）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（chǐ）形小螺距（jù）的螺紋或脆（cuì）性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀（dāo），單刃切削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較大，牙型精（jīng）度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切削（xuē）一側的刀刃磨損大；改進型側向進刀則可避免斜（xié）向進刀刀刃磨損大和工件表麵粗糙度大的問題；交互（hù）式進刀（dāo）切削時，兩側刀刃磨損（sǔn）均勻，較適用於（yú）加工大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可采用改進型側向進刀或交互式進刀方式，以（yǐ）實現單刀刃或雙刀（dāo）刃（rèn）切削，避免3個刀刃同時工作，減小振動出現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫（chàn）紋是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特（tè）殊螺紋接頭（tóu）的表麵（miàn）質量，還（hái）會導致特殊螺（luó）紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程（chéng）中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加工樣品以及刀（dāo）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車床，同（tóng）時根據加工管體的實際情況，適當設計或增加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾（jiá）不規範、刀具安裝（zhuāng）不合（hé）理也是引起顫紋的因素之一，生產廠家（jiā）應建立相應的試（shì）樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣品裝夾和刀具安（ān）裝情況進（jìn）行檢查；

(3)根據加工樣品（pǐn）的鋼級、尺寸等情況，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頭加工過程中顫紋（wén）的產生（shēng）。