​數控車床（chuáng）加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原（yuán）因及對策（cè）

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接（jiē）頭密封性能差、上扣控製難（nán）、接頭應力水平（píng）高等不足而專門設計的具有（yǒu）可靠連接強度和良（liáng）好密（mì）封性能（néng）的專用油套管接頭，其結構設計特點決定了（le）它良好的使用（yòng）性能和加（jiā）工（gōng）精度。隨著我國石油勘探（tàn）水平不斷提（tí）高（gāo），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（tè）殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來（lái）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（dù）數控車床（chuáng），就是為了更好地控製特殊（shū）螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng）常見的加（jiā）工缺陷，直接影響到特殊螺紋接頭的使用性能（néng）和產品質量。本文（wén）結合特殊（shū）螺紋接頭的加工特點，總結（jié）了（le）特殊（shū）螺紋（wén）接頭加工過程中顫紋（wén）產生的（de）原因及對策，為特殊螺紋（wén）接頭的生產質量控製提供（gòng）了（le）一定參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車（chē）床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工過（guò）程中，顫紋常見於螺紋（wén）車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的（de），理論上會保持較（jiào）好的加工表麵光潔度，而不會像普通（tōng）車（chē）削加工那樣受進給量（liàng）的影響。但如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具（jù）、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振動，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時（shí），為避免加工顫紋的產（chǎn）生（shēng），可以根據螺紋的設計長度、車床的加工特點和刀具裝夾方（fāng）式，確定合理（lǐ）的管體懸出（chū）長度(見圖1)，以避（bì）免（miǎn）管體懸（xuán）出過長、管頭擺動造成（chéng）加工顫紋的產生。此（cǐ）外（wài），在進行外螺紋加工時，可根（gēn）據管體幾何尺寸，設計管體內支撐（chēng）和輥道上（shàng）的（de）浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降（jiàng）低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因此刀具會承（chéng）受非常大的車削力。為有效避免加（jiā）工過程中產生顫紋，要求在設計時根據加工管體的材料（liào）和特殊螺（luó）紋接頭的結構設計特點，製定合理的刀具設計方（fāng）案，特別是設計內螺紋刀杆時，應注意（yì）刀杆直徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑的（de）1.5-2倍為宜，如果需（xū）要加工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專（zhuān）業刀具廠家生產（chǎn）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（zhuān）門（mén）設計的，一般懸（xuán）出長度控製（zhì）在刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀（dāo）具材料和熱處理工藝也很重（chóng）要，合理的刀具材料（liào）和熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。盡（jìn）量選擇剛性較（jiào）好、適（shì）合重車（chē）削的數控車床。剛性好的車床（chuáng）可以更有效地（dì）控製特（tè）殊螺（luó）紋接頭加工的質（zhì）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（yǐ）及（jí）管體本身的剛性不足（zú），加工試樣的裝夾方式也是導致（zhì）顫紋出現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具（jù）卡爪尺寸不合適等都會造成（chéng）顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中（zhōng），試樣會發生位置移動，導致顫（chàn）紋產（chǎn）生；如果夾（jiá）持（chí）壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡（jìn）管切削時接頭內壁可以（yǐ）被車成正（zhèng）圓孔，但鬆開後，接頭彈性（xìng）恢複，導致樣品橢圓（yuán）度超差。特（tè）殊螺（luó）紋接頭的密封性能主要靠（kào）金屬過盈來實現（xiàn），當橢（tuǒ）圓度超差時，會在原本過盈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，卡爪尺寸不合適，不能與加（jiā）工試樣的（de）外表麵完美貼（tiē）合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度時（shí），便會在加工過程（chéng）出（chū）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（shí）的夾持壓力就是一個重要的數據經驗積累，主要（yào）根據加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點（diǎn）長期摸索總（zǒng）結（jié）而來。合理的夾（jiá）持壓力可以消除樣品在（zài）加工過程中的移動（dòng），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（chú）加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同（tóng）樣，卡爪的設計也要結合需（xū）要加（jiā）工樣品（pǐn）的尺寸、鋼級並（bìng）結合車床的（de）特點專門設計（jì）。目前（qián），常見（jiàn）的有（yǒu）平麵卡爪和（hé）圓弧包爪（zhǎo）。平麵卡爪的夾持形式為點線接觸，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持力（lì），防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包（bāo）爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣（yàng）品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容（róng）易出現異（yì）動，產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡（jìn）量（liàng）選擇圓（yuán）弧包（bāo）爪，且包爪與樣品接觸的工（gōng）作麵應當設計成（chéng）平頂齒狀或設置多（duō）個（gè）凹槽(見圖3)，以增加其摩（mó）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，最好在加工（gōng）前根據加工樣品的（de）外徑尺寸，進行圓弧包爪的（de）工作表麵的鏜車，以避（bì）免圓弧直徑相（xiàng）差太大而在加工中發生樣品移動、產生顫（chàn）紋。還需（xū）注意包裹角度的設計，太小可能會（huì）導致夾持（chí）力不足，太大則會造成裝夾（jiá）過程中卡爪之間（jiān）的（de）相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特（tè）殊螺紋的加（jiā）工過程中（zhōng），盡（jìn）量選擇與加（jiā）工樣品外徑匹配的（de）大摩擦力圓弧包爪（zhǎo），包（bāo）裹角度應達到整個樣品圓周的中上水平（píng），這樣不僅可以保證樣品的加工尺寸（cùn），同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工（gōng）質量參差不齊、誤差大或緊固裝（zhuāng）置設計不（bú）合理以及不規範安裝都會導致樣品加（jiā）工時產生顫紋。同時，刀（dāo）杆安裝時，刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心（xīn）高)距離相差較大也是（shì）產生顫紋的重（chóng）要原因之一。

刀片、刀墊（diàn）以（yǐ）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、刀墊安裝在刀杆上後，不能很（hěn）好地相互配合，會產生間隙，還有可能存在加工尺（chǐ）寸與設計方案有（yǒu）出入（rù）以及刀（dāo）具鈍化，這些都會（huì）導致顫紋產生。因此，在特殊（shū）螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專（zhuān）業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會（huì）導致（zhì）加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝（zhuāng）。在（zài）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，如有隱患應及時處理，以（yǐ）防止產生顫紋（wén）。刀片、刀墊緊固（gù）方式的設計合理性也是影響顫紋出現的重要原因（yīn）之一（yī），應盡量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或使用（yòng）較為（wéi）成熟的刀片、刀（dāo）墊緊固設計方案，以降低加（jiā）工過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範（fàn）、刀（dāo）尖與車床中心高距離相差（chà）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（jù）受力不在最佳（jiā）狀態，從（cóng）而導致樣（yàng）品加工過程中產生振動，出現顫紋。因此，在進（jìn）行刀具對刀時（shí），一定要注意（yì）刀具安裝的角度（dù），避免刀尖與（yǔ）車床中心高距離相差太大。很多國外的（de）專業刀（dāo）具廠家會（huì）配套（tào）專用的對刀器來確定刀具的（de）安裝角度。國（guó）產刀具一般不配套對刀器，在確定刀具安裝（zhuāng）角度時，可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵車（chē）削，找到（dào）棒料的圓心，並留下一個小（xiǎo）圓錐台，將需要安裝的刀具（jù）刀尖調整到（dào）小圓（yuán）錐台軸線的高度上即可最終確定刀（dāo）具安裝角（jiǎo）度（dù）(見圖4)。通常是通過目測來判斷（duàn）刀尖與（yǔ）車床主軸回（huí）轉（zhuǎn）中心是否共線，因此（cǐ）會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉中（zhōng）心的（de）距離相差±0.5mm以內，可以有效（xiào）減少（shǎo）加工顫（chàn）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決定特殊螺（luó）紋（wén）接頭質（zhì）量的重要影響因素，不同（tóng）的（de）吃刀量、車削（xuē）速（sù）度等都會（huì）導致（zhì）樣品加（jiā）工質量上的差異。此（cǐ）外，加工方式的選擇也需（xū）要根據加工樣品的鋼級、尺寸等情（qíng）況來定（dìng）。不同（tóng）的鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加工方式，才（cái）能有效降低加工顫（chàn）紋出現的幾率。

特（tè）殊螺紋接頭的螺紋形式通常為（wéi）偏梯（tī）螺紋或改良（liáng）的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削（xuē）。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀（dāo）量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研（yán）究發現：當（dāng）進給速（sù）度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺（luó）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，在進行特殊螺紋（wén）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，合理的吃刀量分配也可（kě）大幅降低螺紋車削過程中顫紋的產生（shēng）幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力（lì）大。隨著螺紋深度（dù）的增加，刀片與樣品（pǐn）的接（jiē）觸麵積逐漸增大，螺（luó）紋車削（xuē）即將完（wán）成時，刀（dāo）片會承受非常大的切削載荷，從而引起刀片出現輕（qīng）微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以（yǐ）一定進（jìn）給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住（zhù）刀片，導致（zhì）刀片在車削過程（chéng）中產（chǎn）生顫動（dòng），引起顫紋，同時吃刀量太小（xiǎo）也會導致加工效率大（dà）幅（fú）降低，影響製造廠家的經（jīng）濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法（fǎ）

選（xuǎn）擇合理（lǐ）的車削方式，可以有效改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常見（jiàn）進刀方式示意圖。徑向進刀的特（tè）點為各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大（dà），容易紮刀、振動、刀尖易磨（mó）損，但操作相對簡單，牙型精度較高，一般適合（hé）於小齒形小螺（luó）距（jù）的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點（diǎn）是（shì）不易紮刀，單刃切（qiē）削（xuē），排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，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（bì）免（miǎn）斜向進刀刀刃磨損大和工件表（biǎo）麵粗糙（cāo）度大的問題；交互式進刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工大螺距螺紋。因此，對（duì）於特殊螺紋的車（chē）削，可采用改進型側向（xiàng）進刀或交互式（shì）進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃（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（chàn）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，不僅影響特殊螺紋接頭的表（biǎo）麵質量，還會導致特殊螺紋（wén）接（jiē）頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加工樣品以及刀具本（běn）身的（de）剛性不足是引起顫紋的主要因素，應當（dāng）選擇剛性高的刀（dāo）具和車床（chuáng），同時根據加工管體的（de）實際情況，適當設計或增加一（yī）些減振（zhèn）防顫的工裝或工藝（yì）；

(2)試（shì）樣裝夾不（bú）規範（fàn）、刀具安裝不合理也（yě）是引起顫紋的因（yīn）素之一，生產廠家應建立相應（yīng）的試樣裝（zhuāng）夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣品（pǐn）裝夾（jiá）和刀具安裝情況進行檢（jiǎn）查；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合（hé）理的加工工（gōng）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的產生（shēng）。