​數控車床加工特（tè）殊螺紋接（jiē）頭產生顫（chàn）紋的（de）原因

特殊（shū）螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控（kòng）製難、接頭應力水平高（gāo）等不足而專門（mén）設計（jì）的具（jù）有可靠連接強度和良好密封性能的專用油套（tào）管接頭，其結（jié）構設（shè）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（duàn）提高，深井、超（chāo）深井、熱采井（jǐng）以及高（gāo）溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來越高。目前，國（guó）內生產特殊螺（luó）紋接頭的廠家大部分都采用進口（kǒu）高精度數控車床，就是為了更好（hǎo）地（dì）控製特殊螺（luó）紋接頭的產品質量。

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

1 顫紋產生的原因（yīn）

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺紋（wén）車削階段（duàn）。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論上會（huì）保持（chí）較好的加工表麵光潔（jié）度，而不會像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果加工剛（gāng）性較差的薄壁管或（huò）者刀具、車床剛性不足，就會在加工（gōng）過程中（zhōng）發生振動（dòng），從而在螺紋加工（gōng）表麵產生顫紋。

在（zài）剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計長度、車床的加工（gōng）特（tè）點（diǎn）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（bì）免管體懸出過長、管頭擺動造成加工顫（chàn）紋的產生。此外（wài），在進行外螺（luó）紋加工時，可根據（jù）管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥（gǔn）道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更（gèng）有效地降低（dī）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（jù）會承受非常大（dà）的車削力（lì）。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（de）材料（liào）和特殊螺紋（wén）接頭的結構設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋（wén）刀杆時，應注（zhù）意刀杆直徑和懸出（chū）長度的關係（xì）。一般懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的內螺紋（wén）時，盡量選擇（zé）專業刀具廠家生產（chǎn）的專（zhuān）用防振刀（dāo）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徑的3-4倍。另外，選擇適當的（de）刀具材料和熱處理工藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工（gōng）藝可以有效地保證刀（dāo）具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛性好的車床可以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質（zhì）量，防止加工過程中出現顫紋。

(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剛（gāng）性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋出現的主要原（yuán）因，例如夾（jiá）持壓力不合理（lǐ）或夾具卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋。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（chǎn）生；如果夾持壓（yā）力過高，接頭毛（máo）坯在夾緊時有較大的不均勻（yún）彈（dàn）性變形，盡管切（qiē）削時接頭內壁可以被車（chē）成正圓孔，但鬆開後，接（jiē）頭彈性（xìng）恢複，導（dǎo）致樣（yàng）品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要（yào）靠金屬（shǔ）過盈來實（shí）現，當（dāng）橢圓度超差時，會（huì）在原本過盈的地方產生（shēng）間隙或更大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄漏（lòu）或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加（jiā）工試樣的外表麵完美貼合，勢必會影響夾（jiá）持（chí）的穩定性（xìng）。當夾持穩定性降低到一定程度時，便會（huì）在加工（gōng）過程出現樣品移動，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（de）夾持壓力就是一個重要的數據經驗（yàn）積累，主要根據加工樣品的尺寸、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（yàng）品（pǐn）在（zài）加工過程（chéng）中的移動，同時（shí）把樣（yàng）品變（biàn）形控製在彈性範圍內（nèi），這樣既可（kě）以有效消除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪（zhǎo）的設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（jiàn）的（de）有平麵卡爪和圓弧包爪。平（píng）麵卡爪的夾持形式（shì）為點線（xiàn）接（jiē）觸，這種（zhǒng）夾持（chí）方式（shì）接（jiē）觸麵（miàn）積小，可以有效增加卡爪和（hé）樣品表麵之間的夾持力，防止加工樣品的移動，但會導致樣（yàng）品受力不均，使樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的（de）優（yōu）點是樣品在加工時接觸麵積大，受力（lì）均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度（dù）佳，但加工（gōng）時相對容易出現異動，產生顫紋。因此（cǐ），在（zài）加工特殊螺紋接（jiē）頭時，應盡量選擇圓弧（hú）包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成（chéng）平頂齒狀或設置（zhì）多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時（shí），圓弧包爪的圓弧直徑（jìng）應盡量與加（jiā）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、產（chǎn）生顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小可能會導（dǎo）致（zhì）夾持力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹（gàn）涉，導致樣品（pǐn）夾持不緊，產生顫紋。因此，在（zài）特殊螺紋的加工過程中，盡量選擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達（dá）到整個樣品圓周的中上水平，這（zhè）樣不（bú）僅可以保證樣品的加工尺寸，同時還能有效（xiào）降低（dī）加工過（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

刀片、刀墊本身（shēn）加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝置（zhì）設計不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（shí），刀杆安裝時，刀尖與車（chē）床主軸回轉中心(車床中心高)距離相差較大也是產（chǎn）生顫紋的重要原（yuán）因之一。

刀片、刀（dāo）墊以及相關配件的質量情況直接決（jué）定了樣品的加工質量，質量差的刀片（piàn）、刀墊安裝在刀杆上後，不（bú）能很好地相互配合，會（huì）產生（shēng）間（jiān）隙，還有可能存在加工尺（chǐ）寸與設（shè）計方（fāng）案有出入以及刀具鈍化（huà），這些都（dōu）會導致顫紋產生。因此，在特殊（shū）螺紋接頭加工時，應選擇質（zhì）量可靠的專業刀具。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，都會導致加工過（guò）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（guī）範進行安裝（zhuāng）。在加工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或（huò）是夾入鐵屑，如有隱患應（yīng）及（jí）時處理，以防（fáng）止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性也是影（yǐng）響（xiǎng）顫紋出現的重要原因之一，應盡（jìn）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、刀墊緊固設計方案，以（yǐ）降低加工（gōng）過（guò）程中產生顫（chàn）紋的可能性。

刀杆安裝不規範（fàn）、刀尖與車床中（zhōng）心高距離相差大，會導（dǎo）致刀具在車削時的刀具角度和理想角度偏差太大，刀具（jù）受力不在最佳狀態，從（cóng）而導致樣品加（jiā）工過程中產生振動，出現顫紋。因此，在進行刀具對（duì）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（xiàng）差太大。很多國外的專業刀具（jù）廠家會配套專用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產（chǎn）刀具一（yī）般不配套（tào）對刀器，在確（què）定刀具（jù）安裝角度時，可用基準刀對拔外（wài）皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料（liào）的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀（dāo）尖調（diào）整到（dào）小圓（yuán）錐台軸線的高度上即可最終確定刀（dāo）具安裝角度（dù）(見圖4)。通常是通過目測來（lái）判斷刀尖與（yǔ）車床主軸回轉中心是（shì）否共線，因此會存在一（yī）定誤差。根據經驗，刀尖與車（chē）床主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以（yǐ）有效減少加（jiā）工顫紋的產生。

(4)加工參（cān）數及方式選取不當

特殊（shū）螺紋接頭的加工工藝是決（jué）定特殊螺（luó）紋接頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等（děng）都會導致樣品加工質量上的差異。此外，加工方式的選擇（zé）也需要根據加工（gōng）樣品的鋼級、尺（chǐ）寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同（tóng）的加工工藝及（jí）加工方式，才能有效（xiào）降（jiàng）低加工顫（chàn）紋出現的幾（jǐ）率。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改（gǎi）良的偏梯螺（luó）紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當（dāng）進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時（shí），在螺紋（wén）表麵都會產生顫紋；而在中間（jiān）速度(80m/min和（hé）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，應當（dāng）結合加工樣品的（de）鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理的車削（xuē）速度，以避免產生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺（luó）紋車削過程（chéng）中顫紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度（dù）的增加，刀片（piàn）與樣品的接觸麵（miàn）積逐漸增（zēng）大，螺紋車削即將（jiāng）完成時，刀（dāo）片會承受非常大的切削載荷，從而（ér）引起刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表（biǎo）麵質量。吃刀量過小、轉速較高時（shí），刀具以一定進給速度前進，被（bèi）車削的（de）試樣無法緊壓（yā）住刀片，導致刀片在（zài）車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小（xiǎo）也會導致加工（gōng）效（xiào）率大幅降低，影（yǐng）響製造廠家的經濟效（xiào）益。

2 避免顫紋產生（shēng）的辦法

選擇合理的車削方式，可以有效改善螺紋的（de）表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋（wén）車削常見（jiàn）進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃同時工作（zuò），排屑困（kùn）難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀（dāo）尖易磨損，但（dàn）操作相對簡單，牙型精度較（jiào）高，一般適合於小（xiǎo）齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加（jiā）工；側向進（jìn）刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背（bèi）吃刀量較大，牙型精度差（chà），螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫（chàn）紋，而且（qiě）不參與切削一側的刀刃磨損大；改（gǎi）進型側向進刀則可避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，兩側刀刃磨損均勻，較適（shì）用於加工大螺距螺紋。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）實現單刀刃或雙刀刃切（qiē）削，避免3個刀刃（rèn）同時工作，減小（xiǎo）振動出（chū）現（xiàn）的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接（jiē）頭生產加工過（guò）程中普遍存在的現象，不僅影響特（tè）殊螺紋接頭的表麵質量，還會導致特殊螺（luó）紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產（chǎn）生。

(1)車床（chuáng）、加工（gōng）樣品以及（jí）刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因（yīn）素，應當選擇剛性高的（de）刀具和車床，同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)試樣裝夾不規範、刀具安裝不合理也是引起顫紋的（de）因素之一，生產廠家應建立相應的試樣裝夾、刀（dāo）具安裝的管（guǎn）理文件，定期對樣（yàng）品（pǐn）裝夾和刀具安裝情況進行（háng）檢查；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合理的加工（gōng）工藝參數及加工（gōng）方式，有（yǒu）效控製特殊螺（luó）紋接頭加工（gōng）過程中顫紋的產生。