​數控車床加（jiā）工特（tè）殊螺紋接頭產生顫（chàn）紋的原因

特殊螺紋接頭（tóu）是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控製難（nán）、接頭應（yīng）力水平高等不足而專（zhuān）門設計的具有（yǒu）可靠連接強度和良好密封性能的專（zhuān）用油套管接（jiē）頭，其結構設（shè）計特點決定了它良好的（de）使用性能和加（jiā）工精度。隨著我國石油（yóu）勘探（tàn）水平不（bú）斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井（jǐng）的數量逐年（nián）增加，對特殊螺紋（wén）接頭的性能及質量控製要求越來越高。目前，國內生（shēng）產特殊（shū）螺紋接頭（tóu）的廠家大部分都采用進口高精（jīng）度數控車（chē）床，就是為了更好地控製特殊螺紋接（jiē）頭（tóu）的產品質量。

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

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不（bú）足

特（tè）殊螺紋（wén）接頭加工（gōng）過程中，顫（chàn）紋常見於螺紋車削階段。特（tè）殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理（lǐ）論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通（tōng）車削加工那（nà）樣受進給量的影響。但如果加（jiā）工剛性較差的（de）薄壁（bì）管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振動（dòng），從而在螺紋加工表麵產生顫紋（wén）。

在剛性較差的（de）薄壁管體上（shàng）進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可（kě）以根據螺紋的設計長度、車床的加工特（tè）點和刀具裝夾方式，確定合理的管體（tǐ）懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過（guò）長、管（guǎn）頭擺動造成（chéng）加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋（wén）加工時，可根據管體幾何尺寸，設計管體（tǐ）內支撐和輥道上的浮動支撐（chēng）輥(見圖（tú）2)，這樣可以更有效地降低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通（tōng）車削（xuē），因此刀具會承（chéng）受非常大的車削（xuē）力。為有效避免加工過（guò）程中產生顫紋，要求在設計時根據加工管體的材料和（hé）特殊螺（luó）紋接頭的結構設（shè）計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設（shè）計內螺紋刀杆時，應注（zhù）意刀（dāo）杆直徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控製在刀杆（gǎn）直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具（jù）廠家生產的專（zhuān）用（yòng）防振刀杆。這些刀杆是（shì）為了解決加工孔小行程長的內螺紋專門（mén）設計的（de），一般懸出長度控（kòng）製在刀（dāo）杆直徑（jìng）的（de）3-4倍。另外，選（xuǎn）擇適當的刀具材（cái）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（zhèng）刀（dāo）具的剛性。盡量選擇剛（gāng）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（kòng）製特殊螺紋（wén）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（zhuāng）夾方式不合理

除了車（chē）床、刀具（jù）以及管體本身的剛性不足，加工試樣的（de）裝夾方式也是導致顫紋出現的主要原（yuán）因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸（cùn）不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋（wén）加工過程中，試樣會發生位置移動，導致（zhì）顫紋產生；如果夾持壓力過高，接（jiē）頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變（biàn）形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複（fù），導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接（jiē）頭的密封性能主要靠金屬過盈來實（shí）現，當橢圓度超差時，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（fā）生粘（zhān）扣。此外（wài），卡爪尺寸不合適，不能與加工（gōng）試樣的外表（biǎo）麵（miàn）完美貼合，勢必會影響夾持的穩（wěn）定性（xìng）。當夾持（chí）穩定性（xìng）降低到一定程度時，便會在加工過程出現樣品移動，產生（shēng）顫紋。

油套管螺紋的加工是一個長（zhǎng）期總結經（jīng）驗的過程，其加（jiā）工時的夾持壓力就是一（yī）個重要的數據經驗積累，主要根據加工樣品的（de）尺寸、鋼（gāng）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，同時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效消（xiāo）除加工顫紋，還可以保證特殊螺（luó）紋的橢圓度（dù）。

同樣，卡爪的設計（jì）也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的（de）特點專門設計。目前，常見的有平（píng）麵卡爪和圓弧包爪。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（biǎo）麵之間的夾持力，防止加工樣品（pǐn）的移動，但會導致樣品受力（lì）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優點是（shì）樣品在加工時接觸麵積大，受（shòu）力均勻，加工後的樣品尺寸好（hǎo），橢圓度佳，但加工時相對容易出現異動，產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇（zé）圓弧（hú）包（bāo）爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂齒狀（zhuàng）或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時（shí），圓弧包爪（zhǎo）的圓弧直徑應盡量（liàng）與加工樣品外徑相匹配，最好在加工前根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包（bāo）爪的工作表（biǎo）麵的鏜車，以避（bì）免圓（yuán）弧直徑相（xiàng）差太大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還需注（zhù）意包裹角度的設計，太（tài）小可能會導致夾持力不足，太大則會造成裝夾（jiá）過程中卡爪之（zhī）間的相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在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，包裹角度應達到整個樣品圓周的中上（shàng）水平，這樣不僅可以保證樣品的加工（gōng）尺寸（cùn），同時還能有效降低加工過程中顫紋（wén）的出（chū）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不齊、誤差大或緊固裝置設計不合理以及不規範安裝都會導致樣（yàng）品加工時產生顫紋。同時，刀（dāo）杆安裝時，刀尖與車床（chuáng）主軸回轉中心(車床中心高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況直接（jiē）決定了（le）樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安（ān）裝在刀杆（gǎn）上後，不能很好地相互配合，會產（chǎn）生間隙，還有可（kě）能存在（zài）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。因此，在特（tè）殊（shū）螺紋接（jiē）頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片（piàn）、刀墊安裝（zhuāng）不規範（fàn）、裝夾不緊或是在車削（xuē）過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程（chéng）中顫紋的出（chū）現。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應（yīng）按照操作規範進行安裝。在加工過程中，也要定（dìng）期檢查刀片、刀墊是否（fǒu）鬆動或是（shì）夾入鐵屑（xiè），如有隱患應及（jí）時處理，以防止（zhǐ）產生（shēng）顫紋。刀片、刀墊緊固方（fāng）式的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（zé）經驗豐富的專業刀片、刀（dāo）墊（diàn）製造廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程中產生顫紋的可（kě）能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床中心（xīn）高距離相差大，會導致刀具在車（chē）削時的刀具角度和理想（xiǎng）角度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態，從而（ér）導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（dìng）要注意刀具安（ān）裝的（de）角度，避免（miǎn）刀尖與（yǔ）車床中心高距離相差太大。很（hěn）多國外的專業（yè）刀具廠家會配套專用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般（bān）不配（pèi）套對刀（dāo）器，在確定刀具（jù）安裝角度時，可用基準（zhǔn）刀對（duì）拔外皮後實心（xīn）棒料進行平端（duān）麵車削，找到棒料的（de）圓心，並留下一個小圓錐台，將需（xū）要（yào）安裝的刀具刀尖調（diào）整到小圓錐台軸線的高度上即可最終確定刀具安（ān）裝角度(見圖4)。通（tōng）常是通過目測來判斷刀尖與（yǔ）車床主軸回轉中心是否共線，因此會存在（zài）一定誤差。根據經（jīng）驗，刀尖與車（chē）床主軸回轉中（zhōng）心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋接（jiē）頭的加工工藝是決定特殊（shū）螺紋接頭質量（liàng）的重要影響因素，不同的吃刀（dāo）量、車削速度等都會導致樣品加工質量上的差異。此外，加工（gōng）方式的選擇也需（xū）要根據加（jiā）工（gōng）樣品的鋼級、尺寸等情況（kuàng）來定。不同的鋼級（jí）、尺寸對應不同的加工工藝及加工（gōng）方式，才能有效降（jiàng）低（dī）加工顫紋出（chū）現的幾率。

特殊（shū）螺紋接頭的螺紋形式通常（cháng）為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於（yú）重車（chē）削。王瀟屹等對（duì）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（jiū）發現：當進給速度過（guò）快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵（miàn）都會產生顫紋；而在中間速度（dù）(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（shí），應（yīng）當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理的車削速度，以避免產（chǎn）生顫紋。另外，合理的（de）吃刀量分（fèn）配也可大（dà）幅降低螺紋車削過程中顫紋的（de）產生幾率。吃刀量太大時（shí），刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的（de）增加（jiā），刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片（piàn）會承受非常大的切削載荷，從而引起（qǐ）刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋（wén），影（yǐng）響螺紋的表麵質量。吃刀（dāo）量過小、轉速較高時，刀具以一定進（jìn）給速（sù）度（dù）前進，被車削的試樣無法（fǎ）緊壓住刀片，導致刀片在車削（xuē）過程中（zhōng）產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導致加工（gōng）效率（lǜ）大幅降低，影（yǐng）響製造廠家的經（jīng）濟效益。

2 避免顫紋產生（shēng）的辦法

選（xuǎn）擇合理的車削方式，可以有效改善螺紋的表麵質量並提高刀（dāo）具的使用壽命。圖5為螺紋車削（xuē）常見進刀方式示意圖。徑向進刀的（de）特（tè）點為各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振（zhèn）動、刀尖易磨損，但操作相對（duì）簡單，牙型精度較高，一般適合（hé）於小齒形小螺距的螺（luó）紋（wén）或脆性材料（liào）的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮（zhā）刀，單刃切削（xuē），排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量（liàng）較大，牙型精度差，螺紋（wén）表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與（yǔ）切削一側的刀刃磨損大；改進（jìn）型（xíng）側向（xiàng）進刀則（zé）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（shí），兩側刀（dāo）刃（rèn）磨損（sǔn）均勻，較適用於加工大螺距螺（luó）紋。因此，對於特殊螺紋的車削（xuē），可采用改進型側向進刀或交（jiāo）互式進刀方式，以（yǐ）實現單刀刃或雙刀刃切削，避免3個刀刃（rèn）同時（shí）工作，減小振動出現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加工（gōng）過程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的（de）表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭（tóu）的各項（xiàng）性能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車（chē）床、加（jiā）工樣品以及刀具本身的剛性不足（zú）是引起顫紋的（de）主要因素，應當選擇剛性高的刀具和車床，同時根據加（jiā）工管體的實際情（qíng）況，適當（dāng）設計或增（zēng）加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具（jù）安裝不合理也是引起顫紋的因素之一，生產廠家應建立相應的試樣裝夾（jiá）、刀具安裝的管（guǎn）理文件，定期對樣品裝（zhuāng）夾和（hé）刀具（jù）安裝情況進行（háng）檢查；

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