​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封（fēng）性能（néng）差、上扣控製（zhì）難、接頭應力水平（píng）高等不（bú）足而專門設計的具有可靠連接強度和良好密（mì）封性能的專用油套管接頭，其結構設計特（tè）點決定（dìng）了它良（liáng）好的使用性（xìng）能和加工精度。隨著我國石油勘探水（shuǐ）平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井（jǐng）的數量逐年增加，對特（tè）殊螺（luó）紋接頭的性（xìng）能及質量控製要求越來越（yuè）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數控車床（chuáng），就是為了更好地控製特殊（shū）螺紋接（jiē）頭的產品質量。

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

1 顫紋產生的（de）原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工（gōng）過程中，顫紋常見於螺紋（wén）車削階段。特（tè）殊螺（luó）紋加工的（de）螺紋成型麵是（shì）經過連續加工獲得的（de），理論上會保持較好的（de）加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進（jìn）給量的影響。但如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加（jiā）工過（guò）程中發生（shēng）振動，從（cóng）而在螺紋加工表麵（miàn）產生顫紋。

在剛性較差（chà）的薄壁管體上進（jìn）行螺紋加工（gōng）時，為避免加工顫紋的產（chǎn）生（shēng），可以根據螺紋的設（shè）計長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成加工顫紋（wén）的產生。此外，在進行外（wài）螺紋（wén）加工時，可根據（jù）管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥（gǔn）(見圖2)，這樣可以更（gèng）有效地降低顫紋（wén）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（huì）承受非常大的車削力。為有效避（bì）免加工過程中產生顫紋，要求在設（shè）計時根據加工管體的材料（liào）和特殊螺紋接（jiē）頭的結構設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和（hé）懸出（chū）長度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加（jiā）工內孔小且長的（de）內螺紋時，盡量（liàng）選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工（gōng）孔小行程長的內螺紋專門設（shè）計的，一般懸出長度控製（zhì）在刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當（dāng）的刀具材料和熱處理工（gōng）藝也很重要，合理的（de）刀（dāo）具材（cái）料和熱處理工藝可以有效（xiào）地保證刀具的（de）剛性（xìng）。盡量選擇剛性（xìng）較（jiào）好、適合重車削的數控車床。剛性好的（de）車床可以更有效（xiào）地控製特殊（shū）螺（luó）紋接頭加工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工（gōng）試樣的裝夾方式不合理

除了（le）車床、刀具以及管體本身的剛性不足（zú），加工試樣的裝（zhuāng）夾方式也是導致（zhì）顫紋出現的主要原因，例如夾持壓（yā）力不合理或夾（jiá）具卡爪尺寸不合適等都會（huì）造成顫紋。如果夾持壓（yā）力過低，在螺紋（wén）加工過程中，試樣會發生位置（zhì）移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均（jun1）勻彈性變形，盡管切削（xuē）時接頭內（nèi）壁（bì）可以被車成正圓孔，但鬆（sōng）開後，接（jiē）頭彈性恢複，導（dǎo）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盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本（běn）過盈的地方產生間隙或更大的過盈量（liàng），使特殊螺紋接頭泄漏或發生（shēng）粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加（jiā）工試（shì）樣的外表麵完美（měi）貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低（dī）到一（yī）定程度時，便會在加工過程出現（xiàn）樣品移動（dòng），產生顫紋。

油套（tào）管螺紋的加工是一個長期總結經驗的過程，其（qí）加工時的夾持壓力就是一個重（chóng）要（yào）的數據經驗積（jī）累，主要（yào）根據加工（gōng）樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的（de）特點（diǎn）長期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以（yǐ）消除樣品在加工過程中（zhōng）的（de）移（yí）動，同（tóng）時把樣品變形（xíng）控（kòng）製在彈性範圍內，這樣既可以有效消除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣（yàng），卡爪（zhǎo）的（de）設計也要結合需（xū）要加（jiā）工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點專門設計。目前，常（cháng）見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪（zhǎo）的夾持形（xíng）式為點線接觸（chù），這種（zhǒng）夾持方式接觸麵積小，可以（yǐ）有（yǒu）效增加（jiā）卡爪和樣品表麵之間的夾持力，防止加（jiā）工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品加（jiā）工後的尺（chǐ）寸（cùn）或橢圓度超（chāo）差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接（jiē）觸麵積大（dà），受力均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易（yì）出現（xiàn）異動，產生顫紋。因此，在加（jiā）工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂（dǐng）齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量（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、產生（shēng）顫紋。還需注意包裹角度的（de）設計，太小可能會導致夾持力不足，太（tài）大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，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（yuán）弧包爪（zhǎo），包裹角度應達到整個樣品圓周的中上水平，這樣不僅可以保證樣品（pǐn）的加（jiā）工尺寸，同時還能有效降低（dī）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（fàn）

刀片（piàn）、刀（dāo）墊本身加工質（zhì）量（liàng）參差不齊、誤差大或緊固裝置設（shè）計不合理以及不規（guī）範安（ān）裝都會導致樣品加工時產生顫紋。同時，刀杆（gǎn）安裝時，刀尖（jiān）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（yuán）因之一。

刀片、刀墊（diàn）以及相關配件的質量情況直接（jiē）決定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上（shàng）後，不能很好地（dì）相互配合，會（huì）產生間隙，還有可能存在加工尺寸與設計方案（àn）有出入以及刀具（jù）鈍化，這些都（dōu）會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接（jiē）頭加工時，應選擇質量可靠的（de）專（zhuān）業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾（jiá）不緊或是在車削過（guò）程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀墊（diàn）時，應（yīng）按照操作規範進行安裝。在（zài）加工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動（dòng）或是（shì）夾入鐵屑（xiè），如有隱患應及（jí）時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方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（liàng）選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過（guò）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（jù）在車削時的刀具角度和理想角度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態，從而導致樣品加工過程中產生振動，出（chū）現（xiàn）顫紋。因此，在進（jìn）行（háng）刀具對刀時，一定（dìng）要注意刀具安裝的（de）角度，避免刀尖與車床中心高距離相差（chà）太大。很多國外的專業刀具廠家會配套專用（yòng）的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基準（zhǔn）刀對拔外（wài）皮後實心棒料（liào）進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下（xià）一個小圓（yuán）錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的高度上即可最終確定刀具安裝（zhuāng）角度(見圖4)。通常（cháng）是通過目測來判斷刀尖與車（chē）床主軸回轉中心是否共線，因此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉中心的距（jù）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（shù）及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是決（jué）定特殊螺紋接頭（tóu）質（zhì）量的重要影響因素（sù），不同的吃刀（dāo）量、車（chē）削速度等都會導致樣品加工質量上的差異。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（kuàng）來定。不同的鋼級、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（chàn）紋出現的幾率。

特殊（shū）螺紋接頭的（de）螺紋形式通常為偏梯螺紋或（huò）改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等（děng）對油管外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度（dù）(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現（xiàn）：當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而（ér）在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵（miàn）完好。因此，在進行特殊螺紋接頭（tóu）加工時，應（yīng）當結合加（jiā）工樣品的（de）鋼（gāng）級（jí）、尺寸及結構情（qíng）況，摸索出合理的車削速度，以避免產生顫紋。另外，合（hé）理的吃刀量分（fèn）配也可大幅降低（dī）螺紋（wén）車削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大的（de）切（qiē）削載荷，從而引起刀片出現輕微顫動或（huò）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，刀具以一定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住（zhù）刀片，導致刀片在（zài）車（chē）削過（guò）程中產生（shēng）顫動，引起（qǐ）顫紋，同時（shí）吃刀量（liàng）太小也會導致加工效率大（dà）幅降低，影響製造廠家（jiā）的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選（xuǎn）擇合（hé）理的車削方式，可以有（yǒu）效改善螺紋的表麵（miàn）質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常見（jiàn）進（jìn）刀（dāo）方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀（dāo）刃同時工作，排屑困難（nán），切削力較（jiào）大（dà），容易紮刀（dāo）、振動、刀尖易磨損，但操作相（xiàng）對簡單，牙型精度（dù）較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切（qiē）削，排（pái）鐵屑順暢，切削力（lì）較小，但背（bèi）吃（chī）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（rèn）磨損大；改進型側（cè）向進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損大（dà）和工件（jiàn）表麵粗糙度大的（de）問題；交互式進刀切削時，兩側刀（dāo）刃磨損均（jun1）勻，較適用於加（jiā）工大螺距螺紋。因此，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方式，以（yǐ）實現單刀（dāo）刃或雙刀刃切削，避（bì）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（chàn）紋是特殊螺紋（wén）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（jiē）頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋（wén）接頭的（de）各項性（xìng）能惡化，因此，加工過程中應（yīng）避免顫紋的產生。

(1)車床、加工樣（yàng）品以及（jí）刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要（yào）因素，應當選擇剛（gāng）性（xìng）高的（de）刀（dāo）具和車床，同時根據加工（gōng）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（yì）；

(2)試（shì）樣裝夾不規範（fàn）、刀具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（yīng）的試樣裝夾、刀具安裝的管理（lǐ）文件，定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢（jiǎn）查；

(3)根據加（jiā）工樣品（pǐn）的（de）鋼級、尺寸等情況，製定合理（lǐ）的加工工藝參數及（jí）加工方式，有（yǒu）效控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產生。