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螺紋接頭密封性能差、上扣控製難、接頭（tóu）應力水（shuǐ）平高等不足而專門（mén）設計（jì）的具（jù）有可靠連接強度和良（liáng）好密封性能的專用油套管接頭，其結構設（shè）計特點決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我國石油（yóu）勘探水平不（bú）斷提高，深井、超深（shēn）井、熱采井以及高溫高壓氣（qì）井的數量逐（zhú）年增（zēng）加，對（duì）特殊螺紋接頭的（de）性能及質量控製要求越來越（yuè）高。目（mù）前，國（guó）內（nèi）生產特殊螺紋接頭的（de）廠家（jiā）大部（bù）分都采用進口高精度數控車床，就是為了更好地（dì）控製特殊螺紋（wén）接頭的產品質量。

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

1 顫紋產生的原因

(1)加（jiā）工（gōng）試樣、刀具或（huò）車床本身剛性不足

特殊（shū）螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好的加工（gōng）表麵光潔度，而不會像（xiàng）普通車削加工那樣受進給（gěi）量的影響。但如果加工剛性（xìng）較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工（gōng）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（guǎn）體上進（jìn）行螺紋加工時，為避免加工顫紋的（de）產生，可以根據螺（luó）紋（wén）的設計長度、車床的加（jiā）工特點和刀具裝夾（jiá）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（guǎn）頭擺動造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可根據管（guǎn）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2)，這樣可以更有效地降低顫紋的產生。

特殊螺紋加工（gōng）時的進給量遠大於普通車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避免加（jiā）工過程中產生顫紋，要求（qiú）在設計時根據加工管體的材料和特（tè）殊螺紋接頭的結構設計特點，製定（dìng）合理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長度的（de）關係（xì）。一般懸出長度控製在刀杆直（zhí）徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小（xiǎo）且長的內（nèi）螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專用防振（zhèn）刀杆。這些刀杆是為了解決（jué）加工孔小行程長的內螺紋專門（mén）設計（jì）的，一般懸出長度控製在刀（dāo）杆直徑的（de）3-4倍。另外，選擇適（shì）當的刀具材料和熱處理工藝也很（hěn）重要，合理的刀具材（cái）料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。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量（liàng），防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的（de）裝夾方式不合理

除了車床、刀（dāo）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顫紋出現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等（děng）都會造成顫紋。如果夾持（chí）壓力過低，在螺紋加工過程中，試樣（yàng）會發（fā）生位置移動，導致（zhì）顫紋產生；如果夾持（chí）壓力過（guò）高，接頭毛坯在夾（jiá）緊（jǐn）時有較大的不均勻彈性變形，盡管切削（xuē）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（zhì）樣品（pǐn）橢（tuǒ）圓度超差。特殊螺紋接頭（tóu）的密封性能主要靠（kào）金屬過盈（yíng）來實現，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（guò）盈量（liàng），使特（tè）殊螺紋接頭泄漏或發生粘（zhān）扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加（jiā）工試樣的外表麵完（wán）美貼合，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，便會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油（yóu）套管螺紋的加工是一個（gè）長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓力就（jiù）是一個重要的數（shù）據經驗積累，主要根據加工樣（yàng）品的尺寸、鋼級以及車床本（běn）身的特點長期（qī）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（bǎ）樣品變形控製在（zài）彈性範圍內，這樣既（jì）可以有效消除加工（gōng）顫紋，還可以（yǐ）保證特殊螺（luó）紋（wén）的橢圓度。

同（tóng）樣，卡爪的（de）設計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級並（bìng）結合車床的特點專門設計。目前，常見的（de）有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形式為（wéi）點線接觸，這種夾持方式接觸麵積小，可以有效增加卡爪和（hé）樣品表麵之間的夾（jiá）持力，防止加工（gōng）樣（yàng）品的移動，但會（huì）導致樣品（pǐn）受力不均，使樣品（pǐn）加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品（pǐn）在加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出（chū）現異動，產生顫紋。因此，在加工特殊（shū）螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與（yǔ）樣品接觸的工作麵（miàn）應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力（lì）。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配，最（zuì）好在加工前根據（jù）加工樣品的外徑尺寸（cùn），進行圓弧包爪的工作表麵的鏜車（chē），以避免圓弧直（zhí）徑相差太大（dà）而在加工中發生（shēng）樣品移動、產生顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小可能會導致夾持力不（bú）足，太大則會造成裝夾（jiá）過程中卡爪之間的相互幹涉，導致樣品夾持不緊（jǐn），產生顫紋。因（yīn）此，在特殊螺紋的加工（gōng）過程中，盡量選（xuǎn）擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力（lì）圓（yuán）弧包爪，包裹角（jiǎo）度應達到整個樣品圓周（zhōu）的（de）中上水平，這樣不僅（jǐn）可以保證樣品的加工尺寸，同時還能（néng）有效降低加工過程中顫紋（wén）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（huì）導致樣品加工時（shí）產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床主軸回轉中（zhōng）心(車床中心高（gāo）)距離相差較大也是產（chǎn）生顫紋的重要原因之一。

刀片（piàn）、刀（dāo）墊以及相（xiàng）關配件的（de）質量情況直（zhí）接決定（dìng）了樣品（pǐn）的加工質量，質量差的刀片、刀墊安（ān）裝在刀（dāo）杆上後，不能很好地相互配合，會產生間隙（xì），還有可能存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導（dǎo）致顫（chàn）紋產生。因此，在特殊（shū）螺紋接頭加（jiā）工時，應選擇（zé）質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊（jǐn）或是在車削過程中（zhōng）夾入鐵屑，都會（huì）導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新（xīn）的刀（dāo）片、刀墊時（shí），應按照操作規範進行安裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動（dòng）或是夾入鐵屑，如有隱患（huàn）應及時處理，以防止產生顫（chàn）紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合（hé）理性也是影響（xiǎng）顫紋出現的重要原因之一，應盡量選擇經驗豐富的專業刀片（piàn）、刀墊製造廠家或使（shǐ）用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低（dī）加工過程（chéng）中產生（shēng）顫紋的可（kě）能性（xìng）。

刀杆安裝不規範、刀尖（jiān）與車床中心高距離（lí）相差大，會導致刀具（jù）在車削時的刀具角度和理想角度（dù）偏差太大，刀具（jù）受（shòu）力不在最佳狀（zhuàng）態，從（cóng）而導致（zhì）樣品加（jiā）工過程中產生振動，出（chū）現顫（chàn）紋。因此（cǐ），在進行刀具對刀時，一定要注意（yì）刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距（jù）離相差太大。很多國外的專業刀具廠家會配套專（zhuān）用的（de）對（duì）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，可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平（píng）端麵車削（xuē），找（zhǎo）到棒料的圓心，並留下一（yī）個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的高度上即（jí）可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是（shì）通過目測來判斷刀尖（jiān）與車床主（zhǔ）軸回轉中心是否共線，因此會（huì）存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加工（gōng）顫紋的產生。

(4)加工參數（shù）及方式選取不當

特殊（shū）螺紋接頭的（de）加工工藝是決定特殊螺紋接（jiē）頭質量的重要影響因素，不（bú）同的吃刀量、車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（xuǎn）擇也（yě）需要（yào）根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同的加工（gōng）工藝及（jí）加工方式（shì），才能有效降低加工顫紋出現的幾率。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或（huò）改良的偏（piān）梯螺（luó）紋，因此，該螺紋（wén）的車削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺（luó）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：當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在（zài）螺紋（wén）表麵都（dōu）會（huì）產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵（miàn）完好。因（yīn）此，在進行特殊（shū）螺紋接頭加工時，應當結合加工樣品的（de）鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理的車削速（sù）度，以避免產生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降（jiàng）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（chē）削即將完成時（shí），刀片會承受非常大的切削（xuē）載荷，從而引起刀片出現（xiàn）輕（qīng）微顫動或崩刀，產生顫（chàn）紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量（liàng）過小、轉速較高時，刀具（jù）以一定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓（yā）住刀片，導致刀（dāo）片在車削過程（chéng）中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太（tài）小也會導致加工效率大幅降低（dī），影響（xiǎng）製造廠（chǎng）家的經（jīng）濟效益。

2 避免（miǎn）顫紋產（chǎn）生的（de）辦法

選擇（zé）合理的車削方式，可以有（yǒu）效改善螺紋的表麵質（zhì）量（liàng）並提高刀具的使（shǐ）用壽命。圖5為螺紋車（chē）削常見進刀方（fāng）式（shì）示意圖。徑向進刀的特點為（wéi）各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙型精度較高，一般（bān）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（diǎn）是不（bú）易紮刀，單（dān）刃切削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較（jiào）大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而（ér）且不參與切削一側的刀刃磨損大；改進型側向進刀則（zé）可避免斜向（xiàng）進（jìn）刀刀刃（rèn）磨損（sǔn）大和（hé）工（gōng）件表麵粗糙（cāo）度大的問（wèn）題；交互式進刀切削時，兩側刀刃磨損（sǔn）均勻，較適用於（yú）加工（gōng）大螺距螺紋。因此，對於特殊螺（luó）紋的車削，可采用改進型（xíng）側向進刀或交互式進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削，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（jié）

顫紋是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存（cún）在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表麵質量（liàng），還會導致特殊螺紋接頭（tóu）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（chuáng）、加工樣品以及刀具（jù）本身的剛性（xìng）不足是引起顫紋的主要因素，應當選擇剛性高的刀具和車（chē）床，同時根據加工管體的實際（jì）情況，適（shì）當設（shè）計或增加一些減（jiǎn）振防顫的工（gōng）裝或工藝；

(2)試樣裝（zhuāng）夾不規範、刀具安（ān）裝不合理也是引（yǐn）起顫紋的因素之一，生產廠家（jiā）應建立相應的試樣裝（zhuāng）夾、刀具安裝的管理文件，定期（qī）對樣品（pǐn）裝夾（jiá）和刀具安裝情況進行檢查；

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