​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋（wén）的原因及（jí）對策

特殊（shū）螺紋接頭是針對API螺紋接（jiē）頭密封性能差、上扣控製難、接頭應（yīng）力水平高等（děng）不足（zú）而專（zhuān）門設計的具有可靠連接強度和良好密封性能的專用油套管接頭，其結構設計特點決定了它良好的使用（yòng）性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增（zēng）加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要（yào）求越來越高。目前，國內生產（chǎn）特殊螺紋接頭的（de）廠家大（dà）部（bù）分都采用進口高精度數控車（chē）床，就（jiù）是為了更（gèng）好地（dì）控製特（tè）殊螺（luó）紋接（jiē）頭的產品質量。

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

1 顫（chàn）紋產生的原因（yīn）

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不（bú）足

特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺（luó）紋加工的螺（luó）紋成型麵是經過連（lián）續加（jiā）工獲得的（de），理論（lùn）上會保持較好（hǎo）的加工表麵光潔度，而不會（huì）像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果加（jiā）工剛性較差的薄（báo）壁管或者刀具（jù）、車床剛性不（bú）足，就會在加工過程中發生振動，從而在螺紋加（jiā）工（gōng）表麵產（chǎn）生顫（chàn）紋。

在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、車床的加工特點和刀具裝（zhuāng）夾（jiá）方式，確（què）定合理的管體（tǐ）懸出長度(見（jiàn）圖1)，以避免管體懸出過長、管頭（tóu）擺動造成加工顫紋的產生。此外，在進行（háng）外螺紋加（jiā）工時，可根據管體幾何尺寸，設計管體內支（zhī）撐和輥道上的浮動支（zhī）撐輥(見圖2)，這（zhè）樣可以更有（yǒu）效地降（jiàng）低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給（gěi）量遠大（dà）於普通車削（xuē），因此刀具會承受非常大的車削（xuē）力。為有效避免加（jiā）工過程中產生顫紋，要求在設計時根（gēn）據加工管體的材料（liào）和特殊螺紋接頭（tóu）的結構設計特點，製定合理的刀具（jù）設計方案，特別是（shì）設計內螺（luó）紋刀杆時，應注意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1.5-2倍為宜，如果需要加工（gōng）內孔小且長的（de）內螺紋時，盡量選擇專業（yè）刀具廠家生產（chǎn）的專用防振刀杆。這些刀杆是為（wéi）了解決加工孔小行程長的內螺紋專（zhuān）門設計的，一般懸出長度控製在（zài）刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和熱處理工藝也很重要，合理的刀具材（cái）料和熱處理工（gōng）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，防止加（jiā）工過程中（zhōng）出現顫紋（wén）。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及管體本（běn）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（huò）夾具卡爪（zhǎo）尺寸不合適等都會造成顫紋。如（rú）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，導致顫紋（wén）產生；如果（guǒ）夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性（xìng）變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓（yuán）孔，但鬆開後，接頭（tóu）彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。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（chāo）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（bú）合適，不能與加工試樣的外表麵完美（měi）貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低（dī）到一定程度時，便會在加工過（guò）程出現樣品移動，產（chǎn）生顫紋。

油套管螺紋的加工是一個長期（qī）總結經驗的過程，其加工時的夾（jiá）持壓力就是一（yī）個重要的數據經驗積累，主要根（gēn）據加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的（de）特點（diǎn）長期摸索（suǒ）總結而來。合（hé）理的夾持（chí）壓力可以消除樣（yàng）品在加工過程中的移動，同（tóng）時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣既可（kě）以有效消除加工顫紋，還（hái）可以（yǐ）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（gāng）級（jí）並結合車床的特點（diǎn）專門設計。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵（miàn）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（yǒu）效增加卡爪和樣（yàng）品（pǐn）表麵之間的（de）夾（jiá）持力，防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品（pǐn）加（jiā）工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包（bāo）爪夾（jiá）持（chí）方式的優點是樣品在（zài）加工時接觸麵積大，受力均勻（yún），加工後的樣品尺寸好，橢圓度（dù）佳，但加工時相（xiàng）對容易出現異動，產生顫紋。因此，在加（jiā）工特（tè）殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪（zhǎo）與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以（yǐ）增加其摩擦（cā）力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量（liàng）與加（jiā）工樣品外徑相匹配，最好在加工前根據（jù）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（yuán）弧直徑相差太大而在加工中（zhōng）發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包裹（guǒ）角度的設計，太小可能會導致夾持力不（bú）足，太大則會（huì）造（zào）成裝（zhuāng）夾過程（chéng）中卡爪之（zhī）間的相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生（shēng）顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過（guò）程中，盡量選擇與加工（gōng）樣（yàng）品外徑（jìng）匹配（pèi）的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達（dá）到整個樣品圓周的（de）中上水（shuǐ）平，這樣不僅可以保證樣品的加工尺（chǐ）寸，同時還能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（bú）規範

刀片、刀墊本（běn）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品（pǐn）加工時（shí）產（chǎn）生顫紋（wén）。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心高)距離相差較（jiào）大也是產生顫紋的重要原因之（zhī）一。

刀片、刀墊（diàn）以（yǐ）及相關配件（jiàn）的質量情況直接（jiē）決定了樣（yàng）品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互（hù）配合，會產（chǎn）生間隙，還（hái）有可能（néng）存在加工尺寸與設計方案有出入（rù）以及刀具鈍化，這些都會導致（zhì）顫紋（wén）產（chǎn）生。因此，在特殊（shū）螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安（ān）裝（zhuāng）不規範、裝夾不緊（jǐn）或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致（zhì）加工（gōng）過程中顫紋（wén）的出現。因此（cǐ），安裝新的刀片、刀墊時，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、刀墊是否鬆動或是（shì）夾入（rù）鐵屑，如有隱患應及時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊（jǐn）固方式的設計合理（lǐ）性（xìng）也是影響顫紋出現的重要原因之一，應盡量選擇經（jīng）驗豐富的專業刀片、刀墊製造（zào）廠（chǎng）家或使用（yòng）較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低（dī）加工過（guò）程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規（guī）範、刀尖與車床中心高距離相差大，會導致刀（dāo）具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（zuì）佳狀態，從而導致樣（yàng）品加工過程中產生振（zhèn）動，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要（yào）注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距（jù）離相差太大（dà）。很多（duō）國外的專業刀具廠家會配（pèi）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（dāo）器，在（zài）確定刀具安裝角度（dù）時，可用（yòng）基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料的圓（yuán）心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的高度上（shàng）即可最終確定刀具（jù）安裝角度(見圖4)。通常是（shì）通過目測來判斷刀尖與車床主（zhǔ）軸回轉中心是否共線，因此會存在一定誤差。根據（jù）經驗，刀尖（jiān）與車床主軸回轉中心的（de）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（de）加工工藝是決定特殊螺（luó）紋（wén）接頭質量的重要影（yǐng）響因素，不同的吃刀量、車削速度等都會導致樣品加工質量上的差異。此外（wài），加工方式的選擇也需要根據加（jiā）工樣品的鋼級、尺寸等情況（kuàng）來定（dìng）。不同的鋼級、尺寸對（duì）應不同的加工工（gōng）藝及加工方式，才能有效降低加工顫（chàn）紋出現的幾率。

特（tè）殊螺紋接頭的螺紋形式通（tōng）常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對油管外（wài）螺紋進行了相同吃（chī）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（guò）快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生（shēng）顫紋；而在中間速度(80m/min和（hé）100m/min)加工時，螺紋表麵（miàn）完好。因此，在進行特（tè）殊螺紋接頭加（jiā）工時，應當結合（hé）加工（gōng）樣品的（de）鋼級、尺寸及結構情況，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（liàng）分配也可大幅降低螺紋車削過（guò）程中顫紋的產（chǎn）生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨（suí）著螺紋深度的增加，刀片與樣品（pǐn）的接觸麵積（jī）逐漸增大，螺（luó）紋（wén）車削即將完成時（shí），刀片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，影響螺紋的表麵（miàn）質量。吃刀量過小、轉速較高時，刀（dāo）具以一定進給（gěi）速度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程（chéng）中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導致（zhì）加工效率大幅降低（dī），影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法（fǎ）

選擇合理的車削（xuē）方式，可以有效改善螺紋的表麵質量（liàng）並提高刀具的使用壽（shòu）命。圖（tú）5為螺紋車削常見進刀方式示（shì）意圖。徑向進刀的特點為各（gè）刀刃同時工（gōng）作，排屑（xiè）困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易（yì）磨損，但操作（zuò）相對簡單，牙型精度較高，一般適合（hé）於小齒形小（xiǎo）螺距的螺紋或脆性材料的螺紋（wén）加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃（rèn）切削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量（liàng）較大，牙（yá）型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫（chàn）紋，而且不參與切削一（yī）側的刀刃磨損大；改進型側向（xiàng）進刀則可避免斜向（xiàng）進刀刀刃（rèn）磨損大和工件表麵粗糙度大的問題；交互式（shì）進刀切削時，兩側刀（dāo）刃磨損均勻，較適用於加工大（dà）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（huò）交（jiāo）互式（shì）進刀方式，以實（shí）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

顫紋是特殊（shū）螺（luó）紋接頭生產加工過程中普遍存在的現（xiàn）象，不僅影（yǐng）響特（tè）殊螺紋接頭的表麵質量，還會（huì）導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產生（shēng）。

(1)車床、加工樣品以（yǐ）及（jí）刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主（zhǔ）要因素（sù），應當選擇剛性高的刀具和（hé）車（chē）床，同時根據加工管體的實（shí）際情況，適當設計或增加（jiā）一些減（jiǎn）振防顫的工裝或（huò）工藝；

(2)試樣裝夾不（bú）規範、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的試（shì）樣裝夾、刀具（jù）安裝的管理文（wén）件，定期對樣品裝夾和（hé）刀具安裝（zhuāng）情況（kuàng）進行檢（jiǎn）查；

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