​數控車（chē）床加工特殊螺紋接頭產生顫（chàn）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、接頭應力水平高等不足而專門設計的（de）具有可靠連接強度和良好密封性能的專用油套（tào）管接頭，其結構（gòu）設計特點（diǎn）決定（dìng）了它良好的使用性能和加工精度。隨（suí）著（zhe）我（wǒ）國石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高（gāo）溫高壓（yā）氣井（jǐng）的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及（jí）質量控（kòng）製要求越來越高。目前，國內生產（chǎn）特殊螺紋接頭的廠（chǎng）家大部分都采用進口高精度數控車床，就是為了更好地控製特殊螺紋接頭的（de）產品質量。

顫紋（wén）是特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng）常見的加工缺（quē）陷，直接影響到特殊螺紋接（jiē）頭的使（shǐ）用性能和產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工（gōng）特點（diǎn），總結了（le）特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產生的原因及（jí）對策，為特殊螺紋接頭的生產（chǎn）質量控製提供了一定參考。

1 顫（chàn）紋產生的（de）原因

(1)加工試樣、刀（dāo）具或車（chē）床本身剛性（xìng）不足

特殊（shū）螺紋接頭加工過程中，顫紋常（cháng）見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵（miàn）是經過連續加（jiā）工獲得的，理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像（xiàng）普通車削（xuē）加工那樣受進給量的影響。但如果加工剛性（xìng）較差（chà）的薄壁（bì）管或者刀具、車床剛性不足，就會在加（jiā）工過程（chéng）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體（tǐ）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）夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避（bì）免管體懸出過長（zhǎng）、管頭擺動造（zào）成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工（gōng）時，可根據管體幾（jǐ）何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動（dòng）支撐輥(見圖2)，這樣可以更有（yǒu）效地降低顫紋的產（chǎn）生。

特殊螺紋加工時的（de）進給（gěi）量遠大（dà）於普通車削，因此刀具會承受（shòu）非常大的車削（xuē）力。為有（yǒu）效避（bì）免（miǎn）加工過程（chéng）中產生顫（chàn）紋，要求在設計時根據（jù）加（jiā）工管體的材料和（hé）特殊（shū）螺紋（wén）接頭的結構（gòu）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，應注意刀杆直徑和懸出長度的關係。一（yī）般（bān）懸出長度控製在刀杆直徑的（de）1.5-2倍為宜，如果需要加工（gōng）內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專（zhuān）用防振（zhèn）刀杆。這些刀杆是為了解（jiě）決加工孔小行程長的內螺紋（wén）專門設計的，一般懸出長度控製在（zài）刀杆直（zhí）徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和（hé）熱處理工藝也很重（chóng）要，合理的刀具材料和熱處理工藝可以有（yǒu）效地保證刀具（jù）的剛性。盡量選擇剛性較好、適（shì）合重（chóng）車削的數控車床（chuáng）。剛性好（hǎo）的車床（chuáng）可以更有效地控製（zhì）特殊螺紋接頭加工的質量，防止（zhǐ）加工（gōng）過（guò）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性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋出現（xiàn）的主（zhǔ）要原因，例如夾（jiá）持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會（huì）造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺（luó）紋加工過程中（zhōng），試樣會發生位置移動（dòng），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勻彈性變形（xíng），盡管切削時接（jiē）頭內壁可以（yǐ）被車成正圓孔，但鬆開後，接（jiē）頭彈性恢複，導致（zhì）樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠（kào）金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地方產生（shēng）間隙或更大的過盈（yíng）量，使特殊螺紋（wén）接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不（bú）能與加工試樣的外表麵完美貼合，勢必會（huì）影響夾（jiá）持（chí）的穩定性。當夾（jiá）持穩定性降低到一定（dìng）程度時，便（biàn）會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油（yóu）套管螺（luó）紋的加工是一個長期總結經驗的過程，其加工（gōng）時的夾持壓力就是一個重要的數據（jù）經驗積累，主要根據加工樣品的尺寸（cùn）、鋼級以及車床（chuáng）本身的特點長期摸索總結而來（lái）。合理的夾持壓力可以消（xiāo）除樣品在加工過程中的移動，同（tóng）時把樣品（pǐn）變形控（kòng）製在彈（dàn）性範圍內，這樣既可（kě）以有效消除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋（wén）的橢（tuǒ）圓度。

同（tóng）樣，卡（kǎ）爪的設（shè）計也要結（jié）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，常見的（de）有平麵卡爪（zhǎo）和圓弧包爪。平麵卡（kǎ）爪的夾持形（xíng）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（hé）樣品表麵之間的夾持力，防止加（jiā）工樣（yàng）品（pǐn）的移動（dòng），但會（huì）導致樣品（pǐn）受力不均，使樣品加（jiā）工後的尺寸或橢圓（yuán）度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的（de）樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時（shí）相對容易出現異動，產生顫紋。因此，在（zài）加工特殊螺紋接頭時，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（zhuàng）或設置多個凹槽(見（jiàn）圖（tú）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，最好在加工（gōng）前（qián）根據加工樣品的（de）外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表麵的鏜車，以避（bì）免圓弧直徑相差太大而（ér）在加工（gōng）中發生樣品移動、產（chǎn）生（shēng）顫紋。還需注意包裹角度（dù）的設計，太小（xiǎo）可能會（huì）導致夾持力不足，太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（shēng）顫紋。因此，在特殊螺紋的（de）加工過程中（zhōng），盡量選（xuǎn）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水平，這樣不僅可以保證樣品（pǐn）的加工尺（chǐ）寸，同（tóng）時還能有效降（jiàng）低加（jiā）工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加（jiā）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（dà）或緊（jǐn）固裝置設計（jì）不合理以及不規範安裝（zhuāng）都會導致樣品加工時產生（shēng）顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車（chē）床主軸回轉中心(車床中心（xīn）高)距離相差較（jiào）大也是產生顫紋的（de）重（chóng）要原因之一。

刀（dāo）片、刀墊以及相關配件的質量情況直接（jiē）決定了樣品的加工（gōng）質（zhì）量，質量差的刀片、刀墊安裝（zhuāng）在刀杆上後，不能很好地（dì）相互配（pèi）合，會產生間隙，還有可（kě）能存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導致顫（chàn）紋產生（shēng）。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇（zé）質量可靠（kào）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（jiā）工過程中顫（chàn）紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在加（jiā）工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否（fǒu）鬆動或是夾入（rù）鐵屑（xiè），如有隱患應及時（shí）處理，以防止產生顫紋。刀（dāo）片、刀墊緊固方（fāng）式的設計合理性也是影響顫（chàn）紋出現的重要原因之一（yī），應盡量（liàng）選擇（zé）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（fāng）案，以降低加工過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（xiàng）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，刀具受力不在（zài）最佳狀態，從而導致樣品加工過（guò）程中產生振（zhèn）動，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀（dāo）具安裝（zhuāng）的角度（dù），避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外（wài）的專業刀（dāo）具廠家會配套專用的（de）對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不（bú）配套對刀器，在（zài）確定（dìng）刀具安裝角度時（shí），可用基準刀對拔外皮後實心（xīn）棒料進行（háng）平端麵車削（xuē），找到棒料的圓心，並留下一（yī）個小圓（yuán）錐台，將需要安裝的刀具（jù）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角度(見圖4)。通常是通過（guò）目測來判斷刀尖與車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（xīn）的（de）距離相差±0.5mm以內（nèi），可以有效減少加工（gōng）顫紋的產生。

(4)加工參數及（jí）方式選取不（bú）當

特殊螺紋接（jiē）頭的加工工藝是決定特殊螺（luó）紋接頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量、車（chē）削速度等都會導致樣品加工（gōng）質量上的差異。此外，加工方式的選擇也需（xū）要根據（jù）加工樣品的鋼級、尺寸（cùn）等情況來定。不同的鋼級、尺寸（cùn）對（duì）應（yīng）不同的加工工藝及加（jiā）工方式，才能有效降低加工（gōng）顫紋出現的幾率。

特殊（shū）螺紋（wén）接頭（tóu）的螺（luó）紋形式通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（wáng）瀟屹等對油管外螺紋（wén）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（xiàn）：當（dāng）進（jìn）給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會（huì）產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完（wán）好。因此，在進行特殊螺紋接頭加工時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結（jié）構情況，摸索出合理的車削速度（dù），以避免產生顫紋。另外，合理的吃刀量分（fèn）配也可大幅（fú）降低螺紋車削過（guò）程中顫紋的產生幾率（lǜ）。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力（lì）大。隨著螺紋深度的增加（jiā），刀片與樣品的（de）接（jiē）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切削載荷，從而引起刀片出（chū）現輕微顫動或崩刀（dāo），產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速較（jiào）高（gāo）時，刀具以一定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀（dāo）片，導致刀片在（zài）車削過程中產生（shēng）顫（chàn）動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避（bì）免顫紋產生的辦法

選擇合理（lǐ）的（de）車削方式，可以有效改善螺紋的表麵質（zhì）量並提高刀（dāo）具的使用（yòng）壽命。圖5為螺紋車削常見（jiàn）進刀方式示意圖。徑向（xiàng）進刀的特點為各刀（dāo）刃同時工作，排屑困難，切（qiē）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，一般適合於小齒形小螺（luó）距的螺紋或脆（cuì）性材料的（de）螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀（dāo）量較大，牙型精度差（chà），螺紋表麵（miàn）粗糙度較大，易出現顫紋，而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（bì）免斜（xié）向進刀刀刃磨（mó）損大和工件表麵粗（cū）糙度大的問題；交（jiāo）互式進刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工大螺（luó）距螺紋（wén）。因此，對於特殊螺紋的車削，可采用（yòng）改進型（xíng）側向（xiàng）進（jìn）刀或交互式進（jìn）刀方（fāng）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（lǜ），避（bì）免顫紋的發生（shēng）。

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（xiǎng）特殊螺紋接頭的（de）表麵質量，還會導致（zhì）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（wén）的產生（shēng）。

(1)車床、加工（gōng）樣品以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因素，應當（dāng）選擇剛性高的刀（dāo）具和車床，同時根據加工（gōng）管體的實際情（qíng）況，適當設計或增加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝（zhuāng）夾不規範、刀具安裝不合理（lǐ）也是引（yǐn）起（qǐ）顫紋的因素之一，生產（chǎn）廠家應建立相應的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣品裝夾（jiá）和刀具（jù）安裝情（qíng）況進行檢查；

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