​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因

特殊螺紋（wén）接頭是針（zhēn）對API螺紋（wén）接頭密封性能差、上扣控製難、接頭（tóu）應力水平高等不足而專門設（shè）計的具有可靠連接強度和良好密封性能的（de）專用油套管接頭，其（qí）結構設計特點決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探（tàn）水平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及（jí）高溫高壓氣井的數量逐年增加（jiā），對特殊螺紋接頭的性能及質（zhì）量控製（zhì）要求越來越高。目前，國內生產特（tè）殊螺紋接頭的廠家大部（bù）分都采（cǎi）用進口高精度數控車床，就是為了更好地（dì）控製特殊螺紋接頭的產品質量（liàng）。

顫紋是特殊螺紋（wén）接頭加（jiā）工過程中常見的加工缺陷，直接影（yǐng）響到特殊螺紋（wén）接頭的使用性能和產品（pǐn）質量。本文結合特殊螺紋接頭的加（jiā）工特點，總結了特殊螺紋接頭加（jiā）工過程中顫（chàn）紋產生的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產質量控製提供了一定（dìng）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（luó）紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論上（shàng）會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果加工（gōng）剛性較差（chà）的薄壁管或者（zhě）刀具、車床（chuáng）剛性（xìng）不足，就會在加工過程中發（fā）生振動（dòng），從而在螺紋加工表麵產生顫紋（wén）。

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（gēn）據螺（luó）紋的設計長度、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（guǎn）體懸出過長、管頭擺動造（zào）成加工顫紋的產生。此外（wài），在進行外螺紋加工時，可根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮（fú）動支撐（chēng）輥(見圖2)，這樣可以更有效（xiào）地降低顫紋的產生（shēng）。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通（tōng）車（chē）削，因此刀具會承受非（fēi）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（jì）時（shí）根據（jù）加工管體（tǐ）的材料和特殊（shū）螺紋接頭的結構設計特點，製定合理的刀具設計（jì）方案，特（tè）別是設計內螺紋刀杆（gǎn）時（shí），應注意刀杆直徑和懸出長度（dù）的關係。一（yī）般懸出長度控製在（zài）刀（dāo）杆直（zhí）徑的1.5-2倍為宜，如（rú）果需要加工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產（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門設計的，一般懸出長度控製在刀（dāo）杆直徑的3-4倍。另外，選（xuǎn）擇適當的（de）刀具材料和熱處理工藝也很（hěn）重（chóng）要，合理的刀（dāo）具材料和熱處理工藝可（kě）以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重（chóng）車（chē）削（xuē）的數控車床。剛性好的車床可以更有效地控製特（tè）殊螺紋接頭加工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣（yàng）的裝夾方式不合理（lǐ）

除了車床、刀具以及管體本身的剛性不足，加工試（shì）樣的裝夾方式也是導致顫紋出現的主要原因，例如（rú）夾持壓力（lì）不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過（guò）程中，試樣會（huì）發生位置移動，導致顫紋產（chǎn）生；如果夾持壓力（lì）過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡管切削時（shí）接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆（sōng）開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性（xìng）能主要靠金屬過（guò）盈來實現，當橢圓度超（chāo）差時，會在原本過盈的地方產生（shēng）間隙或更大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄漏或發生粘（zhān）扣。此外，卡（kǎ）爪尺寸不合適，不能與加工試樣的外表麵完美貼合，勢必會影響夾持的（de）穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度時（shí），便會在加工過程出現樣品移動，產生顫（chàn）紋。

油（yóu）套管螺紋的加（jiā）工是一個長期總（zǒng）結經驗的過程，其加工時的夾持壓力就（jiù）是一個重要的數據經驗積累，主（zhǔ）要根據加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期摸索總結而來（lái）。合理的夾（jiá）持壓力可以消（xiāo）除樣品在加（jiā）工過程中的移動，同（tóng）時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效（xiào）消（xiāo）除（chú）加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也（yě）要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點專（zhuān）門（mén）設計（jì）。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平（píng）麵卡（kǎ）爪的夾持形式為點線接（jiē）觸，這種夾持（chí）方式接觸麵積小（xiǎo），可以有效增加卡爪和樣品表（biǎo）麵之間的夾持力，防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均（jun1），使（shǐ）樣品加工（gōng）後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大（dà），受力（lì）均勻，加工後的樣品（pǐn）尺寸好，橢圓（yuán）度佳（jiā），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（jìn）量選擇（zé）圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂齒狀或（huò）設置多個凹槽(見圖3)，以（yǐ）增加其摩擦力。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（jiā）工前（qián）根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪（zhǎo）的工作表麵的鏜車，以（yǐ）避免圓弧直徑相差太大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包裹角度（dù）的設計，太小可能會導致夾持力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導致（zhì）樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工（gōng）過程中，盡（jìn）量選擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓（yuán）弧包爪，包裹角度應達到整個（gè）樣品（pǐn）圓周的中上水平，這樣不僅可以保證樣品的加工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝（zhuāng）不規（guī）範

刀片（piàn）、刀墊本身加工質量參差不齊、誤差（chà）大或緊固裝置設計不合理以（yǐ）及不規範（fàn）安裝都（dōu）會導（dǎo）致樣（yàng）品加工時產生顫紋。同時，刀杆安（ān）裝時（shí），刀尖與車床主（zhǔ）軸回轉中心(車床中心高)距離（lí）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（pèi）件的質量情況直接決定（dìng）了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆（gǎn）上後，不能很好地相互（hù）配合，會產生（shēng）間（jiān）隙，還有可能存在加工尺寸與設計方案有出（chū）入以及刀具鈍化，這些都會導致顫紋產生（shēng）。因此，在特（tè）殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業（yè）刀具。此外，刀（dāo）片（piàn）、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或（huò）是（shì）在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新（xīn）的（de）刀片、刀墊時，應按照操（cāo）作規範進行安裝（zhuāng）。在加（jiā）工（gōng）過程（chéng）中，也要定期檢查刀片（piàn）、刀墊是否鬆動或是夾入（rù）鐵屑，如有隱患應（yīng）及時處理，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（de）刀片、刀墊緊固設計方案，以（yǐ）降低加工過程中（zhōng）產生顫紋的可（kě）能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床中心高（gāo）距離相差大，會導致刀具在車削（xuē）時的刀（dāo）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，出現顫紋（wén）。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀（dāo）具安裝的（de）角度（dù），避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多（duō）國外的專業刀（dāo）具廠家會配套專用的對刀器（qì）來確定刀具的（de）安裝角度（dù）。國產刀具一般不配（pèi）套對刀器，在確定刀具安（ān）裝角度時，可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵車削（xuē），找到棒料的圓心，並（bìng）留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖（jiān）調整到小（xiǎo）圓錐（zhuī）台軸線的高度上即可最終確定（dìng）刀具（jù）安裝角度(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與車床主（zhǔ）軸回轉中心是否共（gòng）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（xiàng）差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫紋（wén）的（de）產生。

(4)加（jiā）工參（cān）數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工（gōng）工藝是決定特殊螺紋接頭質量的重要影響因素，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，加工方式的（de）選擇也需要根據加（jiā）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工藝及加工方式，才能（néng）有效降低加工顫紋出現（xiàn）的幾率（lǜ）。

特殊螺（luó）紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改（gǎi）良（liáng）的偏（piān）梯螺（luó）紋，因此（cǐ），該（gāi）螺紋（wén）的車削屬於重車削。王（wáng）瀟屹（yì）等對油管外螺紋進行了（le）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：當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋（wén）表麵（miàn）都會產生顫紋（wén）；而在中間（jiān）速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在進行特殊螺紋接頭加工時，應（yīng）當結合加工樣品的鋼級、尺（chǐ）寸及結構情況，摸索出合理的車削（xuē）速度，以（yǐ）避免產生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可（kě）大（dà）幅降低（dī）螺紋車削（xuē）過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的（de）切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵（miàn）積逐漸增大，螺紋車（chē）削即將完成時，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，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以一定進給速度前進，被（bèi）車削的試（shì）樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫（chàn）動，引起顫紋（wén），同時吃（chī）刀量太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造（zào）廠家的經濟效益。

2 避免顫（chàn）紋產生（shēng）的辦法（fǎ）

選擇合理的車削（xuē）方式，可以（yǐ）有效改善螺紋的表麵質量並提高（gāo）刀（dāo）具的使用壽命。圖5為螺（luó）紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的（de）特點為各刀刃同時工（gōng）作，排屑（xiè）困難，切削力較大，容易紮刀、振（zhèn）動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙型精度較高（gāo），一般適合於小齒（chǐ）形小螺距（jù）的螺紋或脆性材料（liào）的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢（chàng），切削力較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋（wén）表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切（qiē）削一側的刀刃磨損大；改進型側向進（jìn）刀則可避免斜向進刀刀刃磨損（sǔn）大和工件表麵（miàn）粗糙度大的問題；交互式（shì）進刀切削（xuē）時，兩側刀刃磨損均勻，較（jiào）適用（yòng）於加工大螺距（jù）螺紋。因（yīn）此（cǐ），對於特殊（shū）螺紋的（de）車削，可采用（yòng）改進型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（xiàn）的機率，避（bì）免顫（chàn）紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加（jiā）工過程中普遍存（cún）在的現象，不僅影響特殊螺紋（wén）接頭（tóu）的表麵質量，還會導致（zhì）特殊螺紋接頭的各項性（xìng）能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產（chǎn）生。

(1)車床（chuáng）、加工樣品以及刀具（jù）本身的剛性不足是（shì）引起顫紋的主要因素，應當選擇（zé）剛性高的刀具和（hé）車床，同時根據加工管（guǎn）體的實際情況，適當設計或增加一（yī）些減振防顫的工裝（zhuāng）或工藝；

(2)試樣裝夾不規範（fàn）、刀具安裝不合理也是引起顫紋的因（yīn）素之一，生產（chǎn）廠（chǎng）家應（yīng）建立（lì）相（xiàng）應的試樣裝夾（jiá）、刀具安（ān）裝的管（guǎn）理文件，定（dìng）期對（duì）樣品裝夾（jiá）和刀具安裝情況進行檢查；

(3)根（gēn）據加工樣品的鋼級、尺寸等情（qíng）況，製定合理的加工工藝參數及加（jiā）工方式，有效控製特殊（shū）螺（luó）紋接頭加工過程中顫紋的產生。