數（shù）控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原（yuán）因及對策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差（chà）、上扣控製難、接頭應（yīng）力水平高等不足而專門設計的（de）具有可靠連接強度和良（liáng）好密封性能的專用油套管接頭，其結構設計特（tè）點（diǎn）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、熱采井以及高溫高壓氣井的數（shù）量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來越高（gāo）。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，就是為（wéi）了更好地控製特殊（shū）螺紋接頭的（de）產品質量。

顫紋是特殊螺紋接（jiē）頭加工（gōng）過程中常見的加工（gōng）缺陷，直接影響到特殊螺紋接頭的使用性（xìng）能和產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點，總結了（le）特殊（shū）螺紋接頭（tóu）加工過程中（zhōng）顫紋（wén）產生的（de）原因及對策，為（wéi）特殊螺紋接（jiē）頭的生產質量控（kòng）製提供了一定參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不（bú）足

特殊螺紋接頭加工過（guò）程（chéng）中，顫紋常見於螺紋車削（xuē）階（jiē）段。特殊螺紋加工（gōng）的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論（lùn）上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像（xiàng）普通車削加工那樣受進給量的影（yǐng）響。但如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性（xìng）不足，就會在加工過程中發生振動，從而（ér）在螺紋加（jiā）工（gōng）表麵（miàn）產生顫（chàn）紋。

在剛（gāng）性（xìng）較（jiào）差的薄壁管體上（shàng）進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產（chǎn）生，可以根據螺紋的設計（jì）長度、車床的加工特點和刀（dāo）具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免（miǎn）管體（tǐ）懸出過長、管頭擺動（dòng）造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可（kě）根據管體幾何尺寸，設計（jì）管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見（jiàn）圖2)，這（zhè）樣（yàng）可以更有效地降（jiàng）低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因（yīn）此刀具會承受非常大的（de）車削力（lì）。為（wéi）有效避免加工過程中產（chǎn）生顫紋，要求在設計時根據加工管體的材（cái）料和特殊（shū）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（shí），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（yào）加工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家（jiā）生產的專用防振刀杆。這（zhè）些刀杆是為了解決（jué）加工孔小行程（chéng）長的內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在刀杆直徑的3-4倍。另外（wài），選（xuǎn）擇適當的刀具材料和熱處理工藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工藝可以（yǐ）有效地保證刀具的剛性。盡量選擇（zé）剛（gāng）性較好、適合重車削（xuē）的數控車床。剛性好的車床可以更有效地控製特殊螺紋（wén）接頭加工（gōng）的（de）質量，防止加工過程中出（chū）現顫紋（wén）。

(2)加工試樣（yàng）的裝夾方式不合理（lǐ）

除了車（chē）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的主要（yào）原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適（shì）等都會造成顫紋。如果夾持壓（yā）力過低（dī），在螺紋加工（gōng）過程中，試（shì）樣會發生位置移（yí）動，導致顫紋（wén）產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大（dà）的不均勻彈性（xìng）變（biàn）形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開（kāi）後（hòu），接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超（chāo）差。特殊螺紋接頭的密（mì）封性能主要（yào）靠（kào）金屬過盈來實現，當（dāng）橢圓度超差（chà）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（cǐ）外，卡爪（zhǎo）尺寸不合適，不能與加工試樣的外表麵（miàn）完美貼（tiē）合，勢必（bì）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（gōng）過程出現樣（yàng）品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的加工（gōng）是一個長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓力（lì）就是一個重要的數據經驗積累，主要根據加工樣（yàng）品的尺寸、鋼級以及車床本身的（de）特點長期摸索總結而來。合理的（de）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（kòng）製在彈性範圍內，這樣既可以有效消除加工顫紋（wén），還可以保證特殊螺紋的橢（tuǒ）圓（yuán）度。

同樣（yàng），卡爪的設計（jì）也要結合需要加工樣品的尺（chǐ）寸、鋼級（jí）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。平麵卡爪的夾持形式為點線接觸，這種夾持（chí）方式接觸麵積小，可以有效（xiào）增加卡爪和樣品表麵之（zhī）間的夾持力，防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣（yàng）品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包（bāo）爪夾持方式的優點是樣品在加工時接（jiē）觸麵積大，受力均（jun1）勻，加工（gōng）後（hòu）的樣品尺寸好（hǎo），橢圓度佳，但（dàn）加工時相對容易出現異動，產（chǎn）生（shēng）顫紋。因此，在加（jiā）工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包（bāo）爪，且包爪與（yǔ）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)，以增加（jiā）其（qí）摩擦力。同時（shí），圓弧包爪（zhǎo）的圓（yuán）弧（hú）直（zhí）徑應盡量（liàng）與加工樣品外徑相匹配，最好（hǎo）在加工前根據加工樣（yàng）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（jiā）工中發生樣品移動、產生（shēng）顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小可能會導（dǎo）致夾持力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互（hù）幹涉，導致樣品夾持（chí）不緊，產（chǎn）生顫（chàn）紋。因此，在特殊螺紋的加工過程中（zhōng），盡量選擇與加工樣品外徑（jìng）匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度（dù）應達到整個樣（yàng）品（pǐn）圓周的（de）中上水平，這樣不僅可以（yǐ）保證樣品的加工（gōng）尺寸，同時還能有效（xiào）降低（dī）加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀（dāo）具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊（diàn）本身加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝（zhuāng）置設計不合理以及不規範安裝（zhuāng）都會（huì）導（dǎo）致樣品加工時產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床主軸回轉中（zhōng）心(車床中心高)距離相差較大也是（shì）產生顫紋的重要原因之（zhī）一。

刀片、刀墊以及相關（guān）配（pèi）件的質量（liàng）情況直接決定了樣品的加工質量，質（zhì）量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互配合，會產生間隙，還有可能存在加工尺寸與（yǔ）設計方案有（yǒu）出入以及（jí）刀具鈍化，這些都（dōu）會導（dǎo）致顫紋產（chǎn）生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可（kě）靠的專業刀具。此外，刀（dāo）片、刀墊安裝不規範、裝（zhuāng）夾不緊或是在車削過程（chéng）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、刀墊時，應按照（zhào）操作（zuò）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（huò）是夾（jiá）入鐵屑（xiè），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（jì）合理性（xìng）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（de）專業刀片、刀（dāo）墊製造廠家或使用（yòng）較（jiào）為成熟的刀片、刀墊緊固設計方（fāng）案，以（yǐ）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差大，會導致刀具在車削（xuē）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（zhì）樣品加工過程中產生振動（dòng），出（chū）現顫紋（wén）。因此，在進行刀具對刀時（shí），一定要注意刀具（jù）安裝的角度，避免刀尖與（yǔ）車床中心高距離相差太大（dà）。很多國外的專業刀具廠（chǎng）家會配套專用的對刀器（qì）來確定刀具的（de）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（shí），可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵車（chē）削，找到棒料的圓心，並留下一個小圓錐台，將（jiāng）需（xū）要安裝的刀具刀尖調整到（dào）小圓錐台軸線（xiàn）的高（gāo）度上即可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通（tōng）常是通過目測來判斷刀（dāo）尖與（yǔ）車（chē）床主軸回（huí）轉中心是否共線，因此會存在一定誤差。根據經（jīng）驗，刀尖與車床主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以（yǐ）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（luó）紋接頭的加工工（gōng）藝是決定特殊螺紋（wén）接頭質量（liàng）的重要影響因素，不同的吃刀量、車削（xuē）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（gōng）樣品的（de）鋼級、尺寸（cùn）等情況來定。不同的（de）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紋出現的幾率。

特（tè）殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良的偏（piān）梯螺紋，因此，該螺紋（wén）的車削屬於重車削。王瀟（xiāo）屹等對油管外螺紋（wén）進行（háng）了相同吃刀量(0.3mm)、不同車削（xuē）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（huò）過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫（chàn）紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完（wán）好（hǎo）。因此，在進行（háng）特殊螺紋接頭加（jiā）工時，應（yīng）當結合加工樣品的鋼級（jí）、尺寸及結（jié）構情況，摸索出合理的車削速度，以避（bì）免產生顫紋（wén）。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車（chē）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（shēn）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（chéng）時，刀片會承受非常（cháng）大的切削載荷，從而（ér）引起刀片出現輕微顫動或崩（bēng）刀，產生顫紋，影（yǐng）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（shì）樣（yàng）無（wú）法緊壓住刀（dāo）片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太（tài）小也會導（dǎo）致加工效率大幅降低，影響製造廠家的（de）經濟效益。

2 避免顫（chàn）紋產生（shēng）的辦法

選擇合理（lǐ）的車削方式，可以有效改善螺（luó）紋（wén）的表麵質量並提高刀具的（de）使用壽命。圖5為螺紋（wén）車（chē）削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃（rèn）同時（shí）工作，排（pái）屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作（zuò）相對簡單，牙型精度較高，一（yī）般適合於小齒形小螺距的（de）螺紋或脆性材料的（de）螺紋加（jiā）工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削（xuē），排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺（luó）紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切（qiē）削一側的刀刃磨（mó）損大；改（gǎi）進型（xíng）側向進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損大和工件表麵粗糙度大的問題；交互式進刀切削時，兩側刀刃磨損均（jun1）勻，較適用於加工大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可采用（yòng）改進型側向進刀或交互式進刀（dāo）方式，以實現單刀刃或雙刀刃切（qiē）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

顫紋是特殊螺紋接（jiē）頭生產加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化（huà），因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加（jiā）工樣（yàng）品（pǐn）以及刀（dāo）具本身的剛性不（bú）足是引起顫紋的主要（yào）因素，應當選擇剛性高的刀具和車床，同時根據加工管體的實際情況，適當設計或增加一些減振（zhèn）防顫的工裝（zhuāng）或（huò）工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝不合理也是引起（qǐ）顫紋的（de）因素之（zhī）一，生產（chǎn）廠家應（yīng）建立相（xiàng）應的試樣裝夾、刀具安裝的（de）管理文件，定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進（jìn）行檢查；

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