​數控車（chē）床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對策

特（tè）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）應力水平高等不足而專門設計的具（jù）有可靠連接強度和（hé）良好密封性能的專用油套（tào）管接頭，其結構設計特點決定了（le）它良好的使用性能和加工（gōng）精度。隨（suí）著我（wǒ）國（guó）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加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來越高。目前（qián），國內生（shēng）產特殊螺紋接頭（tóu）的廠家大部分都采（cǎi）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（tóu）的產品質量。

顫紋是特殊螺紋接（jiē）頭加工過程中常見的加工缺陷，直（zhí）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頭的加工特點，總結了特殊（shū）螺紋接頭（tóu）加工過程中顫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參考。

1 顫紋產生（shēng）的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本（běn）身剛性不足

特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中，顫紋常見（jiàn）於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋（wén）成型麵是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車（chē）削加工那樣受進給量的影響。但如果加工剛性較差（chà）的薄壁管或者（zhě）刀具、車（chē）床（chuáng）剛性不足，就會在加工（gōng）過程中（zhōng）發生（shēng）振動，從而（ér）在螺紋加（jiā）工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄（báo）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夾方式，確定合理的（de）管體懸出長度(見圖1)，以避免（miǎn）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，可根據管體幾（jǐ）何尺寸，設（shè）計管體內（nèi）支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可（kě）以更有效地降（jiàng）低（dī）顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於（yú）普（pǔ）通車削，因此刀具會承受非（fēi）常大的車削力。為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料和特殊螺紋接頭的結構設計（jì）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（gǎn）直徑和懸出長（zhǎng）度的（de）關係。一般懸出長度（dù）控製在刀杆直（zhí）徑的1.5-2倍為宜，如果需（xū）要加（jiā）工（gōng）內（nèi）孔小（xiǎo）且長的內螺紋（wén）時，盡量選擇（zé）專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆是為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（zài）刀杆（gǎn）直（zhí）徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和熱處（chù）理工藝也（yě）很重要（yào），合理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的（de）剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控（kòng）車床。剛性好的車（chē）床可以更有效（xiào）地控（kòng）製特殊螺紋接頭加工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不（bú）合理

除了車床、刀具以及管體本身的剛性不足，加工（gōng）試樣的裝（zhuāng）夾方式（shì）也是導（dǎo）致顫紋出現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡（kǎ）爪尺寸不（bú）合適等都會造（zào）成顫紋。如果夾持（chí）壓力過低，在螺紋加工（gōng）過程中，試樣會發生位置移動，導致（zhì）顫紋產生；如果夾持壓力（lì）過（guò）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（jiē）頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭（tóu）的密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢（tuǒ）圓（yuán）度超差時，會在原本過盈的地方產生間隙（xì）或更大的過盈量，使特殊（shū）螺紋（wén）接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪（zhǎo）尺寸不合適，不能與（yǔ）加工試樣（yàng）的外表麵完美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度（dù）時（shí），便會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋（wén）的加工是一個長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓力就是一個重要的數據經驗積累（lèi），主要根據加工樣品的尺寸、鋼級（jí）以及車床本身的特點長期摸索總結而來。合理（lǐ）的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中（zhōng）的移動，同時把樣品變形控製在彈性範圍內（nèi），這樣既可以（yǐ）有效消除（chú）加工（gōng）顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合（hé）需要加（jiā）工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點（diǎn）專門設計。目前，常見的有平麵卡爪（zhǎo）和圓弧（hú）包爪。平麵卡爪（zhǎo）的（de）夾持形式為點線接觸，這種夾（jiá）持方式接觸麵積小，可（kě）以有效增（zēng）加（jiā）卡爪（zhǎo）和樣品表麵之間的夾持力，防止加工（gōng）樣品的移動（dòng），但會導致樣（yàng）品（pǐn）受力不（bú）均，使樣品加工後的尺寸或橢圓（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（jī）大，受力均勻，加工後的樣品尺（chǐ）寸好，橢圓度佳，但加工（gōng）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，應盡量（liàng）選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂齒狀或設置（zhì）多（duō）個凹槽(見圖3)，以（yǐ）增加（jiā）其（qí）摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應（yīng）盡量與加工樣品外徑相匹（pǐ）配，最好在加（jiā）工（gōng）前根據加工樣（yàng）品的外徑尺（chǐ）寸，進行圓弧包爪的工作表麵（miàn）的鏜車，以避免圓（yuán）弧直（zhí）徑相差（chà）太大而在加工（gōng）中發生樣品（pǐn）移動、產生顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小（xiǎo）可能（néng）會導致夾（jiá）持（chí）力不足，太大則會造成裝夾過程中卡（kǎ）爪之（zhī）間的相互幹涉，導致樣（yàng）品（pǐn）夾（jiá）持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工（gōng）過程中，盡量選擇與（yǔ）加工樣（yàng）品外徑匹配的大摩擦力圓（yuán）弧包（bāo）爪，包裹角度應（yīng）達到整個（gè）樣品圓周的中上水（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（huò）安裝不規範

刀片、刀墊本（běn）身（shēn）加工（gōng）質（zhì）量參差不齊、誤差大或緊固裝置設計不合理以及不規範安（ān）裝都會（huì）導致（zhì）樣品加工時產生顫紋。同時（shí），刀杆（gǎn）安裝時，刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況直接決定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互配合，會產生間隙，還有可能存在加（jiā）工尺寸（cùn）與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會（huì）導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外（wài），刀片、刀墊安裝不規（guī）範、裝夾不緊或是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，安裝新的刀片、刀（dāo）墊時，應按照操作規範進（jìn）行安裝。在加工過（guò）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（yǒu）隱患應及時處理，以防止（zhǐ）產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合（hé）理性（xìng）也（yě）是（shì）影（yǐng）響顫紋出現的重要原因之一，應盡量選擇經驗豐富的專業（yè）刀片、刀（dāo）墊製造廠家或使用較為成熟（shú）的刀片、刀墊緊固設計方案，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（lí）相差大（dà），會導（dǎo）致刀具在（zài）車削時的刀具角度和理（lǐ）想角度偏差太大，刀（dāo）具受力（lì）不（bú）在最佳狀態，從而（ér）導（dǎo）致樣品加（jiā）工過程中產生振動，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝的角度（dù），避免（miǎn）刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外的專業刀具廠家會配套（tào）專用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般（bān）不配套對刀器，在確定（dìng）刀具安裝（zhuāng）角度時，可用基（jī）準刀對拔外皮後實心棒料進行（háng）平端麵車削，找到棒料的（de）圓心，並留（liú）下一個（gè）小圓錐台，將需要安裝（zhuāng）的刀具刀尖調整到小圓錐（zhuī）台軸線的高度上即可最終確定刀具安裝（zhuāng）角度(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與車床主軸回轉中（zhōng）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的距離相差±0.5mm以內，可（kě）以有效減少加工顫紋的產生。

(4)加工（gōng）參數及方（fāng）式選取不當

特（tè）殊螺紋接頭的加工工藝是（shì）決定特殊螺紋接頭質量的重（chóng）要影響因素，不（bú）同的吃刀量、車削速度等都（dōu）會導致（zhì）樣品加工（gōng）質量上的差異。此外，加（jiā）工方式的選擇也需要根據加（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（de）加工工（gōng）藝及加工方式（shì），才（cái）能有效降低加工顫紋出現的幾率。

特殊（shū）螺紋接頭（tóu）的螺紋形式通常為（wéi）偏梯螺紋或（huò）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：當進給速度過快(120m/min)或過（guò）慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好（hǎo）。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、尺寸及結構情況，摸索出合理的（de）車（chē）削（xuē）速度，以避免（miǎn）產生顫（chàn）紋。另外，合理的吃（chī）刀量分（fèn）配也可大（dà）幅降低螺紋車削過程中（zhōng）顫紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力（lì）大。隨著螺紋深（shēn）度的增加，刀片與樣（yàng）品的接觸麵積逐（zhú）漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大（dà）的切削（xuē）載荷，從而引起刀片出現（xiàn）輕微顫動（dòng）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，被車（chē）削的試樣無（wú）法緊壓住刀片，導致刀片在（zài）車削過程中（zhōng）產生顫動，引起顫紋，同時吃刀（dāo）量太小（xiǎo）也（yě）會導（dǎo）致加工效率大幅降（jiàng）低，影響製造廠家的（de）經濟效益。

2 避免顫紋產（chǎn）生（shēng）的辦法

選（xuǎn）擇合理的車削方式，可以有效（xiào）改善螺紋的表麵質量並提高（gāo）刀具（jù）的使用壽（shòu）命。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意圖（tú）。徑向進刀的特（tè）點為各刀刃同時工作，排（pái）屑困難，切削力較大，容易紮刀（dāo）、振動、刀（dāo）尖易（yì）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距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不（bú）易紮刀，單刃（rèn）切（qiē）削（xuē），排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫（chàn）紋，而且不參與切削一側（cè）的刀（dāo）刃磨損大；改進型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，可采用改進型側向（xiàng）進刀或交互式進刀方式，以實現單刀刃或雙（shuāng）刀刃切削，避免3個刀刃同（tóng）時工作，減小振動出現的機率，避免顫紋的（de）發生。

小（xiǎo）結（jié）

顫紋是特殊（shū）螺紋接頭生產（chǎn）加（jiā）工過程中普遍存在的現象，不僅影響特（tè）殊螺紋接頭的表麵（miàn）質（zhì）量，還會導致特殊螺（luó）紋接（jiē）頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床（chuáng）、加工樣品以及刀具本身的剛性不（bú）足是引起（qǐ）顫紋的主要因素，應當選擇剛性（xìng）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（huò）增加（jiā）一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾（jiá）不規範、刀具安裝不合理也（yě）是引起顫（chàn）紋的（de）因素之（zhī）一，生產（chǎn）廠家應（yīng）建立相應（yīng）的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定（dìng）期對樣品裝（zhuāng）夾（jiá）和刀具安裝情況進行檢查；

(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工方式，有效控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的（de）產生。