​數（shù）控車床加工特殊螺紋接頭產生（shēng）顫紋的原因

特殊螺紋接（jiē）頭（tóu）是針對API螺紋接頭密封性能差、上（shàng）扣（kòu）控製難、接頭應力水平高等不足而專（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（jiē）頭（tóu），其結構設計特點決（jué）定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及（jí）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（liàng）控製要求越來越高。目前，國內（nèi）生產特殊螺紋接頭的廠家（jiā）大部分都采用進（jìn）口高精（jīng）度數控車床，就是為了更好地控製特殊螺紋接頭的產（chǎn）品質量。

顫紋是特（tè）殊螺紋接頭（tóu）加工過程中常見的加工缺陷，直接影響到特殊螺紋接頭的使（shǐ）用性能和產品質量（liàng）。本文（wén）結合特殊螺紋接頭的加工特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng）顫（chàn）紋產生的原因（yīn）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）程中，顫紋常見於螺紋車削（xuē）階段。特殊螺紋加工的螺紋成型（xíng）麵是經過連續加工獲得（dé）的，理論上會保持較好（hǎo）的加工（gōng）表麵光（guāng）潔度，而（ér）不會像（xiàng）普通車削加工那樣受進給量的影響。但（dàn）如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在（zài）加工過程中發生振動，從而在螺紋加（jiā）工表麵產生顫紋。

在剛（gāng）性較差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的（de）產生，可以根據螺紋的設（shè）計長度、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)，以避免管體懸（xuán）出過長、管頭擺動造成加（jiā）工顫紋的產生。此外，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（de）浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低顫（chàn）紋的產生。

特殊螺（luó）紋加（jiā）工時的進給量遠大於普通車（chē）削，因此刀具會承受非（fēi）常大的車削力。為有（yǒu）效（xiào）避免加工過程中產生顫紋，要求在設計時根據加工管體的（de）材料和特殊螺紋接頭的結構設（shè）計特（tè）點，製定合理的刀具（jù）設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應（yīng）注意刀杆直徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控製在（zài）刀杆（gǎn）直徑的（de）1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小（xiǎo）且長的內螺紋時，盡量選擇專（zhuān）業刀（dāo）具（jù）廠家（jiā）生產的專用防（fáng）振刀杆（gǎn）。這些（xiē）刀杆是為了解（jiě）決加工孔小（xiǎo）行程長（zhǎng）的內螺紋專門設（shè）計的，一般（bān）懸出（chū）長度控製在刀（dāo）杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和熱處理工藝（yì）也（yě）很重（chóng）要，合理的刀（dāo）具材（cái）料和熱處理工藝可以有效（xiào）地保證刀具的剛（gāng）性。盡量（liàng）選擇剛性較好、適（shì）合重（chóng）車削（xuē）的數控（kòng）車床。剛（gāng）性好的車床可以更有效地控製特殊螺紋接頭（tóu）加（jiā）工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試（shì）樣的裝夾方式（shì）不合理（lǐ）

除了車床、刀（dāo）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，例如夾持壓力（lì）不合理或夾具卡爪尺寸不合適等（děng）都會造成顫紋。如果夾持壓（yā）力過低（dī），在螺紋加工過程中，試樣會發生位置移（yí）動，導致顫紋產（chǎn）生（shēng）；如果夾持壓力過高，接頭毛（máo）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（yǐ）被車成正圓孔，但鬆（sōng）開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度（dù）超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過盈（yíng）來實現，當橢圓度超差時，會在原本（běn）過盈的地方產生間隙（xì）或更（gèng）大的過（guò）盈量，使（shǐ）特殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣（kòu）。此外，卡爪尺寸不（bú）合適，不能與加工試樣（yàng）的外表麵完美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩（wěn）定性降低到一定程度時（shí），便會在加工（gōng）過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺（luó）紋的加工是一個（gè）長（zhǎng）期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓（yā）力就是（shì）一個重要的數據經驗積累，主要（yào）根據加（jiā）工樣品的（de）尺寸、鋼級以及車床本身的特點長（zhǎng）期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中的移動，同時把樣品（pǐn）變形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效消（xiāo）除加工顫紋（wén），還（hái）可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合需要加工樣品的（de）尺寸、鋼級並結合車床的特點專門設計。目前，常見的有平麵（miàn）卡（kǎ）爪和圓弧包爪。平麵卡（kǎ）爪的（de）夾持形式為點線（xiàn）接觸，這（zhè）種夾持方式接觸麵積小，可以有效增加卡爪和樣品表麵之間的夾持力，防止（zhǐ）加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品（pǐn）加工後的（de）尺（chǐ）寸或橢圓度超差。圓弧包（bāo）爪夾持方（fāng）式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻（yún），加工後的樣（yàng）品尺寸好，橢圓度佳，但（dàn）加工時相對容易出現異動，產生顫紋。因此，在（zài）加工特殊螺紋接（jiē）頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的（de）工作（zuò）麵應當設計成平（píng）頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以（yǐ）增（zēng）加其（qí）摩擦力。同時，圓弧包爪（zhǎo）的圓（yuán）弧直徑（jìng）應盡量與加工樣（yàng）品外徑相匹配，最好在加工前根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表麵的鏜（táng）車，以避免圓弧直徑相（xiàng）差太（tài）大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包裹角（jiǎo）度的（de）設計，太小可能會導（dǎo）致夾（jiá）持力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉（shè），導致樣品夾持（chí）不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋（wén）的加（jiā）工過（guò）程中，盡量選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（shuǐ）平（píng），這樣（yàng）不僅可以保證樣品的加工尺寸，同時還能有效（xiào）降低加工過（guò）程（chéng）中顫紋的出（chū）現幾率。

(3)刀具加（jiā）工質量差或（huò）安裝不規範

刀片、刀墊本身（shēn）加工質量參差不齊、誤（wù）差大或緊固裝（zhuāng）置設計不合（hé）理以及不規（guī）範（fàn）安裝都（dōu）會導致樣品加工時產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心(車（chē）床中心高)距離相差（chà）較大也是產生顫（chàn）紋的重要原因之一。

刀片、刀（dāo）墊以及相（xiàng）關配件（jiàn）的質量（liàng）情況直接決定了樣（yàng）品的加工質量，質量差的刀片、刀墊（diàn）安裝在刀杆上後，不能很（hěn）好地相互配合，會產生間隙，還有可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，應選擇質量可靠的專業（yè）刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊（jǐn）或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過（guò）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、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理（lǐ），以防止產生（shēng）顫（chàn）紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性也是（shì）影響顫紋出（chū）現的重要（yào）原因之一（yī），應盡量選擇（zé）經（jīng）驗（yàn）豐富的（de）專業刀片、刀墊製造廠家或（huò）使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方（fāng）案，以降（jiàng）低加（jiā）工過程中（zhōng）產生顫紋的可能性。

刀（dāo）杆安裝不規範、刀尖與車床中心高距離相（xiàng）差大，會導致刀具在車削時的刀（dāo）具角度和理想角度偏差太大，刀具（jù）受力不在（zài）最佳狀態，從（cóng）而導致樣品（pǐn）加工過程中產（chǎn）生振動，出現顫紋。因此，在進行刀具（jù）對刀（dāo）時，一定要注意刀具安（ān）裝的角（jiǎo）度，避（bì）免（miǎn）刀（dāo）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專用的對刀（dāo）器來確（què）定刀（dāo）具的安裝角度。國產刀具一般（bān）不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基準刀對拔外皮後實心棒（bàng）料進（jìn）行平端麵車削，找到棒料的（de）圓心（xīn），並留下一個小（xiǎo）圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小（xiǎo）圓錐（zhuī）台軸線的高度上即可最終確（què）定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目測來（lái）判斷刀尖與（yǔ）車床主（zhǔ）軸回轉中心是否共線，因此（cǐ）會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉中心（xīn）的距離相差±0.5mm以內，可以有效（xiào）減少加工（gōng）顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特（tè）殊螺紋接頭的加工工藝（yì）是決定特（tè）殊螺紋接頭質量的重要影（yǐng）響因素，不同的吃刀量、車削速（sù）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要根據加工樣品的鋼級（jí）、尺寸等情況來定（dìng）。不同的鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加（jiā）工方式（shì），才（cái）能有效降低加工顫紋出現的幾率（lǜ）。

特殊螺（luó）紋接頭的螺紋形（xíng）式通常為偏梯螺（luó）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（xiāo）屹等對油（yóu）管外螺紋進行了相（xiàng）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（fā）現：當進給速度（dù）過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表（biǎo）麵都會產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時（shí），螺紋表麵完好。因此，在進行（háng）特殊（shū）螺紋接頭加工時，應當（dāng）結合加工（gōng）樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸（mō）索出合理的車削速（sù）度，以避免（miǎn）產生顫紋。另（lìng）外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋（wén）車削過程（chéng）中顫紋的產生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻（zǔ）力大（dà）。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完（wán）成時，刀片會承（chéng）受非常大（dà）的切削載荷，從（cóng）而引起刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫（chàn）紋，影響螺紋的表麵質量（liàng）。吃刀量過（guò）小、轉速較高時，刀具以一（yī）定進（jìn）給速度前進（jìn），被車削的（de）試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中（zhōng）產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導（dǎo）致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟（jì）效益。

2 避免（miǎn）顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方式，可以有效改善螺紋的表麵質量並（bìng）提高刀（dāo）具的使用壽命。圖5為螺紋車（chē）削常見進刀（dāo）方式示意（yì）圖。徑向進刀的特點為各刀刃（rèn）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（jīng）度較高，一般適合於小齒形小螺距的（de）螺紋（wén）或（huò）脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢，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（dù）較大，易出現顫紋，而且不參與切削一側（cè）的刀刃磨損大；改進型側向進（jìn）刀則可避免斜（xié）向（xiàng）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（jiào）適用於加工大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車（chē）削，可采用改進型側向進刀或交互式進刀方式（shì），以實現單刀刃（rèn）或雙刀刃切削，避免3個刀刃（rèn）同時工作，減小振動出現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加工（gōng）過程中普遍存在的現象，不僅影（yǐng）響特殊螺紋接（jiē）頭的表麵質（zhì）量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因（yīn）此，加工過程中應避免（miǎn）顫（chàn）紋的產生。

(1)車床、加工樣品以及刀具本身的剛性（xìng）不足是引起顫紋的主（zhǔ）要因素，應當（dāng）選擇（zé）剛性高的（de）刀（dāo）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（jiǎn）振防顫的工裝（zhuāng）或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝不合理也是引起顫紋的因素之一，生（shēng）產（chǎn）廠家（jiā）應建立相應的試樣裝夾、刀（dāo）具安裝的（de）管理文件，定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；

(3)根據加工樣品（pǐn）的鋼級、尺（chǐ）寸（cùn）等（děng）情況，製定（dìng）合（hé）理（lǐ）的加工工藝參數及（jí）加工（gōng）方式，有效控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產生。