數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋（wén）的原因及對策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋（wén）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（shè）計的具有可（kě）靠連接強度和良好密封性能的專用油套管接頭，其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（zēng）加，對特殊（shū）螺紋接頭的性能及質量控製要求（qiú）越來越高。目（mù）前，國內生產特殊螺紋接頭（tóu）的廠家大部分都采用進（jìn）口高精度數控（kòng）車床，就是為了（le）更好地控製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng）常（cháng）見的加工缺（quē）陷，直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，總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產（chǎn）生的原因及對策，為特（tè）殊螺（luó）紋接頭（tóu）的生產質量控製提供了一定參考（kǎo）。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣（yàng）、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng），顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵（miàn）是經過連續加工獲得（dé）的，理論上會保持較好的加工表麵光潔（jié）度，而不會像普通車削加工那樣受進給量的影（yǐng）響。但（dàn）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（huì）在加工過程中發生振動（dòng），從而在螺紋加工表（biǎo）麵產生顫紋。

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（chǎn）生，可以根（gēn）據螺紋的設計長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造（zào）成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺（luó）紋加工時，可根據管（guǎn）體幾（jǐ）何尺寸，設計管體（tǐ）內支撐和輥道（dào）上的浮動（dòng）支撐輥（gǔn）(見圖2)，這樣可以更有（yǒu）效地降低顫紋的（de）產生。

特殊螺紋加工時（shí）的進給量遠大於普通車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避（bì）免（miǎn）加工過程中產生顫紋，要求在（zài）設計時（shí）根據加工管體的材（cái）料和特殊螺紋接頭的結構設計特點，製定合（hé）理的刀具設（shè）計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應（yīng）注（zhù）意刀杆直徑和懸出長度的（de）關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的內（nèi）螺紋時，盡量選擇專（zhuān）業刀具廠（chǎng）家（jiā）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（xuán）出長（zhǎng）度控製在刀杆直徑的3-4倍。另外（wài），選擇適當（dāng）的刀具材料（liào）和熱處理工藝也很重要，合理的刀具材料（liào）和熱處理工藝可以（yǐ）有效地保證刀具的剛性。盡量選（xuǎn）擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛（gāng）性好的車床可以更有效地控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（jiá）方式不合理

除了車床（chuáng）、刀具以及（jí）管體本身（shēn）的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋出（chū）現（xiàn）的（de）主要原因，例如夾（jiá）持壓力不合（hé）理或夾具卡爪尺寸不（bú）合適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加（jiā）工過程中，試樣會發生位（wèi）置移（yí）動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭（tóu）毛坯在夾緊時有較大的不均勻（yún）彈（dàn）性（xìng）變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性（xìng）恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺（luó）紋接頭的密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢（tuǒ）圓度超（chāo）差時，會在原本過盈的地方產生間隙或（huò）更大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適（shì），不能與加工試樣的外表麵完美貼合（hé），勢必（bì）會影響夾持的穩定性。當夾持穩定（dìng）性降低到一定程度時，便會在加（jiā）工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管（guǎn）螺紋的加工是一個長期總結經驗的過程，其（qí）加工時的夾持壓力就（jiù）是一（yī）個重要的數據經驗（yàn）積累，主要根據（jù）加工（gōng）樣品（pǐn）的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期摸（mō）索總結而來。合（hé）理的夾（jiá）持壓力可以消除樣品在加工過（guò）程（chéng）中的移動，同時把樣品變形（xíng）控製在彈（dàn）性範圍內，這樣既可以有效消除加工顫紋，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（jiā）工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點專門設計。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形式為點線接（jiē）觸，這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，防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使（shǐ）樣品加工後的（de）尺寸或橢圓度超（chāo）差。圓弧包爪夾持方式的（de）優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均（jun1）勻，加工後的樣品尺寸好（hǎo），橢圓度佳，但加工時相（xiàng）對容（róng）易（yì）出現異動，產生（shēng）顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增（zēng）加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧（hú）直徑應盡量與（yǔ）加工樣品外徑相匹（pǐ）配，最好（hǎo）在加工前根據加工樣品的外徑尺寸（cùn），進行（háng）圓弧（hú）包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓弧（hú）直徑相差太大而在加工中發生樣（yàng）品移動、產生顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小可能會導致（zhì）夾持力不（bú）足，太大則（zé）會造成裝夾過程中卡爪之間的（de）相互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過程中，盡量選擇與加工（gōng）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（pǐn）圓周的中（zhōng）上水平，這（zhè）樣不僅可以保證樣品（pǐn）的（de）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不規範

刀片（piàn）、刀（dāo）墊本身加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝置設計不合理以及不規範安裝都會導（dǎo）致（zhì）樣品加工時產生顫紋。同時，刀（dāo）杆安裝時，刀（dāo）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（wén）的重（chóng）要原因之一。

刀片、刀（dāo）墊以及相（xiàng）關配件的質量情（qíng）況直接決（jué）定了樣（yàng）品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安（ān）裝（zhuāng）在刀（dāo）杆上後，不能很好（hǎo）地相互配合，會產生間隙，還有可（kě）能存在加工尺寸與設（shè）計方案（àn）有出入以及刀具鈍化，這（zhè）些都（dōu）會導致顫紋（wén）產生。因此，在特（tè）殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾（jiá）不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程（chéng）中顫紋的出現。因（yīn）此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照（zhào）操作規範進行安裝。在加工過程中，也要（yào）定（dìng）期檢查刀片、刀墊（diàn）是（shì）否鬆動（dòng）或（huò）是夾入鐵屑，如有隱患（huàn）應及時處理，以（yǐ）防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性（xìng）也是影響顫紋出現的（de）重要原因之一，應（yīng）盡（jìn）量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製造（zào）廠家或使用較（jiào）為成熟（shú）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（xìng）。

刀杆安裝不規（guī）範、刀（dāo）尖與車床中心高距離相差大，會（huì）導致（zhì）刀具在（zài）車削時的刀具角度和理（lǐ）想角度（dù）偏差太大，刀（dāo）具受力不在最佳狀態，從而導致樣品（pǐn）加工過程中產（chǎn）生振動（dòng），出現顫（chàn）紋。因此（cǐ），在進行刀具對刀時，一定（dìng）要注意刀具安（ān）裝的角度，避免刀尖與車床中心高（gāo）距離相差太大。很多（duō）國外（wài）的專業刀具廠家會配套（tào）專用的對刀器來確定（dìng）刀具的安裝角度（dù）。國產刀具一般不配套對刀器，在（zài）確定刀具安（ān）裝角度時，可用基準刀對拔外（wài）皮後實心（xīn）棒料進行平端（duān）麵車削，找到棒料（liào）的（de）圓（yuán）心，並（bìng）留下一個小圓（yuán）錐台，將需要安裝的刀具刀（dāo）尖調整到小圓錐台軸線的高度上即（jí）可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與車床主軸回轉（zhuǎn）中心是否共線，因（yīn）此會存在一定（dìng）誤差。根據經驗，刀（dāo）尖與車床主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加工（gōng）顫（chàn）紋的產生（shēng）。

(4)加（jiā）工參（cān）數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是決定特殊螺紋接頭質（zhì）量的重（chóng）要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等都會導致（zhì）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樣品的鋼級（jí）、尺寸（cùn）等情況來定。不同的鋼級（jí）、尺寸對應（yīng）不同的加工工（gōng）藝及加工方式，才能有效降低加工顫（chàn）紋（wén）出現的幾（jǐ）率。

特（tè）殊螺（luó）紋接頭的（de）螺紋形式通常為偏（piān）梯螺（luó）紋或改良的偏梯螺紋，因此（cǐ），該螺（luó）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刀量(0.3mm)、不同車削（xuē）速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研（yán）究發現：當進（jìn）給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在（zài）螺紋表麵都會（huì）產（chǎn）生顫紋；而在中間速度（dù）(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（shí），應當結合加工樣品（pǐn）的鋼（gāng）級、尺寸及結構情（qíng）況，摸索（suǒ）出（chū）合理的車削速度，以避免（miǎn）產生顫紋。另外，合理（lǐ）的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車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（lì）大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品（pǐn）的接觸麵積逐漸（jiàn）增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受（shòu）非常大的切削載荷，從而引起刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋（wén），影響螺（luó）紋的表麵質量。吃刀量過（guò）小、轉速較高時，刀具以一定進給速度前進，被車削（xuē）的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時（shí）吃刀量太小也（yě）會導致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合（hé）理的車削方式，可以有（yǒu）效改善螺紋的表（biǎo）麵質量並提高刀具（jù）的使用壽命。圖5為螺紋車削常見進刀方式示（shì）意圖。徑向進刀的特點為（wéi）各刀（dāo）刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但（dàn）操（cāo）作（zuò）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（yá）型精度差，螺紋表麵粗糙度較大（dà），易出現顫紋，而且不參與切削一側的刀刃磨損大；改進型側（cè）向進刀（dāo）則可避免斜向進（jìn）刀刀刃磨（mó）損大和工（gōng）件表麵粗糙度大的問題；交互式進刀切削時（shí），兩側刀刃磨（mó）損均勻，較適（shì）用於加工（gōng）大螺距螺紋。因此（cǐ），對於特殊螺紋的車削（xuē），可采用改（gǎi）進（jìn）型側向進刀或交互（hù）式進刀方式，以實現單刀刃（rèn）或雙刀刃切削，避免3個刀刃同時（shí）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（chǎn）加工過程中普遍存（cún）在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表麵（miàn）質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此（cǐ），加工過程中應避免顫紋（wén）的產生。

(1)車床、加工樣（yàng）品（pǐn）以及刀具本身（shēn）的剛性（xìng）不足是引起顫紋的主要因素，應當選（xuǎn）擇剛性高的刀具和車床，同時根據加工管體的實際情況，適（shì）當設計或增（zēng）加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試（shì）樣裝（zhuāng）夾不（bú）規（guī）範、刀具安裝不合理也是引起顫紋的因素之一，生產廠家應建立相應（yīng）的（de）試樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣品裝夾和刀（dāo）具安裝情況（kuàng）進行檢查；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合理（lǐ）的加工工藝參（cān）數（shù）及加工方式，有效控製特（tè）殊螺紋接頭加工過程中顫紋（wén）的產生。