​數控車床加工特殊螺紋接頭產生（shēng）顫紋的（de）原因及對（duì）策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭（tóu）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有可（kě）靠連接強度和良好密封性（xìng）能的專用油套管接頭，其結（jié）構設計特（tè）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（duàn）提高，深井、超深井、熱采井以及高（gāo）溫（wēn）高（gāo）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（mù）前，國內生產（chǎn）特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車床，就是為了更（gèng）好地控製（zhì）特殊螺紋接頭的（de）產品（pǐn）質量（liàng）。

顫紋是特殊螺紋接頭加工過程中（zhōng）常見（jiàn）的加（jiā）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。本文結合特殊螺紋（wén）接頭的（de）加工特（tè）點，總結了（le）特殊螺紋接頭加工過程中顫（chàn）紋產生的（de）原因及對（duì）策，為特殊（shū）螺紋接頭（tóu）的生產質量控（kòng）製提供了一定參（cān）考。

1 顫紋產生（shēng）的（de）原因

(1)加工試（shì）樣、刀具或（huò）車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工（gōng）過程中，顫紋常見於螺紋車削（xuē）階段。特殊螺紋（wén）加工（gōng）的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理論上（shàng）會保持（chí）較好（hǎo）的加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那（nà）樣受進給量的影響。但如果加（jiā）工剛性較差的薄（báo）壁管或者刀具、車床剛性不足（zú），就會在加工過程中發生振動，從而在螺紋（wén）加工表麵產（chǎn）生顫紋。

在（zài）剛性較差的薄壁管（guǎn）體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生（shēng），可以根（gēn）據螺紋的（de）設計長度、車床的加工特點和刀具裝夾（jiá）方式，確定合（hé）理的（de）管體懸出長度(見圖1)，以避免管（guǎn）體懸（xuán）出過長（zhǎng）、管頭擺動造成加工顫紋的產生。此（cǐ）外，在進行外螺紋加工時，可根據管體（tǐ）幾何尺寸，設計管體內（nèi）支撐和輥道上的浮（fú）動支撐輥(見圖2)，這樣可以更（gèng）有效地降（jiàng）低顫紋的產生。

特（tè）殊（shū）螺紋加工時的進給量（liàng）遠大於普通車削，因此刀具會承受非常大的車削（xuē）力。為有效避免加工過（guò）程中產生顫紋，要求在設計時根據加工管體的材料和特殊螺（luó）紋接頭的結構設計特點（diǎn），製（zhì）定合理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋刀杆（gǎn）時，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（zhí）徑的1.5-2倍為（wéi）宜，如果需要加工內孔小（xiǎo）且長的內螺紋時，盡（jìn）量選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆（gǎn）是為了解決加工孔小行程長的內螺（luó）紋專門（mén）設計的，一般懸（xuán）出長度控製在刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當的（de）刀具材料和熱處理工藝（yì）也很重要，合理的刀具材料和（hé）熱處理工藝可以有效地保證刀具（jù）的剛性。盡（jìn）量（liàng）選擇剛性較（jiào）好、適合重車削的數控車床。剛性（xìng）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（shì）樣的裝夾方式不合理

除（chú）了車床、刀具以及管體本身的剛性不足，加工（gōng）試樣的裝夾方式也是導致顫紋出（chū）現的主要原因，例如（rú）夾持壓（yā）力不合理或夾具（jù）卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋（wén）。如果夾持壓力（lì）過低，在螺紋加工過（guò）程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋（wén）產（chǎn）生；如果夾持壓力過（guò）高，接頭毛坯在（zài）夾（jiá）緊時有較大（dà）的不均勻彈（dàn）性變形，盡管切削時接頭（tóu）內壁可以被（bèi）車（chē）成正（zhèng）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（guò）盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的（de）地方產生間（jiān）隙或更大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄（xiè）漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工試樣的外表麵完（wán）美貼合，勢必會影響（xiǎng）夾持的穩定性。當夾持穩定性降（jiàng）低到一定程度時，便會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的加工（gōng）是一（yī）個長期總（zǒng）結經驗的過程（chéng），其加工時的夾持壓力就是一（yī）個重要（yào）的數據經驗積累，主要根據（jù）加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點（diǎn）長期（qī）摸索總結而來（lái）。合理的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中的移動，同時（shí）把樣品變（biàn）形（xíng）控製在彈性（xìng）範圍（wéi）內，這樣既可以有效消除加工（gōng）顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的（de）設計也要結（jié）合需要加工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點專門設計。目前，常見的有平（píng）麵（miàn）卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形式為點線接觸，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（miàn）之間的夾持力（lì），防止加工樣品的移動，但會導致（zhì）樣品受力不均，使樣品（pǐn）加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點（diǎn）是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後（hòu）的樣品（pǐn）尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易（yì）出現異動，產（chǎn）生顫紋。因此，在加工（gōng）特（tè）殊螺紋接頭時（shí），應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣（yàng）品接觸（chù）的工作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪（zhǎo）的圓弧直徑應盡量與（yǔ）加工樣品外徑相（xiàng）匹配，最好在加工前根（gēn）據加工（gōng）樣品的外（wài）徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表麵的鏜（táng）車，以避免圓弧直徑相差太大而在加（jiā）工中發生樣品（pǐn）移動、產（chǎn）生顫紋。還需注意包（bāo）裹角度的設計，太小（xiǎo）可能會導致夾持力（lì）不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹（gàn）涉，導致樣品（pǐn）夾持不緊，產生（shēng）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（guǒ）角（jiǎo）度應達到整個樣品圓周的（de）中上水平，這樣不僅可以保證（zhèng）樣品的加工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫（chàn）紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝（zhuāng）不規範

刀片、刀墊本身加工質（zhì）量參差不齊、誤（wù）差大或緊固裝（zhuāng）置設計不合理以及不（bú）規範安裝都會導致樣品加工時產生顫紋。同時（shí），刀杆安（ān）裝時，刀尖與（yǔ）車床主軸回轉中（zhōng）心（xīn）(車床中心（xīn）高)距離（lí）相差較大也是產生顫紋的重要原（yuán）因之（zhī）一。

刀片、刀墊以及相（xiàng）關配件的質量情況直（zhí）接（jiē）決定了樣品的加工質量，質量差的（de）刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好（hǎo）地相互配（pèi）合，會產生間隙，還有可能存（cún）在加工（gōng）尺寸與設計方案（àn）有出入以及刀具鈍化，這（zhè）些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺（luó）紋（wén）接頭加工時，應（yīng）選（xuǎn）擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝（zhuāng）夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會（huì）導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規（guī）範進行安裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片（piàn）、刀墊（diàn）是否鬆動或是（shì）夾入鐵屑（xiè），如有隱（yǐn）患應及時（shí）處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理（lǐ）性也是影響顫紋出現（xiàn）的重要原因之一，應（yīng）盡量（liàng）選擇經（jīng）驗豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或使用較為成（chéng）熟的刀片、刀墊（diàn）緊固設計方案，以降低加工過（guò）程中產生顫紋的可能性。

刀杆安（ān）裝不規範、刀尖與車床中心高距離相差大，會導致刀具在車削時的刀具角度和理想角度偏（piān）差太大，刀具受力不在最佳狀態，從（cóng）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（dāo）時，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高（gāo）距離相差太大。很多國外的專業刀具廠家會配套專用的（de）對（duì）刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一（yī）般不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可（kě）用基準刀對拔外皮（pí）後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下一個（gè）小圓錐台（tái），將（jiāng）需要安裝（zhuāng）的刀具刀尖調（diào）整（zhěng）到小圓錐台軸線的高度上即可最（zuì）終（zhōng）確定刀具安裝（zhuāng）角度(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖（jiān）與車（chē）床主軸回轉中（zhōng）心是否共線，因此會存（cún）在一（yī）定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉（zhuǎn）中心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加工（gōng）顫紋的（de）產生。

(4)加工參數及方（fāng）式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是決定特（tè）殊螺紋接頭質量的重（chóng）要影響因素，不同的吃（chī）刀（dāo）量、車削速度等都會導致樣品加工質量上的差異（yì）。此外（wài），加工（gōng）方式的選擇也需要根（gēn）據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來（lái）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的幾率。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏（piān）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。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀量(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（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（sù）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，應當結合（hé）加工樣品的鋼級、尺寸及結構（gòu）情（qíng）況，摸索出合理的車削速度，以避（bì）免產生顫紋。另外，合理的（de）吃（chī）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（liàng）太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺（luó）紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸（jiàn）增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大（dà）的（de）切削載（zǎi）荷，從（cóng）而引起刀片出現輕微顫（chàn）動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋（wén）的表麵質量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以一定進給（gěi）速度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導（dǎo）致刀片在車削過程中（zhōng）產生顫（chàn）動，引起顫紋，同時（shí）吃刀量太小也會導致加工效率大幅（fú）降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋（wén）產（chǎn）生的辦法

選擇合理的車削方式（shì），可以有效（xiào）改善螺紋的表（biǎo）麵質量並提高刀具的使用壽（shòu）命。圖5為螺紋車削常見進刀（dāo）方式示意圖。徑向（xiàng）進刀的特點為（wéi）各刀刃（rèn）同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振（zhèn）動、刀（dāo）尖易磨（mó）損（sǔn），但（dàn）操作相對簡單，牙型精度較高，一般適（shì）合於小（xiǎo）齒（chǐ）形小螺距的螺（luó）紋或脆性材料的螺紋（wén）加工；側（cè）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（chī）刀量較大，牙型（xíng）精度（dù）差（chà），螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切削一側的刀刃磨損大；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（de）問題（tí）；交互式進刀切削時（shí），兩側刀刃（rèn）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，可采用改進型側向進刀或交互式進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削，避（bì）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（chàn）紋是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋（wén）接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應避免（miǎn）顫（chàn）紋的產（chǎn）生。

(1)車床、加工（gōng）樣品以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因素，應當選擇（zé）剛性高的刀具和車床，同時根（gēn）據加工管體的實際情況（kuàng），適當（dāng）設計或（huò）增加一些減振（zhèn）防（fáng）顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規範（fàn）、刀具（jù）安裝不合理也是引起顫紋的因素之一，生產廠家應（yīng）建立相應的試樣裝夾、刀（dāo）具安裝的管理文件，定期對樣品裝夾和刀具安裝（zhuāng）情況進行檢查；

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