​數控車床加工特殊螺紋接頭（tóu）產生顫（chàn）紋（wén）的（de）原因

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封（fēng）性能差、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（jiē）強度和良好密（mì）封性能的專（zhuān）用（yòng）油套管接頭，其結構設計（jì）特點決定了它良好（hǎo）的（de）使用性能和加工精度。隨（suí）著（zhe）我國石油勘探（tàn）水平不斷（duàn）提高，深井、超（chāo）深井、熱采井以及高溫高壓氣井（jǐng）的數量逐（zhú）年增加，對特殊螺紋接頭的性（xìng）能（néng）及質量控製要求越來越高。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，就是為了更好地控製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫（chàn）紋是特殊螺紋接頭加（jiā）工過程中常見的加（jiā）工缺陷，直（zhí）接影響到特殊螺紋接頭的使用性能（néng）和（hé）產品（pǐn）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（guò）程中（zhōng）顫紋產（chǎn）生的原因及對策，為（wéi）特殊（shū）螺紋（wén）接頭的生產質量控製提供了一定參考。

1 顫（chàn）紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺（luó）紋加工的螺紋成型麵是經（jīng）過連續加工獲得的，理論上會保持較好的（de）加工（gōng）表麵光潔度，而不會像普通車削加（jiā）工那樣受進給量的影響。但如果（guǒ）加工剛（gāng）性較差的薄壁管或者刀（dāo）具（jù）、車（chē）床（chuáng）剛性不足，就會在加（jiā）工過程（chéng）中發生振動（dòng），從而在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄壁（bì）管（guǎn）體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可（kě）以根據（jù）螺紋的設計長度、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（gēn）據管體幾（jǐ）何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動（dòng）支（zhī）撐輥(見圖2)，這樣可（kě）以更（gèng）有效地降（jiàng）低顫（chàn）紋的產生。

特（tè）殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因此刀具會承受非常大的車削（xuē）力。為有效避免加工（gōng）過程中產生（shēng）顫紋，要求在（zài）設計時根據（jù）加工管體的材料（liào）和特（tè）殊螺紋接頭的結構（gòu）設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設（shè）計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸（xuán）出長度的關係。一般懸出長度控製在刀杆直徑的（de）1.5-2倍（bèi）為宜，如果需（xū）要加工內孔小且長的內螺（luó）紋時，盡量選擇專業刀具（jù）廠家（jiā）生產的專（zhuān）用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工孔小行程（chéng）長（zhǎng）的內螺紋專門設計的，一般懸出（chū）長度控（kòng）製在刀杆直徑的3-4倍（bèi）。另外，選擇適當的刀具材料和熱處理（lǐ）工藝也很重（chóng）要，合（hé）理的刀具（jù）材料和（hé）熱處理工藝可以有效地（dì）保證（zhèng）刀具的剛性。盡（jìn）量選擇剛性較好、適合重（chóng）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)加工試樣的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及管體本身的（de）剛性不足（zú），加工試樣（yàng）的裝夾（jiá）方（fāng）式也是導致顫紋出現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸（cùn）不合適等都會造成顫（chàn）紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋（wén）產（chǎn）生；如果夾持壓力（lì）過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開（kāi）後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超（chāo）差。特（tè）殊螺紋接頭（tóu）的（de）密封性能主（zhǔ）要靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地方產（chǎn）生間隙或（huò）更大（dà）的過（guò）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美貼合，勢必會（huì）影響夾持的穩定性。當（dāng）夾持穩定（dìng）性降低（dī）到（dào）一定程度時，便會在加工過程出（chū）現樣品（pǐn）移動，產（chǎn）生顫紋。

油（yóu）套管螺紋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（yào）的（de）數據經（jīng）驗積累，主要根據加（jiā）工樣品的尺寸（cùn）、鋼級以及（jí）車床本身（shēn）的（de）特點長期摸索總結而（ér）來。合理的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中的移（yí）動（dòng），同時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效消除加工顫紋，還（hái）可以保證特殊（shū）螺紋的橢圓度。

同（tóng）樣，卡爪的（de）設計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級並結（jié）合（hé）車床的特（tè）點專門設計。目前，常見（jiàn）的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形（xíng）式（shì）為點線接觸，這種夾持方式接觸麵積小（xiǎo），可以有效增加卡爪（zhǎo）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（shòu）力不均，使樣品加（jiā）工後的尺寸或（huò）橢圓度超（chāo）差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣（yàng）品在加工時接觸麵積（jī）大，受（shòu）力均勻，加工後的（de）樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易（yì）出現異動，產生顫紋。因此（cǐ），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（de）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（qí）摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工（gōng）樣品外徑相匹配，最好在加工前根據加工（gōng）樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的（de）工作表麵的鏜車，以避免圓弧直徑相差太大而在加工中發生樣品（pǐn）移動、產生顫紋。還需注意包（bāo）裹角度的設計，太小可能會導致夾（jiá）持力不足（zú），太大則會造成裝夾過程中卡爪之間（jiān）的相互幹涉，導致樣品夾持（chí）不緊，產生顫紋。因此，在特（tè）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圓周的中上水平，這樣不僅可以保（bǎo）證樣品的加工尺寸（cùn），同時還能有（yǒu）效降低加工（gōng）過程中（zhōng）顫（chàn）紋的出現（xiàn）幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參（cān）差（chà）不齊、誤差（chà）大或緊固（gù）裝置設計不合理以及不（bú）規範安裝都會導致樣（yàng）品加工時（shí）產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖與車床（chuáng）主軸回轉中心(車（chē）床中（zhōng）心高（gāo）)距離相（xiàng）差較大也是產生顫紋的重（chóng）要原因之一。

刀片、刀墊以及相關（guān）配件（jiàn）的質量情況直接決（jué）定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在（zài）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（jí）刀具鈍化，這些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工（gōng）時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不（bú）規範、裝夾（jiá）不緊或是在車（chē）削過程（chéng）中夾入鐵屑，都會導致加工過程中（zhōng）顫紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀墊時（shí），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（yīng）及時處理，以防（fáng）止產生顫紋。刀片（piàn）、刀墊緊固方式的設計合理性也是（shì）影響顫紋出現的重要原（yuán）因之一，應盡量選擇經驗（yàn）豐富的專（zhuān）業刀（dāo）片、刀（dāo）墊製造廠（chǎng）家或使用較為成熟的刀片、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。

刀杆安裝（zhuāng）不規範、刀尖與車床中心高（gāo）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差太大，刀具受力不（bú）在最佳狀態（tài），從而導（dǎo）致樣品加工過程中產生振動，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），避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外的專業刀具（jù）廠家會（huì）配套專用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一（yī）般不配（pèi）套對刀（dāo）器，在確定刀具安裝角度（dù）時，可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並留（liú）下一個小圓錐台，將需要安裝（zhuāng）的刀具刀尖調整到小圓錐台軸（zhóu）線（xiàn）的高度上即可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通（tōng）過目測來判斷（duàn）刀尖與車床（chuáng）主軸回轉中心是否共（gòng）線，因此會存在一定（dìng）誤差。根（gēn）據（jù）經驗，刀尖與車床主（zhǔ）軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫紋的（de）產（chǎn）生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是決定（dìng）特殊螺紋接頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量、車（chē）削速度等都會導致樣品加工質量上的差異。此外，加工方式（shì）的選擇也需要根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同的加工工（gōng）藝及加工方式，才能有效降低（dī）加工顫紋出（chū）現的幾率（lǜ）。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為（wéi）偏梯（tī）螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車（chē）削。王瀟屹等對油管外螺紋（wén）進行了相同吃刀（dāo）量(0.3mm)、不（bú）同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當進給（gěi）速度過（guò）快（kuài）(120m/min)或過（guò）慢(60m/min)時，在螺紋表（biǎo）麵都會（huì）產生顫紋；而在中間速度(80m/min和（hé）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），應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理的車削速度，以避免產生顫紋。另外，合理的吃（chī）刀量分配也可大幅降低螺紋車（chē）削過程中顫紋的產（chǎn）生幾（jǐ）率。吃（chī）刀（dāo）量太（tài）大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加（jiā），刀片（piàn）與（yǔ）樣品的接觸麵（miàn）積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會（huì）承受非常大的（de）切（qiē）削載荷，從而引起刀片出現輕微顫動（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，被車削的試樣無法緊（jǐn）壓住刀（dāo）片，導致（zhì）刀片在車（chē）削過程中（zhōng）產（chǎn）生顫動，引起顫（chàn）紋，同時吃刀量太（tài）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

選擇合理的車（chē）削方式，可（kě）以（yǐ）有（yǒu）效（xiào）改善螺紋（wén）的表（biǎo）麵質量並提高刀具的使用壽命（mìng）。圖5為螺紋車（chē）削常見進刀方式示意圖。徑向進刀（dāo）的特點為（wéi）各刀刃（rèn）同時工作，排屑困難，切削力較（jiào）大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單（dān），牙型精度較高，一般（bān）適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性（xìng）材（cái）料的螺（luó）紋加工；側向進刀的特點是（shì）不易紮刀，單刃切削，排（pái）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（dāo）刀刃磨損（sǔn）大和工件表麵粗糙度大（dà）的問題；交互式（shì）進刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工（gōng）大螺距螺紋。因此，對於特（tè）殊螺紋的車（chē）削，可采用改進型側向進刀或（huò）交互式（shì）進刀方式，以（yǐ）實現單刀刃或雙刀刃切削，避免3個（gè）刀刃同時（shí）工作，減小振（zhèn）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（shēng）產加工過程中普遍（biàn）存（cún）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（xìng）能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產（chǎn）生。

(1)車床、加工樣品以及（jí）刀具（jù）本身的剛性不足是引起顫紋的主要因素，應當選擇剛性高的刀具（jù）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（de）工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝不合理（lǐ）也是引起顫紋的因素之一，生（shēng）產廠家應建立相（xiàng）應的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對（duì）樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢（jiǎn）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產生。