​數控（kòng）車床加（jiā）工特殊（shū）螺紋接頭產生顫紋的原因及對策（cè）

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控製難（nán）、接（jiē）頭應力水（shuǐ）平高等不足而專門設計的具有可靠連接強度和（hé）良好密封性能的專用油套管接頭，其（qí）結構設（shè）計特點決（jué）定了它良（liáng）好的使用（yòng）性能（néng）和加工精度。隨著我國石（shí）油勘（kān）探水平不斷提高，深井、超深井、熱采井以（yǐ）及高溫（wēn）高壓氣井的數量逐（zhú）年增加，對特殊（shū）螺紋接頭的性能及質量控製要求越來越高。目前，國內生產特殊螺紋接頭（tóu）的廠家大部分都采用（yòng）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。

顫紋是特殊螺紋接（jiē）頭加工過程中常見的加（jiā）工（gōng）缺陷，直接影（yǐng）響到特殊螺紋接頭的使用性能（néng）和產品質量。本文（wén）結合（hé）特殊螺紋接頭的加工（gōng）特點（diǎn），總結了特（tè）殊螺紋接頭加工過程（chéng）中顫紋產生的原（yuán）因及對策（cè），為特殊螺紋接頭（tóu）的生產質量控製提供了一定參考。

1 顫紋（wén）產（chǎn）生的原因（yīn）

(1)加工試樣、刀具或（huò）車床本身剛性不足

特殊螺紋（wén）接頭加（jiā）工過程中，顫（chàn）紋（wén）常見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺（luó）紋成型麵是經（jīng）過連續加工（gōng）獲得的（de），理論上會（huì）保持較好的加工表麵光潔（jié）度，而不會（huì）像（xiàng）普通車削加工那樣受（shòu）進給量的影響。但如（rú）果加工剛性較差的（de）薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工過（guò）程中發生振動，從而在螺紋加工表麵產生顫紋（wén）。

在剛性較差的薄壁管體上（shàng）進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的（de）產（chǎn）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（tǐ）懸出長度（dù）(見圖1)，以避免管體懸出（chū）過長、管頭擺動造成加工顫紋（wén）的產生（shēng）。此外，在進行外螺紋加工（gōng）時，可根據（jù）管體幾（jǐ）何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更（gèng）有效地降低顫（chàn）紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通（tōng）車削，因此刀（dāo）具會承受非常大的車削力。為有效（xiào）避免加工過（guò）程（chéng）中產（chǎn）生（shēng）顫紋，要求在設計時根據加工管體的材料和特殊螺（luó）紋接（jiē）頭的結構設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長（zhǎng）度的關係。一般懸出長（zhǎng）度控製在刀杆直徑（jìng）的1.5-2倍為宜，如果需要加工（gōng）內（nèi）孔小且長的內螺（luó）紋時，盡量（liàng）選（xuǎn）擇專業刀具廠家生產的專用（yòng）防振（zhèn）刀杆。這些（xiē）刀杆是為了（le）解決加工孔小行程長的內（nèi）螺紋專門設計的，一般懸出長度（dù）控製在刀杆直徑的（de）3-4倍。另（lìng）外，選擇（zé）適當的刀具材料和熱處理工藝（yì）也很重要，合理的刀具材料和熱（rè）處理工（gōng）藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數（shù）控車床。剛性好的車床（chuáng）可以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質量（liàng），防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的（de）裝夾方式不合理

除了車（chē）床、刀具以（yǐ）及（jí）管體本身的剛性不足，加工試樣的裝（zhuāng）夾方式也（yě）是導致顫（chàn）紋出現（xiàn）的主（zhǔ）要原因，例如夾持壓力不合理或夾（jiá）具卡爪（zhǎo）尺寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓（yā）力過低（dī），在螺紋加工（gōng）過程中，試樣會發生位置移（yí）動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊（jǐn）時有（yǒu）較大的不均勻彈性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車（chē）成正（zhèng）圓孔（kǒng），但鬆開後，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（yào）靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差（chà）時，會在原本過（guò）盈的地方（fāng）產（chǎn）生間隙或更大的過盈量，使（shǐ）特殊（shū）螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工（gōng）試樣的外表麵完美貼（tiē）合，勢必會影響夾持（chí）的穩定（dìng）性。當（dāng）夾（jiá）持穩（wěn）定性降低到一定程度時，便會在加工過程出現樣品移動（dòng），產生顫紋。

油套管螺紋的加工（gōng）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（jù）經驗積累，主要根（gēn）據加工（gōng）樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期（qī）摸（mō）索總結而來。合理的夾持壓力可以消除（chú）樣品在加工過程中的移動，同時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣既可（kě）以有效消除加工顫紋，還可以保證（zhèng）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尺（chǐ）寸、鋼級（jí）並結（jié）合車床的特點專門（mén）設計。目前，常見的有平麵（miàn）卡爪（zhǎo）和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持（chí）形式為點線接觸，這種夾持方式接（jiē）觸麵積小（xiǎo），可以有效增加卡爪和樣品表麵之間的夾持（chí）力，防止加工樣（yàng）品的（de）移動，但會導（dǎo）致樣品受力不均，使樣（yàng）品加工後的尺（chǐ）寸或橢圓（yuán）度超差。圓弧包爪夾（jiá）持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但（dàn）加工時相對容易出現異動，產（chǎn）生（shēng）顫紋。因此，在加工特（tè）殊螺紋接頭（tóu）時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當（dāng）設計成平頂齒狀或設置多個（gè）凹槽(見圖3)，以（yǐ）增加其摩擦力。同時，圓弧包（bāo）爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品（pǐn）外徑相匹配（pèi），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車，以避免圓（yuán）弧直徑相（xiàng）差太大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包（bāo）裹角度的設計，太小可能會導致（zhì）夾持力不足，太（tài）大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互（hù）幹涉，導致樣品夾持不（bú）緊，產（chǎn）生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工（gōng）過程中，盡量選擇與（yǔ）加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹（guǒ）角度（dù）應達到（dào）整個（gè）樣品圓周的中上水平，這樣不僅可以保證樣品的加工尺（chǐ）寸，同時（shí）還能有效降低加工過程中顫紋的出（chū）現（xiàn）幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀（dāo）墊本（běn）身加工質量參差不（bú）齊、誤差大或緊固裝置設（shè）計不合理以及不規範（fàn）安裝都會導致樣品加（jiā）工（gōng）時產生顫紋。同時，刀杆安裝時，刀尖（jiān）與車床主（zhǔ）軸回轉中（zhōng）心(車床中心高)距離（lí）相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及（jí）相關配件的質量情況直（zhí）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（bú）能很好地相互配合，會產生間隙，還有可能存在加工尺寸與（yǔ）設計方案有（yǒu）出入以及刀（dāo）具（jù）鈍化，這些都會導致顫（chàn）紋產（chǎn）生。因此（cǐ），在特殊螺紋接頭加工時，應選（xuǎn）擇（zé）質量可靠的（de）專業（yè）刀具。此外，刀片（piàn）、刀（dāo）墊安裝不規範、裝夾不緊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（cǐ），安裝新的刀片、刀墊時，應按照（zhào）操作規範進（jìn）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，以防止產生顫紋。刀片、刀（dāo）墊緊固方式的設計合理性也是影響顫紋出現的重要原因之一，應盡量選擇經驗豐富的專業刀片（piàn）、刀墊製造廠家或使用較為（wéi）成熟的刀片、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（dāo）杆安裝不規範、刀尖與（yǔ）車（chē）床中心高距離相差大，會導致刀具在車削時的刀具角度和（hé）理想角度偏差太大，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。因此，在進行刀具對（duì）刀時，一（yī）定要注意（yì）刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外的專業（yè）刀具廠家會配套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（qì），在確定刀具安裝角度（dù）時，可用基（jī）準刀（dāo）對拔（bá）外皮後（hòu）實心棒料進（jìn）行平端麵車削，找到（dào）棒料的圓心，並留下一個小圓錐台，將（jiāng）需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台（tái）軸線的高度上即可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是（shì）通過目測來判斷刀尖與車床主軸回轉中心是否共線，因此會（huì）存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車（chē）床主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產生。

(4)加工參數及方式選取（qǔ）不當

特殊螺紋接頭的（de）加工工藝是決定（dìng）特殊螺紋接頭質（zhì）量的重要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等都會導致樣（yàng）品加（jiā）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、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（cái）能有效降低加工顫（chàn）紋出現的幾率。

特（tè）殊螺紋接頭的螺紋形（xíng）式通常為偏梯螺紋或（huò）改（gǎi）良的偏梯螺紋（wén），因此，該螺紋的車削屬（shǔ）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（jìn）給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫（chàn）紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在進行特殊螺（luó）紋（wén）接頭（tóu）加（jiā）工（gōng）時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理的車削速度（dù），以（yǐ）避免（miǎn）產生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋（wén）的產生幾率。吃（chī）刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋（wén）深度（dù）的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大的切（qiē）削載荷，從而引起（qǐ）刀片出（chū）現輕（qīng）微顫動或崩刀，產生（shēng）顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉（zhuǎn）速較高時，刀具以一定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削（xuē）過程中產（chǎn）生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導致加工效率大幅降（jiàng）低（dī），影響製造廠家的經濟效益（yì）。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方式，可以有效（xiào）改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車削常見（jiàn）進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為（wéi）各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮（zhā）刀（dāo）、振動、刀尖易磨損（sǔn），但操作（zuò）相對簡單，牙型精度較高，一般適合於（yú）小齒形小螺距的螺紋或脆性材（cái）料的（de）螺紋加工；側向進（jìn）刀的特點是不易紮刀，單刃切削（xuē），排鐵屑順暢，切（qiē）削力較小，但（dàn）背（bèi）吃刀（dāo）量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙（cāo）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（bì）免斜（xié）向進刀刀（dāo）刃磨損大和工件表麵粗糙度大的問題；交互式進刀（dāo）切削時，兩側（cè）刀刃磨損均（jun1）勻，較適用於加工大螺距（jù）螺紋。因此，對於特殊螺紋（wén）的車（chē）削，可（kě）采用改進型側向進刀或（huò）交互（hù）式進刀（dāo）方（fāng）式，以實現單刀刃或雙刀刃切（qiē）削，避（bì）免3個刀刃同時工作，減小振動出現的（de）機率，避免顫紋的發生（shēng）。

小結（jié）

顫紋是特（tè）殊螺紋接頭生產加工（gōng）過程中普遍存在的現象，不僅影響（xiǎng）特殊（shū）螺紋接頭的表（biǎo）麵質量（liàng），還會導致特殊（shū）螺紋接頭的各（gè）項（xiàng）性能（néng）惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加（jiā）工樣（yàng）品以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因素，應當（dāng）選擇剛性高（gāo）的刀具和車床，同時根據加工管體的實際情況，適當設計或增加一（yī）些減振防顫（chàn）的工裝或工藝；

(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（yī），生產廠家（jiā）應（yīng）建立相應的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣品裝夾和刀具安裝情況（kuàng）進行檢查（chá）；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合理的（de）加工工藝（yì）參數及加工方式，有效控製特殊螺紋接（jiē）頭（tóu）加工過程中顫紋（wén）的產生。