​數控車床加工（gōng）特殊螺紋接頭產生顫紋的（de）原（yuán）因（yīn）及對策（cè）

特殊螺紋接頭是針對（duì）API螺紋接頭（tóu）密封性能（néng）差、上扣控製（zhì）難（nán）、接頭應力水平高等（děng）不足而專門設計的具（jù）有可靠連接（jiē）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（yóu）勘探水平不斷提高，深井、超深井（jǐng）、熱采井以及高溫高壓氣井的數（shù）量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控（kòng）製（zhì）要求（qiú）越（yuè）來越高。目前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分（fèn）都采用（yòng）進口高精度（dù）數控車床，就是為了更好地（dì）控製特殊螺（luó）紋接頭的產品質量。

顫紋（wén）是特（tè）殊（shū）螺紋接頭加工過程中常見的加工缺（quē）陷，直接影（yǐng）響（xiǎng）到特殊螺紋（wén）接頭的（de）使用性能和產（chǎn）品質（zhì）量（liàng）。本文結（jié）合特（tè）殊螺紋接（jiē）頭的加工特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程（chéng）中顫紋產生的原因及對（duì）策，為特殊螺紋接頭的生（shēng）產質量控製提供了一定（dìng）參考。

1 顫紋產生的原因（yīn）

(1)加工試樣、刀具（jù）或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成（chéng）型麵（miàn）是經過連續加工獲得的，理（lǐ）論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工（gōng）那樣受進給量的影響。但如果（guǒ）加工剛性較差的（de）薄壁（bì）管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工過（guò）程中發（fā）生振動，從而在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的（de）薄壁管體上（shàng）進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生（shēng），可（kě）以根據螺紋的設（shè）計長度、車（chē）床的加（jiā）工特點和刀具裝夾方式，確（què）定合理的管體（tǐ）懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長（zhǎng）、管頭擺動造成加（jiā）工顫紋（wén）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（tǐ）內支撐和輥道上的浮動支（zhī）撐（chēng）輥(見圖2)，這樣可以（yǐ）更有效地降低顫紋的產生（shēng）。

特殊螺紋加工時（shí）的進（jìn）給量遠大（dà）於普通車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避免加工過程中產生（shēng）顫紋，要求在設計時根據加工管體的材料和特（tè）殊螺紋接頭的結構設（shè）計特點，製定（dìng）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度（dù）的（de）關係。一般懸出長度控製在刀（dāo）杆直徑的1.5-2倍為（wéi）宜，如果需要加工內孔小且長的內（nèi）螺紋時，盡量選擇專業（yè）刀具廠家生產的專用防振刀杆。這（zhè）些刀（dāo）杆是為了解決加工孔（kǒng）小行（háng）程長（zhǎng）的內螺紋專門（mén）設計的，一般懸出長度控製（zhì）在刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇（zé）適當的刀（dāo）具材料（liào）和熱處理工藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工藝（yì）可（kě）以有效地（dì）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。剛性好的車床可以更（gèng）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（yàng）的（de）裝夾方式不（bú）合理

除了車床、刀具以及（jí）管體本（běn）身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致顫（chàn）紋出現的主（zhǔ）要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會（huì）造成顫紋。如（rú）果（guǒ）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（zhì）顫紋產生；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（guǎn）切削時接頭內壁可以被車成正（zhèng）圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特（tè）殊螺紋接頭（tóu）的密封性能主要靠金屬過盈來實現（xiàn），當橢圓度超差時，會在原本過盈的地方產生間隙或更大（dà）的過（guò）盈量，使特殊螺紋接頭泄漏（lòu）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（shì）必（bì）會影（yǐng）響夾（jiá）持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度時，便會在（zài）加工過（guò）程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋（wén）的加工是一個長（zhǎng）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經驗積累（lèi），主要根據加（jiā）工樣品的尺寸、鋼（gāng）級以及車床本身的特點長期摸索總結而來。合理的夾持壓（yā）力可以消除樣品在加工過程中的移動，同（tóng）時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣（yàng）既可（kě）以有效（xiào）消除加工顫紋，還（hái）可以保證（zhèng）特殊螺紋的橢圓度。

同樣（yàng），卡爪的設計（jì）也要結合需要加工樣品的尺寸（cùn）、鋼級並（bìng）結合車床的（de）特點專門設計。目前，常見的有（yǒu）平麵卡爪和（hé）圓弧（hú）包爪。平麵卡爪的夾持形式為點線接觸（chù），這種夾持方式接（jiē）觸麵積小，可以有效增加卡爪和樣品表麵之間的（de）夾持力，防止加工樣品的移動，但會（huì）導致樣品受力（lì）不（bú）均，使樣品加工後的尺寸或（huò）橢圓度超差。圓（yuán）弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大（dà），受力均勻，加工後的（de）樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異動（dòng），產生顫（chàn）紋。因（yīn）此，在加（jiā）工特殊螺紋接頭時，應盡（jìn）量選擇圓（yuán）弧包爪，且包爪與樣（yàng）品（pǐn）接（jiē）觸的工作麵應當設計成平（píng）頂齒狀或設置多個凹槽（cáo）(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑相匹配，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車，以避免圓弧直徑相差太大而在加工中發生樣品移動、產（chǎn）生顫紋。還（hái）需注（zhù）意（yì）包裹角度（dù）的設計，太小（xiǎo）可能會導致夾持（chí）力不足，太大則（zé）會造成裝夾過程中卡爪之（zhī）間的（de）相互幹涉（shè），導致樣品夾持（chí）不緊，產（chǎn）生顫紋（wén）。因此，在特殊螺紋的加工（gōng）過（guò）程中，盡量選擇與加工樣品外（wài）徑匹配（pèi）的（de）大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達到整（zhěng）個樣品（pǐn）圓周的（de）中上（shàng）水平，這（zhè）樣（yàng）不僅可以保證樣（yàng）品的加工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出（chū）現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本（běn）身加（jiā）工質量（liàng）參差不齊、誤差大或緊固裝置設計不合理（lǐ）以及不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，刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心高)距離相差較（jiào）大也是產生（shēng）顫紋的重要原因之一（yī）。

刀片、刀墊以及相關配件（jiàn）的質量（liàng）情況直接決定了樣品的加工質（zhì）量，質量差的刀片、刀墊（diàn）安裝在刀杆上後，不能很好（hǎo）地（dì）相互配（pèi）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（dāo）具鈍化（huà），這些都會（huì）導致顫紋產生（shēng）。因此，在特殊螺紋接頭加工（gōng）時，應選擇（zé）質量可靠的專業（yè）刀具。此外，刀片、刀墊安（ān）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（chéng）中顫紋的出現。因此，安（ān）裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在加工過程中，也（yě）要定期（qī）檢查刀片（piàn）、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、刀墊緊固方式的設計合理性也（yě）是影響（xiǎng）顫紋出現的重要原因之一，應盡量選（xuǎn）擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製造（zào）廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降（jiàng）低加工過（guò）程中產生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床中心高距離（lí）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），從而導致樣品加工過程中產生（shēng）振（zhèn）動，出現（xiàn）顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離相差（chà）太（tài）大。很多國外的專（zhuān）業刀具（jù）廠家（jiā）會配套（tào）專（zhuān）用的（de）對刀器（qì）來確定（dìng）刀具的安裝角（jiǎo）度。國產刀具一般不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時（shí），可用基準刀對拔外皮（pí）後實心棒料進行平端麵車（chē）削，找到棒料的圓心，並留（liú）下一個（gè）小（xiǎo）圓（yuán）錐台，將需要安裝的刀具刀尖調（diào）整到小圓（yuán）錐台軸線的高（gāo）度上即可最終確定刀具安裝角度(見（jiàn）圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與車（chē）床（chuáng）主軸回轉中心是否共線，因此會（huì）存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床（chuáng）主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有（yǒu）效減少加工顫紋（wén）的產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋（wén）接（jiē）頭的加工工藝是決定特殊（shū）螺紋接（jiē）頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量（liàng）、車（chē）削速度等都會導致樣品（pǐn）加工質量上的差異。此外，加工方式的（de）選擇也需要根據加工樣品的鋼級、尺寸等（děng）情況（kuàng）來定。不同的鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及（jí）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（wén）形式通常為偏梯螺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（chī）刀量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當（dāng）進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時（shí），在螺紋表麵（miàn）都會產生顫紋；而在中間（jiān）速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因（yīn）此，在進（jìn）行特殊螺紋接頭加（jiā）工（gōng）時（shí），應當結合加工樣品的鋼（gāng）級、尺寸及結（jié）構情況，摸索出合理（lǐ）的車削速度，以避免產生顫紋。另外，合理（lǐ）的吃（chī）刀量分配也可大（dà）幅降低螺紋車削過程中顫紋的產（chǎn）生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切（qiē）削（xuē）阻力大。隨（suí）著螺紋（wén）深度的增加（jiā），刀片（piàn）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削載荷，從而引起（qǐ）刀片出現輕微（wēi）顫動或崩刀，產生顫紋，影響（xiǎng）螺紋的表麵（miàn）質量。吃刀量過小（xiǎo）、轉速較高時，刀具以一定進給速度（dù）前進，被車削的（de）試樣無法緊（jǐn）壓住刀（dāo）片，導致刀片在車削過（guò）程中產生顫動，引起顫（chàn）紋，同時吃（chī）刀量太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造（zào）廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦（bàn）法

選擇合理的車（chē）削方式，可以有效改善螺紋的表麵（miàn）質量並提高刀具的使用壽命（mìng）。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意（yì）圖。徑向進刀的特點為各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較（jiào）大，容（róng）易（yì）紮（zhā）刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單（dān），牙型精度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材（cái）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，螺紋表麵（miàn）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（xiàng）進刀則可（kě）避免斜向（xiàng）進刀刀（dāo）刃磨損大和工（gōng）件表麵粗（cū）糙度大的（de）問題；交互式進刀（dāo）切削時，兩側刀刃磨損均勻，較（jiào）適（shì）用於加工大螺（luó）距螺紋。因此，對於特殊螺紋的（de）車削（xuē），可采用改進型側向進刀或交互式進刀方式，以實（shí）現單刀刃（rèn）或雙刀刃切削，避免（miǎn）3個刀刃同時工作，減小振動出現的機率，避免（miǎn）顫（chàn）紋的發生。

小結

顫（chàn）紋是特殊螺（luó）紋接頭生產加工（gōng）過程中普遍存（cún）在的現象（xiàng），不僅影響特殊螺紋接頭的（de）表麵質量，還（hái）會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過（guò）程中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加（jiā）工樣品以（yǐ）及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的（de）主要因素，應當選（xuǎn）擇剛性高的刀具和（hé）車床，同時（shí）根據加工管體的實（shí）際（jì）情況（kuàng），適當設（shè）計或增加一些減振（zhèn）防顫的工裝（zhuāng）或工藝；

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

(3)根據加工樣（yàng）品的鋼（gāng）級、尺寸等情況，製定合理的加工工藝參（cān）數（shù）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。