​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭是（shì）針對API螺紋接頭密封性（xìng）能差、上扣控製難、接頭應力水平高等不足（zú）而專（zhuān）門設計的（de）具有（yǒu）可靠連接強度和良好密封性（xìng）能的專用（yòng）油套管接頭，其結構設計特點決（jué）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加，對特殊螺紋接頭的（de）性能及質量控製要求越來越高。目前，國（guó）內生產特殊螺紋接頭的廠（chǎng）家大部（bù）分都采用進口高精度數控車床，就是（shì）為了更好地控製特殊（shū）螺紋接（jiē）頭的產品質量。

顫紋是特殊螺紋接頭加工過程中常（cháng）見的加工缺陷，直接影響到特殊螺紋接頭的使用性能和（hé）產品質量。本文結合特殊螺紋（wén）接（jiē）頭的加工特點（diǎn），總（zǒng）結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產生的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產質量控製提供了一定參考。

1 顫紋產生的原因

(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（luó）紋車削階段。特殊螺紋加工的（de）螺紋成型（xíng）麵是經過連續加（jiā）工獲得（dé）的，理論上會（huì）保持較好（hǎo）的加工表麵光潔度，而（ér）不（bú）會像普通車削加（jiā）工那樣受進給（gěi）量的影響。但如果加工剛性（xìng）較差的薄壁（bì）管或者刀具、車床剛性不足，就會在加（jiā）工過程中發生振（zhèn）動，從而（ér）在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄壁管（guǎn）體上進行螺（luó）紋（wén）加工時，為避免加工顫紋的產生，可（kě）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（lǐ）的管體（tǐ）懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成加（jiā）工顫紋的產生（shēng）。此外，在進行外螺紋加工時，可根據管體幾何尺（chǐ）寸，設計（jì）管體內支撐和輥道上（shàng）的浮動（dòng）支（zhī）撐輥（gǔn）(見圖2)，這樣可（kě）以更有效地降低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因此（cǐ）刀具會承受非常大的車（chē）削力。為有效避免加工過程中產（chǎn）生顫紋，要求在設計（jì）時根據加工管（guǎn）體的材料和特殊螺（luó）紋接頭的結構設計特點（diǎn），製定合（hé）理的（de）刀具設計方案，特別是（shì）設計（jì）內螺紋刀杆時，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（gǎn）直徑的（de）1.5-2倍（bèi）為宜，如果需要加工內孔小（xiǎo）且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀（dāo）杆是（shì）為了解決加工孔小行（háng）程長的內（nèi）螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在刀杆直（zhí）徑的3-4倍。另外，選（xuǎn）擇適當的刀具材料和熱處理工藝也很重要，合理的刀具材料（liào）和熱處理工藝可以有效地保（bǎo）證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重（chóng）車削（xuē）的（de）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（tóu）加工的質量（liàng），防止加工過程中出現顫紋。

(2)加（jiā）工試樣的裝夾方（fāng）式（shì）不合理

除（chú）了車床、刀具以及管體本身的剛性不足，加（jiā）工試樣（yàng）的裝夾方式也是導致顫紋出現的主要原因，例如夾持壓力不（bú）合理或夾具卡爪（zhǎo）尺（chǐ）寸不合適等（děng）都會造成顫紋。如果夾持（chí）壓力過低，在螺紋加（jiā）工過程（chéng）中，試（shì）樣會發生（shēng）位置移動，導致顫紋產生；如果（guǒ）夾持壓力過高，接（jiē）頭毛坯在夾緊時（shí）有較大的不均勻彈性（xìng）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（xìng）恢（huī）複，導致樣品橢（tuǒ）圓度超差。特殊（shū）螺紋接頭的密封性能（néng）主要靠金屬過盈（yíng）來實現，當橢圓度超差時，會（huì）在原（yuán）本過盈的地方產生間隙或更大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工試樣的外表麵完（wán）美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度（dù）時，便（biàn）會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油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（yā）力就是一（yī）個重要（yào）的數據經驗積累，主要根據加工樣品的尺寸、鋼級以及車（chē）床本身的特點（diǎn）長期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣品在加（jiā）工過程中的移動，同時把樣品變形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效消除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓（yuán）度。

同樣，卡爪的設計也（yě）要結（jié）合（hé）需要加工樣（yàng）品（pǐn）的尺寸、鋼（gāng）級並結合車床的特點專（zhuān）門（mén）設計。目前，常見的有平麵卡爪和（hé）圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形（xíng）式為點線（xiàn）接觸，這種夾持（chí）方（fāng）式接觸麵（miàn）積小，可以有效增加卡爪和樣品表麵之間的（de）夾持力，防（fáng）止加工樣品的移動，但會導致樣品受（shòu）力不均（jun1），使樣品加工後的尺寸或橢圓度超（chāo）差。圓弧包爪夾（jiá）持方式（shì）的優點是（shì）樣品在加工時接觸麵（miàn）積大（dà），受力均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異（yì）動（dòng），產生顫紋。因（yīn）此，在加工特殊（shū）螺紋接（jiē）頭時，應盡量選擇（zé）圓弧包爪，且（qiě）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（jiàn）圖3)，以增加其摩擦力。同（tóng）時，圓弧（hú）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（yàng）品的外徑（jìng）尺（chǐ）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、產生顫紋。還需注意包裹角度的（de）設計（jì），太小可能會導致夾持力（lì）不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導（dǎo）致樣品（pǐn）夾持不緊（jǐn），產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過程中（zhōng），盡量選擇（zé）與加工樣品外（wài）徑匹（pǐ）配的大摩擦（cā）力（lì）圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓周的中（zhōng）上水（shuǐ）平（píng），這樣不僅可以保（bǎo）證樣品（pǐn）的（de）加工尺寸，同時還能有效降（jiàng）低加工過程中顫紋的出（chū）現幾率（lǜ）。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀（dāo）片、刀墊本身（shēn）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（fàn）安裝都會導致（zhì）樣品加工時產生（shēng）顫紋。同時，刀（dāo）杆安裝時，刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心(車床中心高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況直（zhí）接決定了樣品的加工質量（liàng），質量差的刀片（piàn）、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互配合，會產生間隙，還有（yǒu）可能存在加工尺寸與設計方（fāng）案有出入（rù）以及刀具（jù）鈍化，這些都會導致顫紋產（chǎn）生。因此，在特（tè）殊螺紋（wén）接頭加（jiā）工時，應選擇質量可靠（kào）的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝（zhuāng）不規範、裝夾不緊或是在車（chē）削過程中（zhōng）夾入鐵屑，都會（huì）導致加工過程中顫（chàn）紋的（de）出現。因此（cǐ），安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作（zuò）規範進行安裝。在加工過程中，也要定期檢（jiǎn）查刀片、刀墊是否鬆動或是（shì）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是（shì）影（yǐng）響顫紋出現的重要原因之一，應盡量選擇經驗（yàn）豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或（huò）使用較為成熟的刀片、刀墊緊（jǐn）固設計方案，以（yǐ）降低加工過程（chéng）中產生（shēng）顫紋的可（kě）能性。

刀（dāo）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（jù）在車削時的刀具角度和理想角度偏差太大，刀具（jù）受力不在最佳（jiā）狀態，從（cóng）而導致樣品加工過程中產生振動（dòng），出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定（dìng）要注意刀具（jù）安裝的角度，避免刀（dāo）尖與（yǔ）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（jù）的安裝角度。國產刀具一般不配套（tào）對刀器，在確定刀具安（ān）裝角度時，可用基準刀對拔外皮後實心棒料（liào）進行平端麵車削，找到棒（bàng）料的圓心，並留下一個（gè）小圓錐台，將需要（yào）安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的高度上即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中（zhōng）心是否共線，因此（cǐ）會（huì）存在一（yī）定誤差。根據經（jīng）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（jiǎn）少加工顫紋的產（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特殊螺紋接頭（tóu）質量的重要影響因素，不同的吃（chī）刀量、車削速度等都（dōu）會導致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、尺寸等情況來（lái）定。不（bú）同的（de）鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加工方式（shì），才能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梯（tī）螺紋或改良的偏（piān）梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹（yì）等對油管外螺紋進行了（le）相（xiàng）同吃刀量(0.3mm)、不同車削速度（dù）(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而在中間速（sù）度(80m/min和100m/min)加（jiā）工（gōng）時，螺紋表麵完好。因此（cǐ），在進行特（tè）殊螺紋接頭加工時，應當結合加工（gōng）樣品的鋼級（jí）、尺寸及結（jié）構情況，摸索出（chū）合（hé）理的車削速度，以避免產生顫紋。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（de）產生幾率。吃刀量太大時，刀具（jù）受到的切削（xuē）阻力大。隨著螺紋深（shēn）度的增加，刀片與（yǔ）樣品的接（jiē）觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非（fēi）常（cháng）大（dà）的切（qiē）削（xuē）載荷，從而引起刀片出現輕微顫動或（huò）崩刀，產生顫紋，影響（xiǎng）螺紋的表麵質量。吃（chī）刀量過小、轉速較高（gāo）時，刀具以一定進給速（sù）度前進，被車削的（de）試樣無法緊壓住刀片，導致刀片（piàn）在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同（tóng）時吃刀量太小也會導致加工效（xiào）率大幅降低，影響製造廠家（jiā）的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦（bàn）法

選擇合理的車削方式，可以有效改（gǎi）善螺（luó）紋的表（biǎo）麵質量並提高（gāo）刀具的使用壽命（mìng）。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃同時工作，排（pái）屑困難（nán），切（qiē）削力較大，容易紮刀、振動（dòng）、刀尖易磨損，但操作相對簡單，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（jiā）工；側向進刀（dāo）的（de）特點是不易紮刀，單（dān）刃切削，排（pái）鐵屑順暢，切削力（lì）較小，但背吃刀量較大，牙型（xíng）精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與（yǔ）切削（xuē）一側的刀刃磨損大；改進型（xíng）側向進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損大和工件表麵粗（cū）糙度大的問題；交互式進刀切削時，兩側刀（dāo）刃磨損（sǔn）均勻，較適用於加工（gōng）大螺距螺紋。因此，對於（yú）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，避免3個刀（dāo）刃同時工作，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加（jiā）工過程中普（pǔ）遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表麵質量，還會導致特殊（shū）螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工（gōng）過程中應避免顫紋的產（chǎn）生。

(1)車床、加（jiā）工樣（yàng）品以（yǐ）及刀具本（běn）身的剛性不足是引起顫紋的主要（yào）因素，應（yīng）當（dāng）選擇剛性高的刀具和車床（chuáng），同時根據加工管體的實際情況（kuàng），適當設計或增加一（yī）些減振防顫的（de）工裝或工藝；

(2)試樣（yàng）裝（zhuāng）夾不規（guī）範、刀具安裝不（bú）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（jiá）、刀具安（ān）裝的管理文件（jiàn），定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；

(3)根據（jù）加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合理的加（jiā）工工藝參（cān）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。