​數控車（chē）床加工特殊螺紋接（jiē）頭產生顫紋的原因

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性（xìng）能差、上扣控製難、接頭應力水平高（gāo）等不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好密封性能的專用油（yóu）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。隨著我國石油勘探（tàn）水平不斷提（tí）高，深井、超深（shēn）井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增（zēng）加（jiā），對特（tè）殊螺（luó）紋接頭的性能及質量控製要求越來（lái）越高（gāo）。目前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分都采（cǎi）用進口高精度數控車（chē）床，就是為（wéi）了更好地控製特殊（shū）螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊（shū）螺紋接頭加工過程中常見的加工缺陷，直接（jiē）影響到特殊螺紋接頭的使用性能和（hé）產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點（diǎn），總結了特殊螺（luó）紋接頭加工過程中顫紋產生的原因（yīn）及對策，為特（tè）殊螺紋接頭的生產（chǎn）質量控製提（tí）供了一定參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀（dāo）具或車床本身剛（gāng）性不足

特（tè）殊螺紋接頭加工過（guò）程中（zhōng），顫紋常（cháng）見於螺紋車削階段。特殊螺紋加工（gōng）的螺紋（wén）成型麵是經（jīng）過連續加工獲（huò）得的，理論上會保持較好的加工表麵（miàn）光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進給量（liàng）的影響。但（dàn）如果加工（gōng）剛性較差的薄（báo）壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振動，從而在螺紋加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工時，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（jù）裝（zhuāng）夾方式，確定合理的管（guǎn）體懸出長度(見圖（tú）1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成（chéng）加工顫紋的產生。此外，在進（jìn）行外螺紋加工時，可（kě）根據管體幾何尺寸（cùn），設計管（guǎn）體內支撐和輥道上的浮（fú）動（dòng）支撐輥(見（jiàn）圖2)，這（zhè）樣可以更（gèng）有效地降低顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量（liàng）遠大於（yú）普通車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為有（yǒu）效避免加工過程中產生顫紋，要求在設（shè）計時根據加工管體的材料和特（tè）殊螺（luó）紋接（jiē）頭的結（jié）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度的（de）關係。一般（bān）懸出長度控製在刀杆直（zhí）徑的1.5-2倍為宜，如果需要加（jiā）工內孔小且（qiě）長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家生（shēng）產的專用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工（gōng）孔小行程長的內螺紋專門設計的，一般懸（xuán）出長度控製在刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當（dāng）的刀具材料和熱處理工藝也很重要，合理的刀具（jù）材料和熱（rè）處理工藝可以有效（xiào）地（dì）保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛性好的車床可以（yǐ）更有效地控（kòng）製特（tè）殊螺紋接（jiē）頭加（jiā）工的質量，防止加工過程中出現（xiàn）顫紋。

(2)加（jiā）工（gōng）試樣的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及管體本身的剛（gāng）性（xìng）不足，加工試樣的裝夾方式也是導致（zhì）顫紋出（chū）現（xiàn）的主要原因，例如夾持壓力不（bú）合理（lǐ）或夾具卡爪尺寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中，試樣會發生（shēng）位置移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高（gāo），接頭毛坯（pī）在夾緊時有較大的不均勻（yún）彈性變形，盡管切削時接頭內壁可（kě）以（yǐ）被車成正圓孔，但鬆開後，接（jiē）頭彈性恢複，導致樣品（pǐn）橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠（kào）金屬（shǔ）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的（de）過（guò）盈量，使特殊螺紋接頭（tóu）泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不（bú）能（néng）與加工試樣的（de）外表麵完美貼合，勢必會影響（xiǎng）夾持的穩（wěn）定性（xìng）。當夾持穩定性降低到一定程度時，便會（huì）在加（jiā）工過程出現樣品移動，產（chǎn）生顫（chàn）紋。

油套管螺紋的加工是一個長期總結經驗的過程，其加工（gōng）時的夾持壓力就是一個重要的數據經驗（yàn）積累，主要根據（jù）加工樣品的（de）尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期（qī）摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣（yàng）品在加工過程中的移動，同時把樣品變（biàn）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度。

同樣，卡爪的設計也（yě）要結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，常見的有平麵（miàn）卡爪和圓弧包爪。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（miàn）積小，可（kě）以有效增加卡爪和樣品表麵之間的（de）夾持（chí）力，防止加工（gōng）樣品的移動，但會導致（zhì）樣品受力不均，使樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方（fāng）式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均（jun1）勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對（duì）容易出現異動，產生顫紋。因此，在加工特殊（shū）螺紋接頭時（shí），應盡（jìn）量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工（gōng）作麵應當設計成平頂齒（chǐ）狀或設（shè）置多個凹槽(見圖3)，以（yǐ）增加其摩擦力。同時（shí），圓弧包爪的（de）圓弧直徑應盡量與加（jiā）工樣品外徑相（xiàng）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（táng）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（shēng）顫紋。還（hái）需（xū）注意包裹角度（dù）的設計（jì），太小可能會導致夾持力不足，太（tài）大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導致樣品（pǐn）夾持不緊，產生顫紋。因（yīn）此，在特殊螺紋的加工過程中，盡量選擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹（guǒ）角度應達到整個樣品圓周的（de）中上（shàng）水平，這樣不（bú）僅可以保證樣品的加工（gōng）尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾（jǐ）率。

(3)刀具加工質量（liàng）差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊（qí）、誤差大或緊固裝（zhuāng）置設計不合理以及不規範安裝都會導致樣品加工時產生顫紋。同時，刀（dāo）杆安裝時，刀（dāo）尖與車床主軸回轉（zhuǎn）中心(車床中心高)距離相差較大也是產（chǎn）生顫紋的重（chóng）要原因之一。

刀片、刀（dāo）墊以及相關配件的質量情況直接（jiē）決定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀（dāo）墊安裝在刀（dāo）杆上後，不能很好（hǎo）地相互配合，會（huì）產生間隙，還有可能存在加工尺寸與（yǔ）設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導致（zhì）顫紋產生（shēng）。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇（zé）質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或是（shì）在（zài）車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀（dāo）墊時，應按（àn）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（diàn）是否鬆動或是夾入鐵屑（xiè），如（rú）有隱患應及時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的（de）設計合理性也是影響顫紋出現的重（chóng）要（yào）原因之一，應盡量選擇經驗豐富（fù）的專業刀片、刀墊製造廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程中產生顫紋的可能（néng）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（zhì）刀具在車（chē）削（xuē）時的刀具角（jiǎo）度和理想角（jiǎo）度偏（piān）差（chà）太大，刀具受力不在最佳狀態，從而導致樣品加工過程中產生振（zhèn）動，出現顫紋。因此，在（zài）進行刀（dāo）具對刀時，一定要注意刀具安裝（zhuāng）的（de）角度，避免刀（dāo）尖與車床中心高距（jù）離相差（chà）太大。很多國外的專業刀具廠家會配套專用的對（duì）刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可（kě）用基準刀對拔（bá）外皮後實（shí）心棒料進行平端麵（miàn）車削，找到（dào）棒料的圓心，並留下一個小（xiǎo）圓錐台，將需要安裝的刀具（jù）刀尖調整到小圓錐台軸線的高（gāo）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（yǔ）車床主軸回轉中心是否共線，因此會存在一定誤差。根（gēn）據經驗，刀尖與車床主軸回轉中心的距離相差（chà）±0.5mm以內，可以有效（xiào）減少加工顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特（tè）殊螺紋（wén）接（jiē）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（bú）同的吃刀量、車削速度等都會導致（zhì）樣品加工質量上的差（chà）異。此（cǐ）外，加工方式的選擇也需（xū）要根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定（dìng）。不同的鋼級、尺寸對應不（bú）同的加工工藝及加（jiā）工方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾（jǐ）率。

特（tè）殊螺紋接頭的螺紋形式（shì）通常（cháng）為偏梯螺（luó）紋或改良的（de）偏（piān）梯螺紋，因此，該螺紋的車（chē）削（xuē）屬（shǔ）於重車（chē）削。王瀟屹等對油管外螺（luó）紋進行了相同吃刀量（liàng）(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發（fā）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（jiān）速度（dù）(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在進行特（tè）殊螺紋接頭加工時，應當結合加工樣品的鋼（gāng）級、尺寸及結構情（qíng）況，摸（mō）索出合理的車（chē）削速度，以避免產生顫紋（wén）。另外（wài），合理的吃刀量分（fèn）配也可大幅降低螺紋車（chē）削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太大（dà）時（shí），刀（dāo）具受到的切削阻力（lì）大。隨著（zhe）螺紋深度的增加，刀片與（yǔ）樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成（chéng）時，刀片會承受非常（cháng）大的切削載荷（hé），從而引起（qǐ）刀（dāo）片出現輕微顫動或崩刀（dāo），產生顫（chàn）紋，影響螺紋的表麵質（zhì）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（zhù）刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造廠家（jiā）的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方式，可以有（yǒu）效改善螺紋的表麵質量並提高刀（dāo）具（jù）的使用壽命。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意圖（tú）。徑向進（jìn）刀的特點為各（gè）刀刃同時工作（zuò），排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀（dāo）尖易（yì）磨損，但操作相對簡單，牙型精度較高，一般適合於小齒形小（xiǎo）螺距（jù）的螺紋（wén）或脆性（xìng）材料的螺紋加工；側向進刀的（de）特點是不易紮刀（dāo），單刃切削，排鐵屑順（shùn）暢，切削力較小，但（dàn）背（bèi）吃刀量（liàng）較大，牙型精（jīng）度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而（ér）且不參與切削一側的（de）刀刃磨損大；改進型側（cè）向進刀則（zé）可避（bì）免斜向進刀刀刃磨損大和工件表麵粗糙度大的問（wèn）題；交互式進刀切削時，兩側刀刃磨損均（jun1）勻，較適用於加（jiā）工大螺距螺紋（wén）。因此，對於特殊螺紋的車削，可采用改進型（xíng）側向進刀或交互式進刀方式，以實現（xiàn）單刀刃或雙刀（dāo）刃切削，避（bì）免3個刀刃（rèn）同時工作（zuò），減小振（zhèn）動出現的機率，避免顫紋的發生。

小（xiǎo）結

顫（chàn）紋是特殊螺紋接頭（tóu）生產加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特（tè）殊螺紋接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車（chē）床、加工樣品（pǐn）以及（jí）刀具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和車（chē）床，同時（shí）根據加工管（guǎn）體的實際情況，適當設（shè）計或增加一些減振防顫（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（qǐ）顫紋（wén）的（de）因素之一，生產廠家應建（jiàn）立相應的（de）試樣裝夾（jiá）、刀具安裝的管理文件，定期對樣品裝夾和刀具（jù）安裝情況進行檢查；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情（qíng）況，製定（dìng）合（hé）理的加工工藝參數及加工方式，有效控製特（tè）殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產生。