​數控車（chē）床加工特殊螺紋接頭產生顫紋的原因

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密（mì）封性能差、上扣控製難、接頭應（yīng）力水平高等不足而專門設計的具有可（kě）靠連接強（qiáng）度（dù）和良好密封性能的專用油（yóu）套管（guǎn）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（dù）。隨著我國石油勘探水平不（bú）斷提高，深井（jǐng）、超深井、熱采（cǎi）井以及高溫高壓氣井的數量逐（zhú）年增加，對特殊螺紋接（jiē）頭的性能及質量控製要求越來（lái）越高。目前，國內生產特殊螺紋接（jiē）頭的廠家大部分都采用進口高精度（dù）數控車床，就是為了更好地控製特殊螺紋接頭的產品（pǐn）質量。

顫紋是特殊螺紋接頭加工過程中常見的加工缺陷（xiàn），直（zhí）接影響到（dào）特殊螺紋（wén）接頭的使用性（xìng）能和產品質量。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程中顫紋產生的原因（yīn）及對策，為特殊螺紋接頭的（de）生產質量（liàng）控製提供了一定參考（kǎo）。

1 顫紋產生的原（yuán）因

(1)加工試樣、刀具或車（chē）床（chuáng）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。特殊螺紋加（jiā）工的螺紋成（chéng）型麵是經過連續加工（gōng）獲得的，理論上會保持較好（hǎo）的加工表麵（miàn）光潔度（dù），而不會像（xiàng）普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床（chuáng）剛性不足，就會在加工過程中發生振動，從而（ér）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（miǎn）加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計長度、車床（chuáng）的（de）加工特（tè）點和刀具裝（zhuāng）夾方式，確定（dìng）合理的管體（tǐ）懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成加工顫紋的產（chǎn）生。此外，在進行外螺紋（wén）加工時，可根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動支撐（chēng）輥(見圖2)，這樣可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，因此刀具會承受（shòu）非常大的車削力。為有效避免加工過程（chéng）中產生顫紋，要求在設計時根據加工管體的材料和特殊螺紋接頭的結構（gòu）設計特點，製定合（hé）理的刀具設計方案，特別是設計內螺（luó）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直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠（chǎng）家生產的專用防振刀杆。這（zhè）些刀杆是為了解決加工孔小行程長的內螺紋專門設計的，一般懸出長度控（kòng）製在刀杆直徑（jìng）的3-4倍。另外，選擇（zé）適當的刀具材料和（hé）熱（rè）處理（lǐ）工藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工藝可以有（yǒu）效地（dì）保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較（jiào）好、適合重車削的數控車床。剛性（xìng）好的車床可以更有效地（dì）控製特（tè）殊螺紋接頭加工的質（zhì）量，防止加（jiā）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剛性不（bú）足，加工試樣的裝夾方式也（yě）是導致顫紋出（chū）現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不（bú）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（dǎo）致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的（de）不（bú）均勻彈性（xìng）變（biàn）形，盡管切削時接（jiē）頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超（chāo）差。特殊螺紋接頭的密（mì）封性能（néng）主要靠（kào）金（jīn）屬（shǔ）過盈（yíng）來實（shí）現，當橢（tuǒ）圓度超（chāo）差時（shí），會在原本過盈的地（dì）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（kòu）。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加（jiā）工試（shì）樣的（de）外表麵完美貼合，勢（shì）必（bì）會影響夾持的穩定性（xìng）。當夾持穩定性降低到一定程（chéng）度時，便會在加工過程（chéng）出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的加工是一（yī）個長期（qī）總結經驗（yàn）的過程，其加工時的夾持壓力就是（shì）一（yī）個重要的數據經驗積累，主要根據加工樣品的尺寸（cùn）、鋼級以及車床本身的特點長期摸索總結而來。合理（lǐ）的夾持壓力（lì）可以消（xiāo）除樣品（pǐn）在加工過程中的移（yí）動，同時把樣品變形控製在彈性（xìng）範圍（wéi）內，這樣既可以有效消除加工顫（chàn）紋，還（hái）可以（yǐ）保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合需要加工（gōng）樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點專門設計。目（mù）前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形式為點線接觸，這種夾持（chí）方式接觸麵（miàn）積小，可以有效增加卡爪和樣品表麵（miàn）之間的夾持力，防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧（hú）包爪夾持方式的優（yōu）點是樣（yàng）品在加工時接（jiē）觸麵積大，受（shòu）力均勻，加工（gōng）後的樣品尺寸（cùn）好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現（xiàn）異動，產生顫紋。因此，在加工特殊（shū）螺紋接頭時，應盡量選擇圓（yuán）弧包爪，且包爪與（yǔ）樣品接觸的工作麵應（yīng）當設計成平頂齒狀或設置多個（gè）凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應（yīng）盡量與加工樣品（pǐn）外徑相匹配（pèi），最（zuì）好在（zài）加工前根據加工樣品的外徑尺寸，進行（háng）圓弧包（bāo）爪的工作（zuò）表麵（miàn）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（dù）的設計，太小可能會導致（zhì）夾持（chí）力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪（zhǎo）之間的相互幹涉，導致樣品夾（jiá）持不緊，產生顫紋。因此（cǐ），在特殊（shū）螺紋的加工過（guò）程中，盡量選擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓周的中上水平，這（zhè）樣（yàng）不僅可以保證樣品的加工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋（wén）的出現幾率。

(3)刀具加（jiā）工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤差大或緊固（gù）裝置設計不（bú）合（hé）理以及不規範安裝都會導致樣品加工時（shí）產生顫紋。同時，刀杆安（ān）裝時，刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心(車（chē）床中心高)距離相差較大也（yě）是產生（shēng）顫（chàn）紋的重要原（yuán）因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質（zhì）量情況直（zhí）接決定了樣品的加工質（zhì）量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地（dì）相（xiàng）互配（pèi）合，會產生間隙，還有可能存（cún）在加工尺寸與（yǔ）設計方案有出入以及刀具鈍化，這（zhè）些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀（dāo）具。此外，刀片、刀墊安（ān）裝不規範、裝夾（jiá）不緊或是在（zài）車削（xuē）過程中夾入鐵屑，都會導致（zhì）加工過程中顫紋的出現。因此（cǐ），安裝新的刀片、刀（dāo）墊時（shí），應按照操作規（guī）範進行安裝。在（zài）加工（gōng）過程中，也（yě）要定期檢查刀片、刀墊是（shì）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（jǐn）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（dāo）片（piàn）、刀墊製造廠家或使（shǐ）用較為成熟的刀片、刀（dāo）墊緊固設計方案，以降低加工過程中產生顫（chàn）紋的可能性。

刀杆安裝（zhuāng）不（bú）規範、刀尖與車床中心（xīn）高距離相差大，會導致刀具在車削時的刀具角度和理想角（jiǎo）度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態，從而（ér）導致樣品加工過程中產生振動，出（chū）現（xiàn）顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定（dìng）要注意刀具安裝（zhuāng）的角度，避免刀尖與車床中（zhōng）心高距離相差太大。很多國外的專業刀具廠（chǎng）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（yī）般不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基準刀對（duì）拔外皮後實心棒料（liào）進行（háng）平端麵車削，找到棒料的圓（yuán）心，並留下一（yī）個小（xiǎo）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（dìng）刀具安裝（zhuāng）角度(見圖4)。通常是通過目測來（lái）判斷刀尖與車床主軸回轉中（zhōng）心是（shì）否共（gòng）線，因此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車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（wén）的（de）產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特（tè）殊螺紋接頭的加（jiā）工工（gōng）藝是決定特（tè）殊螺（luó）紋（wén）接頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等都會導致（zhì）樣品加工質（zhì）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、尺寸等情況來定。不同的鋼（gāng）級、尺寸（cùn）對應不同的加工工藝及加工方式，才能有效降低加工顫紋（wén）出現的幾率。

特殊螺紋（wén）接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該（gāi）螺紋的車削（xuē）屬於重車削。王瀟（xiāo）屹等對油管外螺紋（wén）進行了相同吃刀量(0.3mm)、不（bú）同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的（de）研究發現：當進（jìn）給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺（luó）紋表麵都會產生顫紋；而在中（zhōng）間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此，在進行特殊螺紋接頭加工時（shí），應當結合加工樣品（pǐn）的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出（chū）合理的車削速度，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的產（chǎn）生幾率。吃刀量太大時，刀具受（shòu）到的切削阻力（lì）大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品（pǐn）的接觸麵積逐漸增大（dà），螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大的切削載荷，從而引起刀（dāo）片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影響（xiǎng）螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速較高時（shí），刀具以一定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引（yǐn）起顫紋，同時（shí）吃刀量太小也會導致加（jiā）工效率大幅降低，影響（xiǎng）製（zhì）造（zào）廠家的經濟效益。

2 避（bì）免顫紋產生的辦法（fǎ）

選擇合理的（de）車削方式，可以有效改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為螺（luó）紋車削常見進刀方式示意圖（tú）。徑向進刀的特點為各刀刃同時（shí）工作，排屑困難（nán），切（qiē）削力較大，容易紮刀、振（zhèn）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（hé）於小齒形小螺距的螺（luó）紋或脆性材料的螺紋加（jiā）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（jiào）大，牙型精度差，螺（luó）紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切（qiē）削（xuē）一側的刀刃磨（mó）損大；改進型側向進刀則可避免斜向進刀刀刃（rèn）磨損大和工件表麵粗糙度大的問題；交互式進刀切削（xuē）時，兩側刀刃磨（mó）損均勻，較適（shì）用於加工大螺距螺（luó）紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可采用改進型側向進刀（dāo）或交互（hù）式（shì）進刀方式，以實現單刀（dāo）刃或雙刀刃切削，避免（miǎn）3個刀刃（rèn）同（tóng）時工（gōng）作，減小振動出現的機率，避免顫紋（wén）的（de）發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象，不（bú）僅（jǐn）影響特殊螺紋接頭（tóu）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)車床、加工樣品以及刀具（jù）本身（shēn）的剛性不足是引起顫紋的主要因素，應當（dāng）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（xiē）減振防（fáng）顫的（de）工裝（zhuāng）或工藝；

(2)試樣裝（zhuāng）夾不規範（fàn）、刀具（jù）安裝不（bú）合理也是引起（qǐ）顫紋的因素之一，生產廠家應建（jiàn）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（qíng）況進行檢查；

(3)根據加工樣（yàng）品的鋼級、尺寸等情況（kuàng），製定合理的加（jiā）工工藝參數及加工方（fāng）式，有效（xiào）控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產生。