​數控車床加工特殊螺紋接頭產生顫（chàn）紋的原因及（jí）對策

特殊螺紋接（jiē）頭是針對API螺（luó）紋接頭密封（fēng）性能差、上扣控製難、接頭應力水平高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（zhuān）用油套管接頭，其（qí）結構設計特點決定了它（tā）良好的使用性能和加（jiā）工精（jīng）度。隨著我國石油勘探水平（píng）不斷提高，深井、超深（shēn）井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加（jiā），對特（tè）殊螺紋接頭的性能及質量（liàng）控製要求越來越高。目（mù）前，國內（nèi）生（shēng）產特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數（shù）控（kòng）車床（chuáng），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（chéng）中常見的加工缺陷，直接影響到特殊螺紋接頭的使用性能和產品（pǐn）質量。本文結合特殊（shū）螺紋接頭的加工特點，總結（jié）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（jù）或車床（chuáng）本身剛性不足

特（tè）殊螺紋（wén）接頭加工過程中，顫紋常見於（yú）螺紋車削（xuē）階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工（gōng）獲得的，理論上會保（bǎo）持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣（yàng）受進給（gěi）量的影響。但如果（guǒ）加工剛（gāng）性較差的薄壁管或者刀（dāo）具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生振動（dòng），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（luó）紋加工（gōng）時，為避免加工顫紋的產（chǎn）生，可以根據螺（luó）紋的設（shè）計長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過（guò）長、管頭擺動造成加工顫（chàn）紋的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可根據管體幾何尺寸，設計管體內支（zhī）撐和輥道（dào）上的浮動支撐輥(見圖2)，這（zhè）樣可以（yǐ）更有效（xiào）地降低顫紋的產生。

特殊螺（luó）紋加工時的進給量遠大於普（pǔ）通車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為（wéi）有（yǒu）效（xiào）避免加工過程中產生顫紋，要（yào）求在設計時根據加工管體的材料和特殊螺紋接（jiē）頭的結構設計特點（diǎn），製定合理的刀具設計方案，特別是設計內螺（luó）紋刀杆時，應注意（yì）刀杆直徑和懸出長度（dù）的關係。一般懸出長度控製（zhì）在刀杆直徑的1.5-2倍為（wéi）宜（yí），如果需要加工內孔小且長的內螺紋（wén）時，盡量選擇專業刀具廠家生（shēng）產的專用防（fáng）振（zhèn）刀杆。這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（dù）控製在刀杆直徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和熱處理（lǐ）工藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好（hǎo）、適合重車削的數控車床。剛性好的車（chē）床可以更有效地控製特殊螺紋（wén）接頭加工（gōng）的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣（yàng）的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及管體本身（shēn）的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋（wén）出現的主要原因，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）果夾持壓力過低，在（zài）螺（luó）紋加工過程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接（jiē）頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複（fù），導致樣品橢圓度超差。特（tè）殊螺紋接頭的密封性能（néng）主要靠金屬過（guò）盈來實現，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）過盈（yíng）量，使特殊螺紋（wén）接頭泄漏（lòu）或發生粘扣。此外，卡（kǎ）爪尺寸不合適（shì），不能與加工試樣的（de）外表麵完美貼合，勢必會影響夾持的穩（wěn）定性。當夾持穩定性降低到一定程度（dù）時，便會在加工（gōng）過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套（tào）管螺紋的加工是一個長期（qī）總（zǒng）結經驗的過程，其加工時的夾持壓力就是一個重（chóng）要的數據經驗積（jī）累，主要（yào）根據加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點（diǎn）長期摸索總結而來。合理的夾持壓力可以消除樣品（pǐn）在加工過程中（zhōng）的移動，同時把樣品（pǐn）變形控製（zhì）在（zài）彈性範圍內，這樣既可以有效（xiào）消除加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合需（xū）要加工樣品的尺寸、鋼（gāng）級並結合車床的特點專門設（shè）計。目前，常見的有平麵（miàn）卡爪（zhǎo）和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形式為點線（xiàn）接觸，這種夾持方式接觸麵積（jī）小，可以有效增加卡（kǎ）爪（zhǎo）和樣品（pǐn）表麵之間的夾持力，防止加工樣品的移動，但會導致樣品受力不均（jun1），使樣品加（jiā）工後的尺寸或橢（tuǒ）圓度超差。圓弧包爪夾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，但加工時相對容易出現異動，產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與（yǔ）樣品接觸（chù）的工作麵應（yīng）當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增（zēng）加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓（yuán）弧直徑應盡量與加工（gōng）樣品外徑（jìng）相匹配，最好在加工（gōng）前根據加工樣品的外徑（jìng）尺寸，進行（háng）圓弧包爪的工作表麵的鏜（táng）車，以避免圓弧直徑相差太大而（ér）在（zài）加工中發生樣品移動、產生顫紋（wén）。還需注意包裹角度的設計，太小（xiǎo）可（kě）能（néng）會導致夾持（chí）力不足，太（tài）大則會造成裝夾（jiá）過程中卡爪之間的相互幹涉，導致樣品夾（jiá）持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過程中，盡量選擇與（yǔ）加工樣品外徑匹配的（de）大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓周（zhōu）的中上水平，這樣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的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工（gōng）質量參差不齊（qí）、誤差大或緊固裝置設計不合理以及不規範安裝都會導致樣品加（jiā）工時產（chǎn）生顫紋。同（tóng）時，刀杆安裝（zhuāng）時，刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心高)距離相差（chà）較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片（piàn）、刀墊以及（jí）相關配件的質量情況（kuàng）直接決定了樣品（pǐn）的加工質量，質量差的刀片、刀（dāo）墊（diàn）安裝在刀杆（gǎn）上後（hòu），不能很好地相互配合（hé），會產生間隙，還有（yǒu）可（kě）能存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導致（zhì）顫紋（wén）產生。因（yīn）此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的（de）專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或（huò）是在（zài）車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過（guò）程中顫紋的（de）出現。因此，安裝新的刀片、刀墊（diàn）時，應按（àn）照操（cāo）作規範進行安裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片、刀（dāo）墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如有（yǒu）隱患應及時（shí）處理，以防（fáng）止產（chǎn）生顫（chàn）紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性也是影響顫紋（wén）出現的重要原因之一，應盡量選擇經驗豐富的專（zhuān）業刀片、刀墊（diàn）製造廠家或（huò）使用較為成熟的刀片、刀墊緊固（gù）設計方案，以降低加工過程中產生（shēng）顫紋（wén）的可能性。

刀杆安裝不（bú）規範、刀尖（jiān）與車（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理想角度偏差太大（dà），刀具受力不在最佳狀態，從而導致樣品加工過程中產生振動，出現顫（chàn）紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意（yì）刀具安（ān）裝的角度，避免刀（dāo）尖與車床中（zhōng）心高距離相差太（tài）大。很多國外的專業（yè）刀具（jù）廠（chǎng）家會配套專用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不配套對刀器，在（zài）確定刀具安裝（zhuāng）角度時，可用基準（zhǔn）刀對拔外皮後實心棒料進行（háng）平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸（zhóu）線的高度（dù）上即可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是（shì）通過目測（cè）來判斷刀尖與車床主軸回（huí）轉（zhuǎn）中心是否共線，因此會存在（zài）一（yī）定誤差。根據經（jīng）驗，刀（dāo）尖與車床主軸回轉中心（xīn）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（jí）方式選（xuǎn）取不當（dāng）

特殊螺紋（wén）接頭的加工工藝是決定特殊螺紋（wén）接頭質量的重要影響因素，不（bú）同的吃（chī）刀量、車（chē）削速度等都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（pǐn）的（de）鋼級、尺寸等情況來定。不（bú）同的鋼級、尺寸對應不同的（de）加（jiā）工工（gōng）藝及加工方式，才能有（yǒu）效降低加工顫紋出現的幾率。

特殊螺紋接頭的（de）螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良（liáng）的偏梯螺紋（wén），因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺（luó）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：當進給速（sù）度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時（shí），在螺紋表麵（miàn）都會產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋（wén）表麵完好。因此，在進行特殊螺紋接頭加工時（shí），應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索（suǒ）出合理的（de）車（chē）削速度，以避免產生（shēng）顫紋。另外，合（hé）理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車削過程（chéng）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（zhe）螺紋深度的（de）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（dāo）片會承（chéng）受非（fēi）常大的切削載荷，從而引（yǐn）起（qǐ）刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速較高時，刀（dāo）具以一定進給速度前進，被車削的試樣無（wú）法緊壓住（zhù）刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引（yǐn）起顫（chàn）紋，同時吃刀量太小也會（huì）導致加工效率大（dà）幅降（jiàng）低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋（wén）產生的辦法

選擇（zé）合理的車削方式，可以有（yǒu）效改善螺紋的表（biǎo）麵質量並提（tí）高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車（chē）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，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動（dòng）、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙型精度（dù）較高，一般適合於小（xiǎo）齒形小螺距（jù）的螺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（qiē）削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀（dāo）量（liàng）較大，牙型精度差，螺（luó）紋表麵粗糙度較（jiào）大，易（yì）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免斜（xié）向進刀刀刃磨損（sǔn）大和（hé）工件表麵粗糙度（dù）大的問題；交互式（shì）進刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工大螺距螺紋。因此，對於特殊螺紋的車削，可采用改進型側向進刀或交互（hù）式進刀方式，以實現單刀刃（rèn）或雙刀刃切削，避免3個刀刃同時工作，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（tóu）生產加工過程中普遍存在的（de）現象，不僅影響特殊螺紋（wén）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（yīn）此，加工過程中應避免顫紋（wén）的產生。

(1)車床、加工樣品以及刀具（jù）本身（shēn）的剛性（xìng）不（bú）足是引起顫紋的主要因素，應（yīng）當選（xuǎn）擇剛性高的刀具和車床，同（tóng）時根據加（jiā）工管體的實際情況，適當（dāng）設計或增加（jiā）一些減振防顫的（de）工（gōng）裝或工藝；

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

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製（zhì）定合理的加工工藝參數及加工方式，有效控（kòng）製特（tè）殊螺紋接頭加工過程中顫紋的產生。