​數控車床加工特殊螺紋接頭產（chǎn）生顫紋（wén）的（de）原（yuán）因及對策

特殊螺（luó）紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控製難、接頭應力水平高等不足而專門設計的（de）具有可靠連接（jiē）強（qiáng）度（dù）和良好密封性能的專用油套管接頭（tóu），其結構設計特點決定了它（tā）良好（hǎo）的使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不（bú）斷（duàn）提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井（jǐng）的數量逐年增加，對特（tè）殊螺紋接頭（tóu）的（de）性能及質量控製要求越來越高。目前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車（chē）床，就是（shì）為了更好地控製特殊（shū）螺紋接頭的產（chǎn）品質量（liàng）。

顫紋是特殊螺紋接頭（tóu）加工過程（chéng）中常見的加工缺陷，直接影響（xiǎng）到特殊（shū）螺紋接頭的使用（yòng）性（xìng）能（néng）和產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工（gōng）特點（diǎn），總結了（le）特（tè）殊螺（luó）紋接頭加工（gōng）過程中顫紋產生的原因（yīn）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（jiā）工試樣、刀具或車床本（běn）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。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲（huò）得的，理論上會（huì）保持較（jiào）好的加工（gōng）表麵光潔度，而不會（huì）像（xiàng）普通車（chē）削加（jiā）工那樣受（shòu）進（jìn）給量的影響。但如果加工剛（gāng）性較差的薄壁（bì）管或者刀具、車床剛（gāng）性（xìng）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（jiào）差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計長度、車（chē）床（chuáng）的加工特點和刀具裝夾方式，確定（dìng）合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工時，可根據（jù）管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動（dòng）支撐輥（gǔn）(見圖2)，這樣（yàng）可以（yǐ）更有效地降低顫紋（wén）的產生。

特殊螺紋加工時的（de）進給量遠大於普通車削，因此（cǐ）刀具會承受非常大的車削（xuē）力。為有效避免加工過程中產生顫紋，要求在設計時根據加（jiā）工（gōng）管體的材料和特殊螺紋接頭的結構設計特點，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（jìng）和（hé）懸出長度的關係。一般懸出（chū）長度控製在刀（dāo）杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內孔小且長的（de）內螺紋時，盡量選擇專業（yè）刀（dāo）具廠家生產的（de）專（zhuān）用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工孔小行程長（zhǎng）的內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在刀杆（gǎn）直徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和（hé）熱處理工藝（yì）也很重要，合理的刀具材料（liào）和熱處理工藝可以有效地保證刀具（jù）的剛性。盡量（liàng）選擇剛性較好、適合（hé）重車削的數控（kòng）車床。剛（gāng）性好的車床可以更有效地控製特殊螺（luó）紋（wén）接頭加工的質量，防止加工過（guò）程（chéng）中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除了車床（chuáng）、刀具以及管體本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋出現的主要（yào）原因，例如（rú）夾（jiá）持（chí）壓力不（bú）合理或夾具卡爪尺寸（cùn）不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓（yā）力過低，在螺（luó）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（guò）高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性（xìng）變形，盡管切（qiē）削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開（kāi）後，接頭彈性恢複，導（dǎo）致樣品橢圓度（dù）超差。特殊螺紋接頭的密封性能主（zhǔ）要靠（kào）金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地方（fāng）產生間（jiān）隙或更大的過盈量，使特殊螺紋（wén）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（shì）樣的外表麵完美貼合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度時，便會在加工過程（chéng）出現（xiàn）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（guò）程，其加（jiā）工時的夾持壓力（lì）就是一個重要的數據經驗積累，主要根據加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長（zhǎng）期摸索總（zǒng）結而來。合（hé）理的（de）夾持壓力可（kě）以消除樣品在加工過（guò）程中的（de）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度。

同樣，卡爪的設計也要結合需要加工樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點（diǎn）專門設計。目前，常見的有平麵卡爪（zhǎo）和圓弧包爪（zhǎo）。平麵卡（kǎ）爪的夾持形式為點線接觸，這種夾持方式接觸麵積小，可以有效增加卡爪和樣品表麵之間的夾持力，防止加工樣品的移動，但會（huì）導致樣品受力不均，使樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時（shí）接（jiē）觸麵積大，受力（lì）均勻，加工後的樣品（pǐn）尺寸好，橢圓（yuán）度佳，但加工時相對容易出現（xiàn）異（yì）動，產生顫紋。因此，在加工特殊螺（luó）紋接頭時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣（yàng）品接觸的工作麵應當設計成平（píng）頂齒（chǐ）狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩（mó）擦力。同時，圓弧包（bāo）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（gēn）據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包（bāo）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（fā）生樣品移（yí）動、產生顫紋。還需注（zhù）意包裹角度（dù）的設計（jì），太小可能會導致夾（jiá）持力（lì）不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪（zhǎo）之間的相互幹涉（shè），導致（zhì）樣品夾持不緊，產生顫（chàn）紋（wén）。因（yīn）此，在特殊螺紋的（de）加工過程中，盡（jìn）量選擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓（yuán）弧包（bāo）爪（zhǎo），包裹角度應達（dá）到（dào）整個樣品圓周的中上水平，這樣不僅可（kě）以保（bǎo）證（zhèng）樣品的加工尺寸，同時還能有效（xiào）降低加工過程（chéng）中顫紋的出現幾率。

(3)刀（dāo）具（jù）加工質量差或安裝（zhuāng）不規範

刀片（piàn）、刀（dāo）墊本身加工質（zhì）量（liàng）參差不齊、誤（wù）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工時產生顫紋（wén）。同時，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（chà）較大也是產生顫紋的重要原（yuán）因之一。

刀片（piàn）、刀墊以及相（xiàng）關配件的質量情況直接決定了樣品的加工質量，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，還有可能（néng）存在加工尺寸與設計方案有出入以（yǐ）及（jí）刀具鈍化，這些都會導致顫（chàn）紋產（chǎn）生。因（yīn）此（cǐ），在特殊螺紋接頭加工時（shí），應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都（dōu）會導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝（zhuāng）新的刀（dāo）片、刀墊時，應按照操（cāo）作規範進（jìn）行安裝。在加工過（guò）程中，也要定期檢（jiǎn）查刀片、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（chǎn）生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性也是（shì）影響顫（chàn）紋（wén）出現的重要原因之一，應盡量選擇經驗豐富的（de）專業刀片、刀（dāo）墊製造廠（chǎng）家或使（shǐ）用較為成熟的（de）刀（dāo）片（piàn）、刀墊緊固設計方案，以降低加工（gōng）過程中產生顫紋的可能性。

刀杆安（ān）裝不規範、刀尖（jiān）與車床（chuáng）中心高距離相差大，會（huì）導致刀具在車削時的刀具角度和理想（xiǎng）角度偏差太大，刀（dāo）具受力不在最佳狀態，從而導致樣品加工過程中產生振動，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝（zhuāng）的角度，避免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外的專業刀具（jù）廠（chǎng）家會配（pèi）套專用的對刀器來確定刀具的安裝角（jiǎo）度。國產刀（dāo）具一般不配套對刀器，在確定刀具安裝角（jiǎo）度時，可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端（duān）麵車削，找到棒料的圓心，並（bìng）留下一個小圓錐（zhuī）台，將需要安裝的刀具刀尖調（diào）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車（chē）床主（zhǔ）軸回轉中（zhōng）心是否共線，因此會存在一定誤差。根據經驗（yàn），刀尖與車床主軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內（nèi），可以有效減少加工顫紋的產生。

(4)加工參（cān）數及方式選取不當（dāng）

特殊螺紋（wén）接頭的加工工藝是（shì）決定特殊螺紋接頭質量（liàng）的重（chóng）要影響因素，不同的吃刀量、車削速度等都會導致樣品加工質量上的差異。此外，加工（gōng）方式的選擇（zé）也（yě）需要根據加工樣品的（de）鋼級、尺寸等情況來定。不（bú）同（tóng）的鋼級、尺寸對應不（bú）同的加工工藝及加工方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾（jǐ）率（lǜ）。

特殊螺（luó）紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋（wén），因此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同（tóng）吃刀量(0.3mm)、不同車削（xuē）速度(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（wén）表麵都會產生顫紋；而在中間速度(80m/min和（hé）100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此（cǐ），在（zài）進行特殊螺紋接頭加工時（shí），應當結合加工樣品的鋼（gāng）級、尺寸及結構情況，摸索出合理的車削速度，以避免產生顫紋。另外，合理的吃刀量（liàng）分配也可大幅降低螺紋車削過程中顫紋的（de）產生幾率。吃刀量太大（dà）時，刀具受到（dào）的切削阻力大。隨著螺（luó）紋（wén）深度的增（zēng）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）片會承受非常大（dà）的切削載荷，從而（ér）引起刀片出現輕微顫（chàn）動或（huò）崩刀，產生顫紋，影響螺（luó）紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速（sù）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（dāo）片，導（dǎo）致刀片在車削過（guò）程中產生顫動，引（yǐn）起顫紋，同時吃刀量太小也會導致（zhì）加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生（shēng）的辦（bàn）法

選擇合理的車削（xuē）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為螺紋車削常見進刀（dāo）方式示（shì）意圖。徑向（xiàng）進刀的（de）特點為各刀（dāo）刃同時工作，排屑困難，切削力較（jiào）大，容（róng）易紮刀、振動、刀（dāo）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（cuì）性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易（yì）紮刀，單刃切削，排（pái）鐵屑（xiè）順（shùn）暢，切削力（lì）較小，但背吃刀量較（jiào）大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙（cāo）度較（jiào）大，易出現顫（chàn）紋，而且不參與切削一側的刀（dāo）刃磨（mó）損大；改進型側向（xiàng）進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損（sǔn）大（dà）和工件表麵粗糙度（dù）大的問題；交互（hù）式進刀切削時（shí），兩（liǎng）側（cè）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式進刀方式，以（yǐ）實現單刀刃或雙（shuāng）刀刃切削，避免3個刀刃同時工作，減小（xiǎo）振動出現的機率，避免顫紋的發生。

小結

顫（chàn）紋是特殊（shū）螺紋接頭生產加工過程中普遍存在（zài）的現象，不僅（jǐn）影響特殊螺紋（wén）接（jiē）頭的表麵質量，還會導致特殊螺（luó）紋接（jiē）頭的各項性能惡化，因此，加（jiā）工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加工樣品以及刀具本身的剛性不足是引（yǐn）起顫紋的（de）主要（yào）因素，應當選擇剛性（xìng）高的刀具（jù）和（hé）車床（chuáng），同時根據加工管體（tǐ）的實際情況，適當設計（jì）或增加一（yī）些減振防顫的工裝或工藝（yì）；

(2)試樣裝夾（jiá）不規範、刀具安裝不（bú）合理也是（shì）引起顫紋的因（yīn）素之（zhī）一，生產廠（chǎng）家應建立相應的試樣裝夾、刀具（jù）安裝的管（guǎn）理文（wén）件，定期（qī）對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；

(3)根（gēn）據加工樣品的鋼級、尺寸等情況，製定合理的（de）加工工藝參（cān）數及加工方式，有效控製（zhì）特（tè）殊螺紋（wén）接頭加（jiā）工過程中顫紋的產生。