​數控車（chē）床加工特殊螺（luó）紋接頭產生顫紋的（de）原因

特殊螺紋接頭是針對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（zú）而專門設計的具有可靠連接（jiē）強度和良好密封性能的專用油套管接頭，其結構設（shè）計特點決定了（le）它良好的使用性（xìng）能和加工精度。隨著我國（guó）石油勘探水平不斷提高，深（shēn）井、超深井、熱采井以（yǐ）及高溫（wēn）高壓氣井的數（shù）量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控（kòng）製要求越來越高。目前，國內生產特殊螺紋（wén）接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車床（chuáng），就是為了更好（hǎo）地（dì）控製特殊螺（luó）紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊螺紋接（jiē）頭（tóu）加工過程中常見的加工缺陷，直接影響到特殊（shū）螺紋接頭的使用性能和產品質量。本文結合特（tè）殊螺紋接頭的加工（gōng）特點，總結了特殊螺紋接頭加工過（guò）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（zhì）提供了一定參考。

1 顫紋（wén）產生（shēng）的原因

(1)加工試（shì）樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊（shū）螺（luó）紋接頭加工過程中（zhōng），顫紋（wén）常見於螺紋車削階段。特殊（shū）螺紋加工的螺紋成型麵（miàn）是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好的（de）加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進（jìn）給量的影響。但如果加工剛性較差的薄壁管（guǎn）或者刀具、車床剛性（xìng）不足，就會在加工過（guò）程中發生振動，從（cóng）而在螺紋加工表（biǎo）麵產生顫紋。

在剛性（xìng）較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（de）設計（jì）長度、車床的加工特點和刀具裝（zhuāng）夾方式，確定合理的（de）管體懸出長度(見（jiàn）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（háng）外螺紋加工時（shí），可根據管體幾何尺寸，設計管體內支撐和輥道（dào）上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低顫紋的產（chǎn）生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避免加工過程中產生顫紋，要求在設計時根據加工管體的材料和（hé）特殊螺紋接頭的結構設計特點，製定合理的刀具（jù）設計方案，特別是設（shè）計內（nèi）螺紋刀杆時，應注（zhù）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（kǒng）小且長的內螺紋時，盡量（liàng）選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆是為（wéi）了解決加（jiā）工孔（kǒng）小行程長的內螺紋專（zhuān）門設計的，一（yī）般懸出長度控製在刀杆直（zhí）徑的（de）3-4倍。另外，選擇適當的刀（dāo）具材料和熱處理工藝也（yě）很重要，合理的刀具材（cái）料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛（gāng）性較好、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接頭加工的質量，防止加工（gōng）過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方（fāng）式不合理

除（chú）了車床、刀具以及管體本身（shēn）的（de）剛性不足（zú），加工試樣的裝夾方式也是導致顫紋出現的主要原因，例如夾（jiá）持壓（yā）力（lì）不合理或夾（jiá）具卡爪尺寸不（bú）合適等都（dōu）會造（zào）成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中，試樣（yàng）會（huì）發生位（wèi）置移動（dòng），導致顫紋（wén）產生；如（rú）果夾持壓力過高，接頭毛（máo）坯在夾緊時（shí）有較大的不均勻彈性變形，盡（jìn）管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開（kāi）後（hòu），接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接（jiē）頭的（de）密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過（guò）盈的地方產（chǎn）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（cǐ）外，卡爪尺（chǐ）寸不合（hé）適，不能與加工試樣的外表（biǎo）麵完美貼合，勢（shì）必會（huì）影響夾持的穩定性。當夾持穩（wěn）定性降低到一（yī）定程度時，便會在加工過程出現樣品移（yí）動，產生顫紋（wén）。

油套管螺紋的加工是一個長期總結經驗（yàn）的（de）過程，其加工時（shí）的夾持壓力就（jiù）是一個重（chóng）要的數據經驗積累，主要根（gēn）據（jù）加工（gōng）樣品（pǐn）的尺寸、鋼級以及車床本身的（de）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（zài）加工過程中的移動，同時把樣品變形控製在彈性範圍（wéi）內，這樣既可以有效消除加工顫紋，還可以保（bǎo）證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的（de）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專門設計。目前，常見的有平麵卡爪和（hé）圓弧包爪。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（biǎo）麵之間的夾持力，防（fáng）止加（jiā）工樣品的移動，但會（huì）導致樣（yàng）品受力不均，使（shǐ）樣品加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持（chí）方（fāng）式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻，加工後的（de）樣品尺（chǐ）寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異動，產（chǎn）生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時（shí），應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設（shè）計成平頂齒狀或設置多個（gè）凹槽(見圖3)，以增加其（qí）摩擦力。同時，圓弧（hú）包爪的圓弧直徑應盡量與加工樣品外徑（jìng）相匹配，最好在加工前根（gēn）據（jù）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（yuán）弧直徑相差太大而（ér）在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小可能會導致夾持力（lì）不足，太大（dà）則會造成裝（zhuāng）夾過程中（zhōng）卡爪之間的（de）相互幹涉，導致樣品夾持（chí）不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過程中（zhōng），盡量選擇與加（jiā）工樣品外（wài）徑匹配的大摩擦力圓弧包爪（zhǎo），包裹角（jiǎo）度應達到整個（gè）樣品圓周的中上水平，這樣不僅可以保證樣品的加（jiā）工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出（chū）現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤差大或緊固裝置（zhì）設計不合理以及不（bú）規範安裝都會導致樣品加工（gōng）時（shí）產生顫紋。同時，刀杆安（ān）裝時，刀尖與車床主軸回轉中心(車床中心（xīn）高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原因之一（yī）。

刀片、刀墊以及相關配件的質量情況直接決定了樣品的加工（gōng）質量（liàng），質量（liàng）差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好（hǎo）地相互配合，會產生間隙，還（hái）有可能存（cún）在加工尺寸（cùn）與（yǔ）設（shè）計方案有出入以及（jí）刀具（jù）鈍化，這（zhè）些都會導致顫紋產生。因（yīn）此，在（zài）特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業（yè）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，都會導致加工過（guò）程中（zhōng）顫紋的出現。因此，安裝（zhuāng）新的（de）刀片、刀墊時，應按照操作規範進（jìn）行安（ān）裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或是（shì）夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以（yǐ）防止產生顫紋。刀片、刀墊緊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（fù）的專業刀（dāo）片、刀墊製造（zào）廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降（jiàng）低加工過程中產生顫紋的（de）可能性。

刀杆安裝不（bú）規範、刀尖（jiān）與車床中心高距離相差大，會導（dǎo）致刀具在車削時的（de）刀具（jù）角度和理想角度偏差太大，刀具（jù）受力不在最（zuì）佳狀態，從而（ér）導致樣品加工過程中（zhōng）產生振動（dòng），出現顫紋。因此，在（zài）進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離相（xiàng）差太大。很（hěn）多國外（wài）的專業（yè）刀具廠家會配套專用（yòng）的（de）對刀器來確（què）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，可用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵車削，找到棒（bàng）料的圓心，並留下一個小圓錐台，將需（xū）要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的高（gāo）度上即可最終確定刀（dāo）具安裝角度(見圖4)。通常是（shì）通過目測來判斷刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心是否共線，因此會存在一（yī）定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸（zhóu）回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加（jiā）工顫紋的產生。

(4)加工參（cān）數（shù）及（jí）方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工（gōng）工藝是決定特（tè）殊螺紋接頭質量的重要影響因素，不同的吃刀量、車削（xuē）速度等都會導致樣品加工（gōng）質量上的差異（yì）。此外，加工方式的選擇也需要根據（jù）加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應（yīng）不同的加工工藝及加工方式，才能有效降低（dī）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螺紋或改良的偏梯螺紋，因此（cǐ），該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對油（yóu）管外螺紋進行了相同吃刀（dāo）量(0.3mm)、不同車削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當進給速度過快(120m/min)或過慢（màn）(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫（chàn）紋；而在中間速（sù）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，應當結合加工樣（yàng）品的鋼級、尺寸及結構（gòu）情況，摸索出合理的（de）車削速（sù）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生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣（yàng）品的接觸麵積逐漸增大，螺紋（wén）車削即將完成時，刀片會承受（shòu）非常大的切削載荷，從而（ér）引起刀片出（chū）現輕微顫動或崩刀，產生顫（chàn）紋，影響螺紋的表麵質（zhì）量。吃刀量（liàng）過小（xiǎo）、轉速（sù）較高時，刀具以一定進（jìn）給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致（zhì）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（zào）廠家的經（jīng）濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削（xuē）方式，可（kě）以有效改善螺紋的表（biǎo）麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為（wéi）螺紋車削常（cháng）見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點（diǎn）為各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較（jiào）大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙型精度較高，一（yī）般適合（hé）於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易（yì）紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切削（xuē）力較（jiào）小（xiǎo），但背（bèi）吃刀量（liàng）較大，牙型精度差，螺紋表（biǎo）麵粗糙度較大，易出（chū）現顫紋，而（ér）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向進刀刀刃磨損大和（hé）工件表麵粗糙度大的問題；交互式進刀切削時（shí），兩側刀刃磨損（sǔn）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（dāo）方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削，避免3個刀刃同時工作，減小振動出（chū）現的（de）機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生產加工過程（chéng）中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表（biǎo）麵質量（liàng），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（jiā）工樣品以及（jí）刀具（jù）本（běn）身的剛性不足是引起（qǐ）顫紋的主（zhǔ）要因素，應當選擇剛性（xìng）高的刀具和車床，同（tóng）時根據加工管體的實際情況，適當設計或增加一些減振防顫（chàn）的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不（bú）規（guī）範、刀具安（ān）裝不（bú）合理也是引起（qǐ）顫紋的因素之一，生產廠家應建立（lì）相應的試（shì）樣裝（zhuāng）夾、刀具（jù）安裝的管理文件，定期對樣品裝夾和（hé）刀具安裝情況進（jìn）行檢（jiǎn）查；

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