數控車床加工特（tè）殊螺紋接（jiē）頭產（chǎn）生顫紋的原因（yīn）及（jí）對策（cè）

特殊螺紋接頭是針對API螺紋（wén）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具有可靠連接（jiē）強度和良好密封性能（néng）的專用油套管接頭，其結構設計特點決定了它良好的（de）使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平不斷提高，深井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能（néng）及（jí）質量控製要求（qiú）越來越高（gāo）。目前，國內生產特殊螺（luó）紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控（kòng）車（chē）床，就是（shì）為了更好（hǎo）地（dì）控製特殊螺（luó）紋接頭的產品質量。

顫（chàn）紋是特殊螺紋接頭加工過程中常見的加工缺陷，直接影響到（dào）特殊螺紋接頭的使用性能和產品質量。本文結合特殊螺（luó）紋接頭的加工特點，總結（jié）了特殊（shū）螺紋接頭加工（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（tí）供了一（yī）定參考。

1 顫紋（wén）產生的原因

(1)加工試樣、刀具（jù）或車床本身剛性不（bú）足

特殊螺紋（wén）接頭加工過程中，顫紋常（cháng）見於螺（luó）紋（wén）車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加（jiā）工獲得的，理論上會（huì）保（bǎo）持較好的加工表麵光潔度（dù），而（ér）不會像普通車削加工那樣受進（jìn）給量的影響。但如果（guǒ）加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會（huì）在加工過程中發生振（zhèn）動，從而在螺紋（wén）加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的（de）薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生（shēng），可以根據螺紋的設計長度、車（chē）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（jiàn）圖1)，以避（bì）免管體（tǐ）懸出過長、管頭擺動造成加工顫（chàn）紋的產生（shēng）。此外，在進行外螺紋加工時，可根據管體幾何（hé）尺寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以（yǐ）更有效地降低（dī）顫紋的產生。

特殊螺紋（wén）加工時的進給量遠大於普通車削（xuē），因此刀（dāo）具會承受非常（cháng）大的車削力。為（wéi）有效避免加工過程中產（chǎn）生顫紋，要求在設計時根（gēn）據加工管體的材料和特殊螺紋接頭的結構設計（jì）特點，製定合理的刀具設計方案，特別是（shì）設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長（zhǎng）度的關（guān）係。一般懸出（chū）長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工（gōng）內孔小且長的內螺（luó）紋時，盡量選擇專業刀具（jù）廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆是為了解決加工孔小行程長的內螺（luó）紋專門設計的，一般懸出（chū）長度控製在（zài）刀杆直徑的3-4倍。另外，選（xuǎn）擇適當（dāng）的刀具材料和（hé）熱處理工藝也（yě）很重要，合理的刀具材料和（hé）熱處理工藝可以（yǐ）有效地保證刀具的剛（gāng）性（xìng）。盡量選擇剛性較好、適合重（chóng）車削的（de）數控車床。剛性好的車床（chuáng）可以更有效地控製特殊（shū）螺紋接頭加工的質量，防止加工（gōng）過程中出（chū）現顫紋。

(2)加（jiā）工試樣的裝夾方式不（bú）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（jiá）方式也是導致顫紋出現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不（bú）合適等都會造成顫紋。如（rú）果夾持壓力過低，在螺紋加工過程（chéng）中，試樣會發生位置移動（dòng），導致顫（chàn）紋產生；如果（guǒ）夾持（chí）壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不（bú）均勻彈性變形，盡管切削時接頭（tóu）內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後（hòu），接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過盈來實（shí）現，當橢圓度超差時，會在原本過盈（yíng）的地方產生（shēng）間隙或更大的過盈量，使特殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工試樣的外表（biǎo）麵完美貼合，勢必會影響夾持的穩定性（xìng）。當（dāng）夾持（chí）穩定性降低到一定程度時（shí），便（biàn）會在加（jiā）工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的加工是一個長期總結經驗的過程，其（qí）加工時（shí）的夾持壓力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期（qī）摸索總結而（ér）來。合理的夾持壓力可以（yǐ）消除樣品在加工過程中的移動，同時把樣（yàng）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（zhèng）特殊（shū）螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要結合需（xū）要加工樣（yàng）品（pǐn）的尺寸、鋼級並結合車床（chuáng）的特點專門設計。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形（xíng）式（shì）為點線接（jiē）觸，這種夾持方式接觸麵積小，可以有（yǒu）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（yàng）品加工後的尺寸或橢圓（yuán）度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工（gōng）時接觸麵積大，受力（lì）均勻，加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但（dàn）加工時相（xiàng）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（bāo）爪與樣品接觸（chù）的（de）工作麵應當設計成平頂（dǐng）齒狀（zhuàng）或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力（lì）。同時，圓弧包爪的圓弧直（zhí）徑應（yīng）盡量與加工樣品外徑相匹配，最好在加工前（qián）根據加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包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生樣品移動、產生顫紋。還（hái）需注（zhù）意包裹角度的設計，太小（xiǎo）可能會導致夾持力不足（zú），太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導致樣（yàng）品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊（shū）螺紋的加工過程中，盡量選擇與加工樣品外徑匹（pǐ）配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角（jiǎo）度應達到整個（gè）樣品圓周的中（zhōng）上水平，這樣不僅可以保證樣品（pǐn）的（de）加工尺寸，同（tóng）時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀（dāo）具加工質（zhì）量差或安裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量參差不齊、誤（wù）差大或緊（jǐn）固裝（zhuāng）置設計不合（hé）理以及不規範安裝都會導致樣品加（jiā）工時產生顫紋。同時（shí），刀杆安裝時（shí），刀（dāo）尖與車床主軸（zhóu）回轉中心(車床中心高)距離相差較（jiào）大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片（piàn）、刀墊以（yǐ）及相（xiàng）關配件的（de）質量情況直接決定了樣品的加工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互配合，會產生間（jiān）隙，還有可能存在加工（gōng）尺寸與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會（huì）導致顫紋產生。因此，在（zài）特（tè）殊（shū）螺紋（wén）接頭加工時，應選擇質量（liàng）可（kě）靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規（guī）範（fàn）、裝夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中（zhōng）顫紋的出現。因此（cǐ），安（ān）裝（zhuāng）新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在（zài）加工（gōng）過程中，也要定期檢（jiǎn）查刀片、刀墊是否（fǒu）鬆動或是夾入鐵屑，如（rú）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（shè）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（zhuān）業刀片（piàn）、刀墊製造廠家或使用（yòng）較為成熟的刀片、刀墊緊（jǐn）固設計方案，以降低加工（gōng）過（guò）程（chéng）中產生顫紋的可（kě）能性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床中心高距離相差大，會導致刀具在車削時的刀（dāo）具角度和（hé）理想角度偏差太大（dà），刀具受力不在最佳狀態（tài），從而導致樣品加（jiā）工過程中產生振動，出現顫紋。因（yīn）此（cǐ），在進行（háng）刀具對（duì）刀時，一（yī）定要注意刀具安裝的角度，避免（miǎn）刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國外的專業刀（dāo）具廠家會配套專（zhuān）用的對（duì）刀器來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般（bān）不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基準（zhǔn）刀對拔外皮後實心棒（bàng）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，將需要安裝的（de）刀具刀尖調整到小圓錐（zhuī）台軸線的高（gāo）度上（shàng）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床主軸回轉中心是否共線，因此會存在一定誤差。根據經驗，刀（dāo）尖（jiān）與（yǔ）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的產生（shēng）。

(4)加工參數及（jí）方式選取不（bú）當

特殊螺紋接頭的加工工藝是決（jué）定特殊螺（luó）紋接頭質量的重要影響因（yīn）素，不同的吃刀量、車削速度等都會導致樣品加工質量上（shàng）的差異。此外，加工方式的選擇也需（xū）要根據加工樣品的鋼級、尺寸等（děng）情況來定。不（bú）同的鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加（jiā）工方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾率。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯（tī）螺紋或（huò）改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋（wén）的車削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀量（liàng）(0.3mm)、不同車削速度（dù）(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究發現：當（dāng）進給速度過（guò）快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都（dōu）會產生顫紋；而在中間（jiān）速度(80m/min和100m/min)加工（gōng）時，螺紋表麵完（wán）好。因此，在進行特殊螺紋（wén）接頭加工時，應當結合加工樣品的鋼級（jí）、尺寸及（jí）結構情況，摸索出合理的車削速度，以（yǐ）避（bì）免產生顫（chàn）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（dà）時，刀具受到的切削阻力大。隨著（zhe）螺紋（wén）深度的增加，刀（dāo）片與樣品的（de）接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常（cháng）大的切削載荷，從而引起刀片出現輕微顫動或崩刀（dāo），產生顫紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉速較（jiào）高時，刀具以一定進（jìn）給速度（dù）前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片（piàn），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（gōng）效率大幅降低，影響製造（zào）廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合（hé）理的車削方式，可以有效（xiào）改善螺紋的表麵質量並提高刀具的使用壽命。圖5為（wéi）螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀（dāo）刃同時工作，排屑困難（nán），切削力較大，容易紮（zhā）刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙型精度（dù）較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側（cè）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（xiǎo），但背吃刀量較大，牙型精度（dù）差，螺紋表麵粗糙度較（jiào）大，易出（chū）現顫紋，而且不參與切削一側的刀刃磨（mó）損大（dà）；改進型側向進刀則（zé）可避免（miǎn）斜向（xiàng）進刀刀（dāo）刃磨損大和工件表麵粗糙度（dù）大（dà）的問題；交互式進刀切削時（shí），兩（liǎng）側刀刃磨（mó）損均勻，較適用於加工大螺（luó）距螺紋。因此，對於（yú）特殊螺紋（wén）的（de）車削，可采用改進（jìn）型側向進刀或交互式（shì）進刀（dāo）方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削，避免（miǎn）3個刀刃同時工作，減小振（zhèn）動出現的機（jī）率，避免顫（chàn）紋（wén）的發生。

小（xiǎo）結

顫紋（wén）是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特（tè）殊螺（luó）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（gōng）過程（chéng）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（bú）足是引起（qǐ）顫紋（wén）的主要因素，應當選（xuǎn）擇（zé）剛性高的刀具和車床，同時根據加工（gōng）管體的實際情況，適當設計或增加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不（bú）規範、刀具（jù）安裝不合理也是引起顫（chàn）紋的因素之一，生產廠家應建立相（xiàng）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（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工過程中顫紋的產生。