數控車床（chuáng）加工（gōng）特殊螺紋接頭產生顫紋的原因及對（duì）策

特殊螺紋（wén）接頭是（shì）針對API螺紋接頭密封性能差、上扣（kòu）控製難、接頭（tóu）應力水（shuǐ）平高等（děng）不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好密封（fēng）性能的專用油套（tào）管接頭，其結構設計特點決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我國石油勘探水平（píng）不斷提高，深井、超深井、熱采（cǎi）井以（yǐ）及（jí）高溫高壓（yā）氣井的數量逐年增加（jiā），對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來越高。目前，國內（nèi）生產特殊螺紋接頭的廠家（jiā）大部分都采用進口高精度數控車床（chuáng），就（jiù）是為了（le）更好（hǎo）地控製特殊螺紋接頭的產品質（zhì）量。

顫紋（wén）是特殊（shū）螺紋接頭加工過程中常見的加工缺陷，直接影響到特（tè）殊螺紋（wén）接（jiē）頭（tóu）的使用性能和產（chǎn）品質量。本（běn）文結合特殊螺紋接頭的加工特點，總結了（le）特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中顫紋產（chǎn）生的原因及對（duì）策，為特（tè）殊螺紋接頭的生（shēng）產質量控製提供了一定參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試（shì）樣、刀具或（huò）車床（chuáng）本身剛性不足

特（tè）殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於（yú）螺（luó）紋車削階段。特殊螺（luó）紋加工的（de）螺紋成（chéng）型（xíng）麵是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好的加工（gōng）表麵光潔度，而不會像普通車削加（jiā）工那樣受進給量的影響。但如果加工剛性（xìng）較差的薄壁管或者刀（dāo）具、車床（chuáng）剛性不足，就會在（zài）加工過程（chéng）中（zhōng）發生振動，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）紋加工時，為避免加工顫（chàn）紋的產生，可以根據螺紋的設計長度、車床的加（jiā）工特點和（hé）刀具裝夾方式，確定合理的（de）管體懸出長度(見圖1)，以避免管體（tǐ）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，可根據管體幾何尺寸，設計管（guǎn）體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低（dī）顫紋的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車（chē）削，因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避免加工過程（chéng）中產生顫紋，要求在設計時（shí）根據加工管體的材料和特殊螺紋接頭（tóu）的結構設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別是設計內（nèi）螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸出長度的關係。一般（bān）懸出長度控製在刀杆直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工（gōng）內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專（zhuān）業刀具廠家生產的專用防振刀（dāo）杆。這些刀杆是為了解決加（jiā）工孔小（xiǎo）行程長的內螺紋專門（mén）設計（jì）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工藝也很（hěn）重（chóng）要，合理的刀具材料和熱（rè）處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控（kòng）車床。剛性好的車床可（kě）以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質量，防（fáng）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（lǐ）

除了車（chē）床（chuáng）、刀具以及管體（tǐ）本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也（yě）是導致顫紋出現的（de）主要原因，例（lì）如夾持壓（yā）力不（bú）合理或夾具卡爪尺寸不合（hé）適等都會造成顫紋。如果夾持壓（yā）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（guǒ）夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大（dà）的不均勻彈性變形，盡管切削時接頭內壁可以被車（chē）成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複（fù），導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的（de）密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差時（shí），會在原本過盈的地方產生間隙或更大的過盈量（liàng），使特殊（shū）螺紋（wén）接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與（yǔ）加工試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（dào）一定程度（dù）時，便會在加工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋（wén）的加工是一個長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓力就是一個重要的（de）數據經驗（yàn）積累，主要根據加工樣（yàng）品（pǐn）的尺寸、鋼級以及車床（chuáng）本身的特點長期（qī）摸索（suǒ）總結而來。合理（lǐ）的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中的移動，同（tóng）時把樣品變形控製在彈性範（fàn）圍內，這樣既可以有效消除加工顫（chàn）紋（wén），還（hái）可以保證特殊螺紋的橢圓（yuán）度（dù）。

同樣，卡爪的設計也要結合需要加（jiā）工（gōng）樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點（diǎn）專門設計（jì）。目前，常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪（zhǎo）的夾持形式為點線接觸，這種夾持方式（shì）接觸麵積小（xiǎo），可以有效（xiào）增加（jiā）卡爪和樣品表麵之間的夾持力，防止加工（gōng）樣品（pǐn）的移動，但（dàn）會導致樣品受力（lì）不均（jun1），使樣品（pǐn）加工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持（chí）方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻（yún），加工後的樣品尺寸好，橢（tuǒ）圓度佳，但加工時相對容易出現異動（dòng），產生顫紋。因（yīn）此，在加工特殊螺紋接頭時，應盡量選（xuǎn）擇圓弧包爪，且包（bāo）爪與樣品接（jiē）觸的工作麵應當設計成平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增（zēng）加其摩（mó）擦力（lì）。同時，圓弧包爪（zhǎo）的圓弧直（zhí）徑應盡量與加工樣品外徑相匹（pǐ）配，最（zuì）好在加工前根據加工樣品（pǐn）的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表（biǎo）麵的鏜車，以避免圓弧直徑（jìng）相差太大（dà）而在加工中發（fā）生樣品移動、產生顫（chàn）紋。還需注意包裹角度的設計，太小可能會（huì）導致夾持力（lì）不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相（xiàng）互幹（gàn）涉，導致（zhì）樣品夾持不（bú）緊，產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過（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（yīng）達到整個樣品圓周的中上（shàng）水平，這樣不僅（jǐn）可以保證樣品的加工尺寸，同時還能有（yǒu）效降低加工過程中顫（chàn）紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或安裝不規範

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

刀片、刀墊以（yǐ）及相關配件的質量情況直接決定了樣品的加工質量，質量（liàng）差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不能很好地相互配合，會（huì）產生間（jiān）隙，還有可能存在（zài）加工尺寸與（yǔ）設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺（luó）紋接頭加（jiā）工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外（wài），刀片、刀墊安裝不規範、裝夾不（bú）緊或是在（zài）車削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的出現。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規（guī）範進行安裝。在加工過程（chéng）中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如（rú）有（yǒu）隱（yǐn）患應及時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合理性也是影響顫紋（wén）出（chū）現的重要（yào）原（yuán）因之（zhī）一（yī），應盡量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或使用（yòng）較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程中產生顫紋的可能性。

刀杆（gǎn）安裝不規（guī）範、刀尖與車床中心高距離相差大，會導（dǎo）致刀具（jù）在車（chē）削時的刀具角度和（hé）理想角（jiǎo）度偏差太大，刀（dāo）具（jù）受力不在最佳狀態（tài），從而導致樣品加工過程中產（chǎn）生振動（dòng），出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意（yì）刀具安（ān）裝的角度，避免刀尖與車床中心高距離（lí）相差太大。很多國外的專業（yè）刀具廠家會配套專用（yòng）的對刀器來確定刀具的（de）安裝角度。國產刀具一般不配套對刀器，在（zài）確定刀具安裝角度時，可用基準刀（dāo）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，將需要（yào）安裝的刀具刀尖調整到小（xiǎo）圓錐台軸線的高度上即可最終確定刀具（jù）安裝角（jiǎo）度(見圖4)。通常是通過（guò）目測來判斷刀尖與車床主軸回轉中心是（shì）否共線，因此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主（zhǔ）軸回轉中心（xīn）的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加（jiā）工顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加（jiā）工工（gōng）藝是決定特殊螺紋接（jiē）頭質量的重要影響因素，不（bú）同的吃刀量、車削速度等都會導致樣品加工質（zhì）量上的差異。此外，加工方式的選擇（zé）也需要根據加工樣品的鋼級（jí）、尺寸等情況來定。不同的（de）鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加工方式，才能（néng）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螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車（chē）削。王瀟屹等對油（yóu）管外螺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：當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表（biǎo）麵都會產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完（wán）好。因（yīn）此，在進行特（tè）殊螺（luó）紋接頭加工時，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（xuē）速度，以避免產生顫（chàn）紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋（wén）車削過程中顫（chàn）紋的產生（shēng）幾率。吃刀（dāo）量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品（pǐn）的接觸麵積逐漸（jiàn）增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受（shòu）非常大的切削載（zǎi）荷（hé），從而引起刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的（de）表麵質（zhì）量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以一定進給速度前進（jìn），被車削（xuē）的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在（zài）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（zhì）造廠家的經濟（jì）效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方式，可以有效改善螺紋的表麵質量並提（tí）高刀（dāo）具的使用壽命。圖5為（wéi）螺（luó）紋車削常見進刀方式（shì）示（shì）意圖。徑向進刀的（de）特點為各刀刃同時工（gōng）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（dān），牙型精度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性（xìng）材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不（bú）易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切削力（lì）較小，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與（yǔ）切削（xuē）一（yī）側的刀刃磨損大；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（miàn）粗（cū）糙度大的問題；交互式進刀切削時（shí），兩側刀刃磨損均勻（yún），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（gǎi）進型側向進刀或交互式進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削，避免3個（gè）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（luó）紋接頭生產加工（gōng）過程中普遍存（cún）在的現（xiàn）象（xiàng），不僅影響特殊螺紋接頭的表麵（miàn）質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化（huà），因此，加工過程中應避免顫紋的產生。

(1)車床、加（jiā）工樣品以及刀具（jù）本身的剛性不足是引起顫紋的（de）主要因素，應當選擇（zé）剛性高的刀具（jù）和車床，同時根據加工管體的實際情況（kuàng），適當設計或（huò）增加一些減振（zhèn）防顫的工裝或（huò）工藝；

(2)試（shì）樣裝（zhuāng）夾（jiá）不規範、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、刀（dāo）具安裝的管理文件（jiàn），定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；

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