​數控車床加工特殊（shū）螺紋（wén）接頭（tóu）產生顫紋的原因

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭（tóu）密封性（xìng）能（néng）差、上扣控製難、接頭應力水平高（gāo）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用油套管接（jiē）頭，其結構設（shè）計特點決定了它良好的使用（yòng）性能和加工（gōng）精度。隨著我國石油勘探水平（píng）不斷提高，深井、超深井（jǐng）、熱采井（jǐng）以及（jí）高（gāo）溫高壓氣井的（de）數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製要求越來越（yuè）高。目前，國內生產特殊螺（luó）紋接頭的廠家大部分都采用進（jìn）口高精度數（shù）控車床，就是為了更好地控（kòng）製特殊螺紋接頭的產（chǎn）品質（zhì）量。

顫紋是特殊螺紋（wén）接頭加工過程（chéng）中常見的加工缺陷，直接影響（xiǎng）到特殊（shū）螺（luó）紋接（jiē）頭的使用性能和（hé）產品質量。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點（diǎn），總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋（wén）產（chǎn）生的原因及對策，為特（tè）殊螺（luó）紋接頭的生產（chǎn）質量控製提供了一定參考（kǎo）。

1 顫紋（wén）產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工（gōng）過程中，顫紋常見於（yú）螺紋車削（xuē）階段。特殊（shū）螺紋加（jiā）工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理（lǐ）論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進給量的影（yǐng）響。但如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工過程中發生（shēng）振動，從而在（zài）螺紋（wén）加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄（báo）壁管體上進行螺（luó）紋加工時，為避免加工顫（chàn）紋（wén）的產生，可以根（gēn）據螺（luó）紋的設計長度、車床的加工特點和刀具裝夾（jiá）方式，確定（dìng）合理的管體懸出長（zhǎng）度(見圖1)，以避免管體懸出（chū）過長、管（guǎn）頭擺動造成加工顫紋的產生。此外，在進行外螺紋加工（gōng）時，可根據管體（tǐ）幾何尺寸，設計管體內支撐和輥（gǔn）道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低顫紋的產生。

特殊（shū）螺紋加工時的進給量遠大於普（pǔ）通車削，因此刀具會承受非（fēi）常大的車削力。為有（yǒu）效避免加工過程中產生顫（chàn）紋，要求在設計（jì）時根（gēn）據加工管體的材料和（hé）特殊螺紋（wén）接頭的結構設計特點，製定合理的刀具（jù）設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直（zhí）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（guǒ）需要加工內孔小且長的（de）內螺紋時，盡量選擇專（zhuān）業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀（dāo）杆是為了解決加（jiā）工孔小行程（chéng）長（zhǎng）的內螺紋專門設計（jì）的，一般懸出（chū）長度控製在刀杆直徑的3-4倍（bèi）。另外，選擇適當的刀具材料和（hé）熱處理（lǐ）工藝也很重要（yào），合理的刀具材料和熱（rè）處理工藝可以有效地（dì）保證刀具（jù）的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛性好的車床可以更有效地控製（zhì）特殊螺紋接頭加工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工（gōng）試樣的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以（yǐ）及管體本（běn）身的剛（gāng）性（xìng）不足，加工試樣的裝（zhuāng）夾方（fāng）式也是（shì）導致顫紋出現的主要原（yuán）因，例如夾持壓（yā）力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都（dōu）會造成顫紋。如果（guǒ）夾持壓力過（guò）低，在螺紋加工過程中，試樣會發生位置移動（dòng），導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較（jiào）大的不均（jun1）勻彈性變形（xíng），盡管切（qiē）削時接頭內壁可以被（bèi）車成正圓孔（kǒng），但鬆開後，接頭彈（dàn）性恢複，導致（zhì）樣品橢圓度超差。特殊螺（luó）紋接頭（tóu）的密封（fēng）性能（néng）主要靠金屬過（guò）盈來實現（xiàn），當橢圓度（dù）超差時，會在原本過盈的（de）地方（fāng）產生（shēng）間（jiān）隙或更大的過（guò）盈量，使特（tè）殊螺紋接頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪（zhǎo）尺寸不合適，不能與（yǔ）加工試樣的外表麵完美（měi）貼（tiē）合，勢（shì）必會（huì）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（jiā）工過程出現樣品移動，產生顫紋。

油套管螺紋的（de）加工是一（yī）個長期總結經驗的過程，其加工時（shí）的夾持壓力就是一個重（chóng）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摸索（suǒ）總結而來。合理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圍內，這樣（yàng）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。平麵卡爪的夾（jiá）持（chí）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，但會導致樣（yàng）品受力不均，使（shǐ）樣品加工後的尺寸或（huò）橢圓度超差（chà）。圓弧包爪夾持方式的優（yōu）點是樣品在（zài）加工時（shí）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（zé）圓弧包爪，且包爪與樣品接觸（chù）的工作麵應當設計成平頂（dǐng）齒狀（zhuàng）或設置多個（gè）凹槽(見（jiàn）圖（tú）3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包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（qián）根據加工樣品的（de）外徑尺寸（cùn），進行圓（yuán）弧包爪的工作表麵的鏜車，以避免圓弧直徑相差（chà）太大而（ér）在加工（gōng）中發生樣品移動、產（chǎn）生顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小可能會導致夾持（chí）力（lì）不足，太大則會造（zào）成裝夾過程中卡爪之間的相（xiàng）互幹涉，導致樣品夾持不緊，產生顫紋。因此，在特殊螺（luó）紋的加工過程中，盡量選擇與加工樣品外徑（jìng）匹配的（de）大摩擦力圓弧包爪，包裹（guǒ）角度應達到整個樣品圓（yuán）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、誤差大或緊固裝置設計不（bú）合理以（yǐ）及不規範安（ān）裝都會導致（zhì）樣品加工時產生顫紋。同時，刀杆安（ān）裝時，刀尖與車床主軸回轉（zhuǎn）中心(車床中（zhōng）心高)距離相差較大也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片（piàn）、刀墊以及相關配件的質量情況直接決（jué）定了樣品的加工質量，質（zhì）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（huì）產生間隙，還有可能存在加工尺寸與設計（jì）方案有出入以及刀具鈍（dùn）化，這些都會導致顫紋產生。因此，在特殊螺紋接頭（tóu）加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。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顫紋的出（chū）現。因此，安裝新的（de）刀片、刀墊時，應按照操（cāo）作規範進行安（ān）裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑（xiè），如有隱患應及（jí）時（shí）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出現的重要原因之一，應盡（jìn）量選擇（zé）經驗豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或使用較為（wéi）成熟的刀（dāo）片、刀墊緊固設計方案，以降低加工過程中（zhōng）產生顫紋的（de）可能性（xìng）。

刀杆安裝不規範、刀尖與車床（chuáng）中（zhōng）心高（gāo）距離相差大（dà），會導致刀具在車削（xuē）時（shí）的刀具角（jiǎo）度和理想角度偏差太大，刀具（jù）受力不在最佳狀態，從而導致樣（yàng）品加工過程（chéng）中產生振動，出（chū）現顫紋。因此，在進行刀具對刀時（shí），一定（dìng）要注意刀具安裝（zhuāng）的角度，避免（miǎn）刀尖與車床中心高距（jù）離相差（chà）太（tài）大。很多國外的專業刀具廠家會配套專用的對刀（dāo）器來確定刀具的安裝角度。國產刀（dāo）具一般不配套對刀器，在確定（dìng）刀具安裝（zhuāng）角度時，可（kě）用基準刀對拔外皮後實心棒料進行平端麵車削，找（zhǎo）到棒料的圓心，並留下一個小圓錐台，將（jiāng）需要安裝的刀具刀尖調整到小圓錐台軸線的高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床主軸回轉中（zhōng）心是否共線，因（yīn）此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉中心的距離（lí）相差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫（chàn）紋（wén）的產生。

(4)加工（gōng）參數及方式選取不當

特（tè）殊螺紋接頭的加工工藝是（shì）決定特殊螺紋接頭質（zhì）量的重要影響因素，不同的吃刀量（liàng）、車削速度等都會導致樣（yàng）品加工質量上（shàng）的差異（yì）。此外，加工方式的選擇（zé）也（yě）需要根據（jù）加工樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同的鋼級（jí）、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（wén）形（xíng）式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的（de）車（chē）削屬於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀（dāo）量(0.3mm)、不同車削（xuē）速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究（jiū）發現：當（dāng）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（sù）度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因此（cǐ），在進行特殊（shū）螺紋接頭加工（gōng）時，應當結（jié）合加工樣（yàng）品的（de）鋼級、尺寸及結構情況，摸索出（chū）合理的車削速（sù）度，以避免產生顫紋。另外，合（hé）理的吃刀量分配也可大幅（fú）降低螺紋（wén）車削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量太大（dà）時（shí），刀具受到的切削阻（zǔ）力大。隨著螺（luó）紋深度的增加，刀片與樣品的接（jiē）觸麵積逐漸增（zēng）大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大（dà）的切削載（zǎi）荷，從而引起刀片出現（xiàn）輕微顫（chàn）動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表（biǎo）麵質量（liàng）。吃刀量過小、轉速較（jiào）高時（shí），刀具以一定進給速度前進，被車削的試樣無（wú）法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋（wén），同時吃刀量太（tài）小也會導致（zhì）加工效率大幅降低，影響製造廠（chǎng）家的經濟效益（yì）。

2 避免顫紋產生的辦法（fǎ）

選擇合理的（de）車削方式，可以（yǐ）有效（xiào）改善螺紋（wén）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方式示（shì）意圖。徑向（xiàng）進刀的特點為各刀刃同時工作，排屑困（kùn）難，切削力較大，容易（yì）紮刀、振動、刀尖（jiān）易磨損，但操作相對簡（jiǎn）單，牙（yá）型精度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋（wén）或（huò）脆性材料的螺紋（wén）加工；側向進刀（dāo）的（de）特點是不（bú）易紮刀，單刃切削，排鐵屑（xiè）順暢，切削力（lì）較小，但背吃刀量較大，牙型（xíng）精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易出現顫（chàn）紋，而且不參與切削一側的刀刃磨損大；改進型側向進（jìn）刀則可避免斜向進刀刀刃磨損大和（hé）工件表麵粗糙度（dù）大的問題；交互式進刀切削時，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（luó）紋的車削，可采用改進型側向進刀或交互式進刀方式，以實現單刀刃或（huò）雙刀刃切削（xuē），避免3個刀刃同時工作，減小振動出現的機率，避免顫紋（wén）的發生。

小結

顫紋是特殊螺紋接頭生（shēng）產加工過（guò）程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表麵質（zhì）量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過（guò）程（chéng）中應避免顫紋（wén）的產生。

(1)車床（chuáng）、加工樣品以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要因素，應當選擇剛性高的（de）刀具和（hé）車床，同時根據加工管體的實際情況，適當設計（jì）或增加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不（bú）規範、刀具安（ān）裝不合（hé）理（lǐ）也是引起顫紋的因（yīn）素之一（yī），生（shēng）產廠家應建立（lì）相應的試樣裝夾（jiá）、刀具安裝（zhuāng）的管理文件，定期對（duì）樣品裝夾和刀具安（ān）裝情況進（jìn）行檢查；

(3)根據加工樣品的鋼級、尺寸等（děng）情況，製定合理的加工工藝（yì）參數及（jí）加工方式（shì），有效控製（zhì）特殊螺紋接頭加（jiā）工過程中顫紋的產生。