數控車床加工特（tè）殊螺（luó）紋接頭產生顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭是針對API螺紋接頭密封性能差、上扣控製（zhì）難、接（jiē）頭應（yīng）力水平高等不足而專門設計的具有可靠連接強度和良好密封性能（néng）的專用油套管接頭，其（qí）結構（gòu）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不斷提高，深井、超深井（jǐng）、熱采井（jǐng）以（yǐ）及高溫高壓氣井的數量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質量控製（zhì）要求越來越高。目前（qián），國（guó）內生產（chǎn）特殊螺紋接頭的（de）廠家大部分都采用進口高精度數控車（chē）床，就是為了更好地控（kòng）製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫紋是特殊螺（luó）紋接頭加工過程（chéng）中常見的加工缺陷，直接影響到特殊螺紋（wén）接頭的（de）使用性能和產品質量（liàng）。本文結合特殊螺紋接頭的加工特點，總結了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產生（shēng）的原因（yīn）及對策，為特殊螺紋接頭的生產質（zhì）量控製提供了一定參考（kǎo）。

1 顫（chàn）紋產生（shēng）的（de）原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特（tè）殊（shū）螺紋接（jiē）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（luó）紋成型麵（miàn）是經過連續加工獲得的，理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而（ér）不會像普（pǔ）通車削加工那樣受進給量的影響。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（zài）加工過程中發生振動，從而在螺紋（wén）加工表麵產生顫紋。

在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加（jiā）工時，為避（bì）免加工顫紋的產生，可以根據螺紋的設計長度、車床的加工特點和刀具裝夾方式，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（wén）加工時，可（kě）根據管體幾何尺（chǐ）寸，設計管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低顫（chàn）紋的產生。

特殊螺紋（wén）加工時的（de）進給量遠（yuǎn）大（dà）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（jiā）工過程中產生顫紋（wén），要求（qiú）在設計時根據加工管體的材（cái）料和特殊螺（luó）紋接頭的結構設計特點，製定合理（lǐ）的刀具設計方案，特別是設計內螺（luó）紋刀杆時，應注意（yì）刀杆直徑和懸出長度的關係。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（yào）加工內孔小且長的（de）內螺紋時，盡（jìn）量選擇專業刀具廠（chǎng）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，一般懸出長度控製（zhì）在刀（dāo）杆直（zhí）徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具（jù）材料和熱處理工藝也（yě）很重要，合理（lǐ）的刀具（jù）材料和熱處理工藝可以有效（xiào）地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛性（xìng）好的車床可以更有效地控製特殊螺紋接頭加工的質量，防止加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除了車床、刀具以及管體本身的剛性（xìng）不足，加工試樣的裝（zhuāng）夾方（fāng）式也是導致顫紋（wén）出（chū）現的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都（dōu）會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產生；如（rú）果夾持壓力（lì）過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡（jìn）管切削時接（jiē）頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性（xìng）恢複（fù），導致樣品橢圓度超差。特殊（shū）螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓度超差時，會在原本過盈的地方產生間隙或更大的過盈量，使特殊螺紋接頭（tóu）泄漏或發生粘扣。此外，卡（kǎ）爪尺寸（cùn）不（bú）合適，不（bú）能（néng）與（yǔ）加工試樣的外表麵完美（měi）貼合，勢（shì）必會影響夾持的穩定性。當（dāng）夾持穩定性降低到一定程（chéng）度時，便會在加工過程出現樣品移動（dòng），產生顫紋。

油（yóu）套管（guǎn）螺紋的加工是一個長期總結經驗的過程，其加工時的夾持壓（yā）力（lì）就是一個重要的數據（jù）經驗積累（lèi），主要根據加（jiā）工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身（shēn）的特點長期摸索總結（jié）而來。合理的夾持壓力可以消除（chú）樣品在加（jiā）工過程中的移動，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（jiā）工顫紋，還可以保證特（tè）殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪的（de）設計也要結合需要加工（gōng）樣品的尺寸、鋼級並結合車床的特點專門設計。目（mù）前，常見的（de）有平（píng）麵（miàn）卡爪和圓弧包（bāo）爪。平麵卡爪（zhǎo）的（de）夾持形式為點線接觸，這種夾持方（fāng）式接觸麵積小，可以有效增加卡爪和樣品（pǐn）表麵之間的夾持（chí）力，防（fáng）止加工（gōng）樣品的移動，但會（huì）導（dǎo）致樣品受力不均，使樣（yàng）品加工後（hòu）的尺寸或橢圓（yuán）度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品（pǐn）在加工時（shí）接觸麵積大，受力均勻，加工後的（de）樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現異動（dòng），產生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接（jiē）頭時，應盡量選擇圓弧包（bāo）爪，且包（bāo）爪與樣品接觸的工作麵（miàn）應當設計成平頂（dǐng）齒狀（zhuàng）或設置多個凹槽(見圖3)，以增加（jiā）其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與（yǔ）加工樣品外徑相匹配（pèi），最好在加工前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（zhí）徑相差太大而在加工中發生樣品移動、產生（shēng）顫紋。還需注意包裹角度的設計，太小可能會導致夾（jiá）持（chí）力不足，太大則（zé）會造成裝夾過程中（zhōng）卡爪（zhǎo）之間的相互幹涉，導致樣（yàng）品夾（jiá）持不緊（jǐn），產生顫紋。因（yīn）此，在特殊螺紋（wén）的加工過程中，盡量選擇與加工樣品（pǐn）外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度（dù）應達到整個樣品圓周的中上水平，這樣不僅可（kě）以保證樣品的加工尺寸，同（tóng）時還能有效降低加工過程中（zhōng）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（liàng）參差不齊、誤差大或緊固裝（zhuāng）置（zhì）設計不合（hé）理以及不規範安裝都會導致（zhì）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)距離相差較大也是（shì）產生顫紋的重（chóng）要原因之一（yī）。

刀（dāo）片、刀（dāo）墊以（yǐ）及相關配件的質量情（qíng）況直接決（jué）定了樣品的加（jiā）工質量，質量差的刀片、刀墊安裝在刀杆上後，不（bú）能很好地相互配合，會產生間隙，還有可（kě）能（néng）存在加（jiā）工尺寸與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，在特殊螺紋接頭加工時（shí），應選擇（zé）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（xuē）過程中夾入鐵屑（xiè），都會導致加工（gōng）過程中顫紋的出現（xiàn）。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應按照操作規範進行安裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片（piàn）、刀墊（diàn）是（shì）否鬆（sōng）動（dòng）或是夾入鐵屑，如有隱患（huàn）應及（jí）時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀墊緊（jǐn）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（zé）經驗豐富的（de）專業刀片、刀（dāo）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。

刀杆安裝不規（guī）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具角度和理想角度偏差（chà）太大，刀具受力不在最佳狀態，從而導致（zhì）樣品加（jiā）工（gōng）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（jù）安裝的角度，避（bì）免刀尖與車床中心高距離相差太大。很多國（guó）外的（de）專業刀具廠家會配套專（zhuān）用的對刀器來確定刀具（jù）的安裝（zhuāng）角度。國產刀具一般不配套對刀器（qì），在確定（dìng）刀具安（ān）裝角度時，可用基準刀對拔（bá）外（wài）皮後實心棒料進行平端麵車削（xuē），找到棒料的圓心，並（bìng）留下一個小圓錐台，將（jiāng）需要安裝的刀（dāo）具刀尖調整到小圓（yuán）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（tōng）常是通過目（mù）測來判（pàn）斷刀尖與車床主軸回（huí）轉中心是否（fǒu）共線，因此會存在一定誤差。根據經驗，刀尖（jiān）與車床主（zhǔ）軸回轉中心的距離相差±0.5mm以內，可以有（yǒu）效減少加（jiā）工顫紋的產生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝是決定特殊螺紋（wén）接頭質量的重要影響因（yīn）素，不同的吃刀量、車削（xuē）速度等都（dōu）會導致樣品加工質量上的差異。此外，加工方式的選（xuǎn）擇也需要根據加工樣品的（de）鋼級、尺寸（cùn）等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應不同的（de）加工工藝（yì）及加工（gōng）方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾率。

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，因此，該螺紋的車削屬於重車削（xuē）。王瀟屹等對油管外螺紋進行了相同吃刀量(0.3mm)、不（bú）同車削（xuē）速度（dù）(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的（de）研究發現（xiàn）：當進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產（chǎn）生顫紋；而（ér）在中間（jiān）速度(80m/min和100m/min)加（jiā）工時，螺紋表麵完好（hǎo）。因此，在進行特殊螺紋接頭加工時，應當結合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸（mō）索出合理的車削速度（dù），以避（bì）免產生（shēng）顫紋。另外，合理的吃刀量分配也（yě）可大（dà）幅降低（dī）螺紋車削過程中顫紋的產生幾率。吃刀量（liàng）太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵（miàn）積逐漸增大，螺紋（wén）車削即將完成時，刀片會承受非常大的（de）切削載荷，從而（ér）引（yǐn）起刀片出（chū）現輕微顫動或崩刀，產生顫（chàn）紋，影響螺紋的表麵質量。吃刀量過小、轉（zhuǎn）速較高時，刀具以（yǐ）一（yī）定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過（guò）程（chéng）中產生顫（chàn）動，引起（qǐ）顫紋，同時吃刀量太小也會（huì）導致加工效率大幅降低，影響製造廠（chǎng）家的經濟效益。

2 避免顫（chàn）紋產生的辦法

選擇合理（lǐ）的車削方式，可以（yǐ）有效（xiào）改（gǎi）善螺紋的表麵質量並提高刀（dāo）具的使用壽命。圖5為螺（luó）紋車削常見（jiàn）進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為（wéi）各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大（dà），容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作（zuò）相對簡單，牙型精度較（jiào）高，一般（bān）適合於小齒形小螺距的（de）螺紋（wén）或脆性材料的（de）螺紋加（jiā）工；側向進刀的特點是（shì）不易紮刀（dāo），單刃切削，排鐵屑順暢，切削力較小，但背吃刀量較大（dà），牙（yá）型精度差，螺（luó）紋表麵粗糙度較大，易出現顫紋，而且不參與切削一側（cè）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工（gōng）件表麵粗糙度（dù）大的問（wèn）題；交互式進刀（dāo）切削時，兩側刀刃磨損均勻，較適用於加工大螺距螺紋（wén）。因（yīn）此，對於特（tè）殊螺紋的車（chē）削，可（kě）采用改進型側（cè）向進刀（dāo）或（huò）交互式進刀方式，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（dòng）出現的（de）機率，避免顫紋的發生。

小結

顫紋（wén）是特殊螺紋接頭生產加工過程中普遍存在的現象，不僅影響特殊螺紋接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工（gōng）過程中（zhōng）應避免顫紋的產（chǎn）生。

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

(2)試樣裝夾不規範、刀具（jù）安裝不合理也是引（yǐn）起顫紋的因（yīn）素之一，生產廠（chǎng）家應建（jiàn）立相（xiàng）應的試樣（yàng）裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對樣品（pǐn）裝夾（jiá）和刀具安裝情（qíng）況進行檢查；

(3)根據加工樣品（pǐn）的鋼級、尺寸等情況，製定合理的加工（gōng）工藝參（cān）數及加工方式，有效控製特殊（shū）螺紋接（jiē）頭加工過程（chéng）中顫紋（wén）的產（chǎn）生。