​數控車床加工特殊螺紋（wén）接（jiē）頭產生顫紋的（de）原（yuán）因

特殊螺紋（wén）接頭是（shì）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而專（zhuān）門設計（jì）的具有可靠連接強度（dù）和良好密封性能的（de）專用油套管接頭，其結構設計特點決定了它良好的使用性能和加工精（jīng）度。隨著我國石油勘探水平不（bú）斷提（tí）高（gāo），深（shēn）井、超深井、熱采井以及高溫高壓氣井的數量逐年（nián）增加，對特殊（shū）螺紋接頭的性能及質量控製要求越來越高。目前，國內生（shēng）產特殊（shū）螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控車床，就是為了更好（hǎo）地控製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫紋（wén）是特殊螺紋（wén）接頭加工（gōng）過程中常見的（de）加工缺陷，直接影響到特殊螺紋接頭的使用（yòng）性能和產（chǎn）品質量。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的原因及（jí）對策，為特殊螺紋接頭的生產（chǎn）質量控製（zhì）提供了（le）一定參考（kǎo）。

1 顫（chàn）紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足

特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見於螺紋車削階段。特殊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（chí）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響。但（dàn）如果加工（gōng）剛性較差的薄壁管或者刀具、車床剛性不足，就會（huì）在加工（gōng）過程中發生（shēng）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紋（wén）加工（gōng）時，為避免（miǎn）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（diǎn）和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長度(見圖1)，以避免管體懸出過長、管頭擺動（dòng）造成加工顫紋的產生。此外，在（zài）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（gǔn）道上的浮動（dòng）支（zhī）撐輥(見圖2)，這樣可以更有效地降低（dī）顫紋（wén）的產生。

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（de）車削力。為有效避免加工過程中產生顫紋，要求在設計（jì）時根據加（jiā）工管（guǎn）體的材料和特殊螺紋接頭的結構設計特點，製定合理的刀具設計方案，特別（bié）是設（shè）計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和懸（xuán）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，如果需要加工內孔小且長的內螺紋（wén）時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專用防振刀杆。這些刀杆（gǎn）是為了解決加工孔小行程長的內螺紋專門設計的（de），一般懸出長度控（kòng）製在（zài）刀杆直徑的3-4倍。另外，選（xuǎn）擇適當的刀（dāo）具材料和熱處理工藝也很重要，合理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具（jù）的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車（chē）削的數控車床。剛性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（xiàn）顫紋（wén）。

(2)加工試樣的裝（zhuāng）夾（jiá）方式不合理

除了車床、刀（dāo）具以及管體本身的剛性不足，加工試（shì）樣的裝夾（jiá）方式也是導致顫紋出現的主要原（yuán）因，例如夾（jiá）持壓力不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（shì）樣會發生位置移動，導致顫紋產（chǎn）生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯（pī）在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡（jìn）管（guǎn）切削時接頭內壁可以被車成正圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度（dù）超差。特殊螺（luó）紋接頭的密封性能主要靠金（jīn）屬（shǔ）過盈來實現，當橢（tuǒ）圓（yuán）度（dù）超差時（shí），會在原本過盈的地方產生（shēng）間隙或更大（dà）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（wài）表麵完（wán）美貼合，勢（shì）必會影響夾持的穩定性。當夾持穩定性降低到一定程度時，便（biàn）會（huì）在加工過程出現樣品移動，產（chǎn）生顫紋。

油套管螺紋的加（jiā）工是一個長期總結經驗（yàn）的過程（chéng），其加工時的（de）夾持（chí）壓力就是一個重要的（de）數據經驗積累，主要根據加工樣品的（de）尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期摸索總結而來（lái）。合理的夾持壓力（lì）可以消除樣品在加工過程中的移（yí）動，同時把樣品變形控製在（zài）彈性範圍內，這（zhè）樣既可以有效消（xiāo）除加工顫紋（wén），還（hái）可以保證特殊螺（luó）紋的（de）橢圓度。

同樣，卡爪的設計也要（yào）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（jiā）工樣品的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品加工後的尺寸或（huò）橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力均勻，加（jiā）工後的樣品尺寸好，橢（tuǒ）圓（yuán）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，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工（gōng）作麵應當設（shè）計成平頂齒狀或設置多個凹槽（cáo）(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧（hú）包爪的（de）圓弧直（zhí）徑應（yīng）盡量與加工樣品外徑相（xiàng）匹配，最好在加工前根據加（jiā）工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工（gōng）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。還需注意包裹角度的（de）設（shè）計，太小可能會導致夾持力（lì）不足，太大則會造成裝夾（jiá）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，在特殊螺紋的加工過程中，盡量選擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓弧包爪，包裹角度應達到整個樣品圓周的（de）中上水平，這樣不（bú）僅可以保證樣品（pǐn）的加工（gōng）尺寸，同時還能有（yǒu）效降（jiàng）低加工過程中（zhōng）顫紋的出（chū）現幾率。

(3)刀（dāo）具加工質量差或安（ān）裝不規範

刀片、刀墊本身加工質量（liàng）參差不齊（qí）、誤差（chà）大或緊固裝置設計不合理以及不規範安裝都會（huì）導致樣品加工時產生顫紋。同（tóng）時，刀杆安（ān）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、刀墊以及相關配件的（de）質量情況直接決定了樣（yàng）品的加工質量，質量差的刀片、刀墊（diàn）安裝在刀（dāo）杆（gǎn）上後，不能很好地相互配合（hé），會產生間（jiān）隙，還有可能存在加工尺寸與設計方案有出入以及刀（dāo）具（jù）鈍化，這些都會導致（zhì）顫紋產生。因（yīn）此，在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（bú）緊或是在車（chē）削過程中夾入鐵屑，都會導致加工過程中顫紋的（de）出（chū）現。因此，安裝新的刀（dāo）片（piàn）、刀墊時，應（yīng）按（àn）照操作規（guī）範進行安裝。在（zài）加工過程中（zhōng），也要定期檢（jiǎn）查刀片、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以防止（zhǐ）產生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設計合（hé）理性也是影響顫紋出現（xiàn）的重要原因（yīn）之一，應（yīng）盡量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊製造廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低（dī）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（tài），從而導（dǎo）致樣品（pǐn）加工過程中產生振動（dòng），出現顫紋。因此，在（zài）進行（háng）刀具對刀時，一定要注意刀具（jù）安（ān）裝（zhuāng）的角度，避免刀尖與車床中心高距離相差（chà）太大。很多國外的（de）專業（yè）刀具廠（chǎng）家會配套專用的對刀器來（lái）確（què）定刀具（jù）的安（ān）裝（zhuāng）角度。國（guó）產刀具一般不配（pèi）套對刀器，在確定刀具安裝角度時（shí），可用基準刀對拔外皮後實（shí）心棒料進行平端麵車削，找到棒料的圓心，並留下一個（gè）小圓錐台，將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心是否共線，因此會存在一（yī）定誤（wù）差。根據經驗，刀尖與車床主（zhǔ）軸回（huí）轉中心（xīn）的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加工顫紋的產生。

(4)加工參數（shù）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素，不（bú）同的吃刀量、車削速度等都會導致樣品加工質量上的差異。此外，加工方式的選擇也需要根據加工（gōng）樣品的鋼級、尺寸等情況來定。不同（tóng）的（de）鋼級、尺寸對（duì）應不（bú）同的加（jiā）工工藝及加（jiā）工方式，才能有效降低加工（gōng）顫紋出現的幾率。

特殊螺紋接頭的螺紋形式通常（cháng）為偏梯螺紋或改（gǎi）良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車削屬於重車削。王（wáng）瀟屹等對油管外螺紋（wén）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（jiū）發（fā）現：當進給速（sù）度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表麵都會產生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表麵完好。因（yīn）此，在進行特殊螺紋接（jiē）頭（tóu）加工時（shí），應當結（jié）合加（jiā）工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸（mō）索出合（hé）理的車削速度，以避免產生顫紋（wén）。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺（luó）紋（wén）車削過程中顫紋的產（chǎn）生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨（suí）著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋車削即將完成（chéng）時，刀片會承受非常大的切削載荷，從而引起刀片出現（xiàn）輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋的表（biǎo）麵質量。吃刀（dāo）量過小、轉速較高時，刀具以一定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產生顫動，引起顫紋，同時吃刀（dāo）量太小也（yě）會導致加工效率大幅降低，影響（xiǎng）製造廠家的（de）經（jīng）濟效（xiào）益。

2 避免顫紋（wén）產生的（de）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高刀具的使（shǐ）用壽命。圖5為螺紋車（chē）削常見（jiàn）進刀方（fāng）式示意圖。徑向進刀的特（tè）點為各刀（dāo）刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖（jiān）易磨損，但操作相對簡單，牙型精度較高（gāo），一般適合於小齒形小螺距的螺紋（wén）或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不易紮刀，單刃切（qiē）削，排鐵屑順暢（chàng），切削力較小，但背吃刀量較大，牙型（xíng）精度差，螺紋表（biǎo）麵粗糙度較大，易出現顫紋，而（ér）且不參與切削一側的刀刃磨損大；改（gǎi）進型（xíng）側向進刀則可避（bì）免斜向進刀刀刃磨（mó）損大和工件表麵粗糙度大的問題；交互（hù）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（wén）。因此，對於特殊螺紋的車（chē）削，可采用改進型側（cè）向進刀或交互式進刀方式，以實現（xiàn）單刀刃或雙刀刃切削，避免3個刀刃同時工作，減（jiǎn）小振動出現的機率，避免（miǎn）顫紋的發生。

小結

顫紋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（de）表麵質量，還會導致特（tè）殊螺紋接（jiē）頭的（de）各項性能惡（è）化，因此，加工過程中應避免顫（chàn）紋的產生。

(1)車床、加工樣品以及（jí）刀（dāo）具本身的剛性不足是引（yǐn）起顫紋的主要（yào）因（yīn）素，應當選（xuǎn）擇剛性高的刀具和車床（chuáng），同時根據加工管體的實際情況，適當設計或增加一些（xiē）減振防顫的工裝或（huò）工藝；

(2)試樣裝夾不（bú）規範、刀具安裝不合理（lǐ）也是引（yǐn）起顫紋的因素之一，生產廠家應建（jiàn）立（lì）相應的試樣裝夾、刀（dāo）具安裝的管理文件（jiàn），定期對樣品裝夾和刀具（jù）安裝情況進行檢查；

(3)根據加工樣品的（de）鋼級、尺寸等情（qíng）況，製定合理的加（jiā）工工藝參數及加工（gōng）方式，有效控製（zhì）特殊螺紋（wén）接頭加工過（guò）程（chéng）中顫紋的（de）產生。