​數控車（chē）床加工特殊螺紋接頭（tóu）產（chǎn）生顫紋的原因及對策

特殊螺紋接頭是針（zhēn）對API螺紋接（jiē）頭密封性（xìng）能（néng）差（chà）、上（shàng）扣控（kòng）製（zhì）難、接頭（tóu）應力水平高（gāo）等不足而（ér）專門（mén）設計的具有（yǒu）可靠連接強度和良（liáng）好密封性能的專用油套管接頭，其結構設計（jì）特（tè）點決定了它良好的使用性能和加工（gōng）精度（dù）。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（tóu）的性能及質量控（kòng）製要求越來（lái）越高。目（mù）前，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數控（kòng）車床，就是為了（le）更好（hǎo）地控製特殊螺紋接（jiē）頭的產品質量。

顫紋是特殊螺紋接頭（tóu）加工過程中常見的加工缺陷，直接影響到特殊螺紋接頭的使用性能和產品質量。本（běn）文結合（hé）特殊螺紋接頭的（de）加（jiā）工特點（diǎn），總結了（le）特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產生的原因及對策，為特殊（shū）螺紋接頭（tóu）的生產質量控製提供了一定參考。

1 顫紋產生的原因

(1)加工試樣、刀具或（huò）車床本身（shēn）剛性不足

特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見（jiàn）於螺紋車削階段。特殊（shū）螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續（xù）加工獲得的，理論上會保持較好的加工表麵光潔度，而不會像（xiàng）普通（tōng）車（chē）削加（jiā）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，就會在加（jiā）工過程中發生振動，從而在螺紋（wén）加（jiā）工表麵產生顫紋。

在剛性較（jiào）差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產生，可以（yǐ）根據螺紋的設計長度、車（chē）床（chuáng）的加工特點和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸（xuán）出長度(見圖1)，以避免管體懸出（chū）過長、管頭擺動造成加工顫紋（wén）的產生。此外，在進（jìn）行外螺紋加工時，可根據管體幾何尺寸，設計（jì）管體內支撐和輥道上的浮動支撐輥(見圖2)，這樣（yàng）可以更有效地降低顫紋（wén）的產生。

特殊螺紋加工時的進給量遠大於普通車削，因（yīn）此（cǐ）刀具會承受非常大的（de）車削力。為（wéi）有效避免加（jiā）工過程（chéng）中產生顫紋（wén），要求在設計時根據加工管體的材料和特殊螺紋接頭（tóu）的結構設計特點（diǎn），製定合理的刀具設計方案，特別是設計內螺紋刀杆時，應注意刀杆直徑和（hé）懸出長度（dù）的關係。一般懸出長（zhǎng）度控（kòng）製在（zài）刀杆直徑的1.5-2倍為（wéi）宜（yí），如果需要加工（gōng）內孔小且長的內（nèi）螺紋時，盡量選擇專業刀具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（háng）程長的內螺紋專門設計的，一般懸出（chū）長度控製在刀（dāo）杆直徑的3-4倍。另外，選擇適（shì）當的刀具材料和熱處理工（gōng）藝也很重要，合理的刀具材（cái）料和熱處理工藝可以（yǐ）有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車削的數控車床。剛性好的車床可以更（gèng）有（yǒu）效地控製特殊螺紋接頭（tóu）加（jiā）工的質量，防止加工（gōng）過程（chéng）中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式不合理

除了車（chē）床、刀具以及管體本身的剛性不足，加工試樣的裝夾方式也是（shì）導致顫紋出現（xiàn）的主要原因，例如夾（jiá）持壓力不合理或夾具卡爪尺（chǐ）寸不（bú）合適等都會造成顫紋。如果（guǒ）夾持壓力過低，在螺紋（wén）加工（gōng）過程中，試樣會發生位置移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯（pī）在（zài）夾緊時有（yǒu）較大的不均勻彈性變形，盡（jìn）管切削時接頭內壁可以被車成正圓孔（kǒng），但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭（tóu）的（de）密封性能主要靠金屬過盈來實現，當橢圓度（dù）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（tè）殊（shū）螺紋接（jiē）頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加（jiā）工試樣的（de）外表麵（miàn）完美貼（tiē）合，勢必會影響夾持的穩定性。當夾持穩（wěn）定性降低到一定程度時，便會在加工過程出現（xiàn）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（de）過程（chéng），其加工時的夾持壓力就是（shì）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（gāng）級以（yǐ）及車床本身的特點長期摸索總結而來。合理的夾（jiá）持壓力可以消除樣品在加工過程中（zhōng）的移（yí）動（dòng），同時把（bǎ）樣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專門設（shè）計。目（mù）前（qián），常見的有平麵卡爪和圓弧包爪。平麵卡爪的夾持形式為點線接觸，這種夾持方（fāng）式接觸麵積小，可以（yǐ）有效增加卡爪和樣品表麵之間的夾持（chí）力，防止（zhǐ）加工樣（yàng）品（pǐn）的移動，但會導致樣（yàng）品受力不均，使（shǐ）樣品加工後的尺寸（cùn）或橢圓度超差。圓弧包爪（zhǎo）夾持方式的優點是樣品在加工時接觸麵積大，受力（lì）均勻，加工後的樣品尺寸好（hǎo），橢圓度（dù）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（luó）紋接頭（tóu）時，應盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作麵應（yīng）當設計成（chéng）平頂齒狀或設置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦（cā）力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應盡量與加（jiā）工樣品外徑相匹配，最好在加工前根據加工樣品的外（wài）徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表（biǎo）麵（miàn）的鏜車，以避免圓弧直徑（jìng）相差太（tài）大而在加工中發生樣品移動、產（chǎn）生顫（chàn）紋。還需注意包裹角度的設計，太（tài）小可能會導致夾持力不（bú）足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相（xiàng）互（hù）幹涉，導致樣（yàng）品夾持不緊，產（chǎn）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（dào）整個樣品圓周的中上水（shuǐ）平，這樣不僅可以保（bǎo）證樣品的加工尺寸，同時還能有效降（jiàng）低加（jiā）工過程（chéng）中顫紋的出現幾率。

(3)刀具加工質量差或（huò）安裝（zhuāng）不規範

刀片、刀墊本（běn）身加工質量參差（chà）不齊、誤差大或（huò）緊固裝置設計不合理以及不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)距離相差較大也是（shì）產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質（zhì）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（bú）能很好地相互配合，會產生間（jiān）隙，還有可能存在加工尺寸與設計方案（àn）有出入以及刀（dāo）具鈍化，這些都會導致顫紋產生（shēng）。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應選擇質量可靠的專業刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規（guī）範、裝夾不緊或是在（zài）車削過程中夾（jiá）入鐵屑，都會導致加工過程中顫（chàn）紋的出現。因此，安裝新（xīn）的刀片、刀（dāo）墊時，應按照操作規範進行安裝。在（zài）加工過程中，也要定期（qī）檢查刀片、刀墊是（shì）否鬆動或是夾入（rù）鐵屑，如有隱患應及時處（chù）理，以（yǐ）防止產生顫紋（wén）。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（yào）原（yuán）因之一，應盡量選擇經驗豐富的專（zhuān）業刀片、刀墊製造廠家或使用較為成（chéng）熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降低（dī）加工過程（chéng）中產生顫紋的可能（néng）性。

刀杆安裝不規範、刀尖與車（chē）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太大（dà），刀具受力不在最佳（jiā）狀態，從而導致樣品加工過程中產生振動，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床中心高（gāo）距離相差太大。很多國外的（de）專業刀具（jù）廠（chǎng）家會配套專（zhuān）用的對刀器（qì）來確定刀具的安裝角度。國產刀具一般不配套對刀器，在確（què）定刀具安裝角度時，可用基準（zhǔn）刀對拔外皮後（hòu）實心棒料進行平（píng）端麵車削，找到棒料的圓心，並（bìng）留下一（yī）個小圓錐台，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（què）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，因此會存在一定誤差。根據經（jīng）驗，刀尖與車床主軸回轉中心的距離（lí）相差±0.5mm以（yǐ）內，可以（yǐ）有效減少加（jiā）工顫（chàn）紋的產（chǎn）生。

(4)加工參數及方式選取不當

特殊螺紋接頭的加工工藝（yì）是決定特殊螺（luó）紋接頭質量的重要影響因素，不同（tóng）的吃刀量、車削速度（dù）等都會導（dǎo）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樣品的鋼級（jí）、尺寸等情況來定。不（bú）同的（de）鋼級、尺寸對應不同的加工工藝及加工方式，才能有效降低加工顫紋出現的幾率。

特殊（shū）螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改（gǎi）良的偏梯螺紋（wén），因此，該螺紋的車削屬（shǔ）於重車削。王瀟屹等對油管外螺紋（wén）進行了（le）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（xiàn）：當進給速度過快(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。因此，在進行特殊螺（luó）紋接頭加工時，應（yīng）當結（jié）合加工樣品的鋼級、尺寸及結構情況，摸索出合理的車削（xuē）速度，以避（bì）免產生顫（chàn）紋。另外，合理的吃刀（dāo）量分配也可大幅降低（dī）螺紋車削過程中顫紋的產（chǎn）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（zēng）加，刀片與樣品的接觸麵積逐漸增大，螺紋（wén）車削即將完成（chéng）時，刀片會承受非常大的切削載荷，從（cóng）而引起刀（dāo）片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影響螺紋（wén）的表麵（miàn）質量。吃刀量過小、轉速較高時，刀具以一定進給（gěi）速度前進（jìn），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（shí）吃刀量太小也會導致加工效率大幅（fú）降低，影響製造廠家的經（jīng）濟（jì）效益。

2 避免（miǎn）顫紋產生的辦法

選（xuǎn）擇合理的車削方式（shì），可以有效（xiào）改善螺紋的表麵質量並（bìng）提高刀具的使用（yòng）壽命。圖5為螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各（gè）刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易紮刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，牙型（xíng）精（jīng）度較高，一般適合於小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加（jiā）工；側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，但背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大，易（yì）出現（xiàn）顫紋，而且不參與切（qiē）削一側的（de）刀刃磨損大（dà）；改進（jìn）型側向進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損大和工件表（biǎo）麵粗糙度大的問題；交互式進刀切削時，兩側刀刃磨損均勻，較（jiào）適用於加工大螺距螺紋。因此，對（duì）於特（tè）殊螺紋的車削，可采用改進型側向進刀或交互式進刀方式，以實現單刀刃或雙刀刃切削，避免3個刀刃同時工作，減小振動出現的機率，避免（miǎn）顫紋的發生。

小結（jié）

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

(1)車（chē）床、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（dāng）選擇剛（gāng）性高的刀具和車床，同時根據（jù）加工管體的實（shí）際情況，適當（dāng）設計或增加一些（xiē）減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規（guī）範、刀具安裝不合理也是引起顫紋的因素（sù）之一，生產廠家應建立相應的試樣裝夾、刀具安裝的管理文（wén）件，定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；

(3)根據加工樣品的（de）鋼級、尺寸等情況（kuàng），製定合理的加（jiā）工工藝（yì）參數及加工方式，有（yǒu）效控製特殊螺（luó）紋接頭加工過程中（zhōng）顫紋的產生。