​數控車（chē）床加工特殊螺紋接（jiē）頭產生顫紋的原因

特殊螺紋接頭是針對（duì）API螺紋接頭密封性能差、上扣控製難、接頭應力水平（píng）高等不足而（ér）專（zhuān）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頭，其結構設計特（tè）點決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我（wǒ）國石油勘探（tàn）水平不（bú）斷提高，深井、超（chāo）深井、熱采井以及高溫高（gāo）壓氣（qì）井的數量逐年（nián）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，國內生產特殊螺紋接頭的廠家大部分（fèn）都采用進口（kǒu）高精度數控車床，就（jiù）是為了更（gèng）好地（dì）控製特殊螺紋接頭的產品質量。

顫紋是（shì）特殊螺紋接頭加工過程（chéng）中常見（jiàn）的加工缺陷，直（zhí）接影響到特（tè）殊螺紋接頭的使用性能和產品質量。本（běn）文結合特殊螺紋接頭的加工（gōng）特點，總結了特殊螺紋接頭加（jiā）工過程中顫紋產生的原（yuán）因及對（duì）策，為特殊螺紋接頭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、刀具或車床本身剛性不足

特（tè）殊螺紋接頭加工過程中（zhōng），顫紋（wén）常見於螺紋車削階段。特殊（shū）螺紋加工的螺紋成型麵是經過連續加工獲得的，理（lǐ）論上會保（bǎo）持較好的加工（gōng）表麵光潔度，而不會像普通車削加工那樣受進給量的影響。但如果加工剛性較差的薄（báo）壁管或者刀具、車床（chuáng）剛性不足，就會在加工（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（luó）紋（wén）加工時，為避免加工顫紋的產生，可（kě）以根據螺紋的設（shè）計（jì）長度（dù）、車床的加（jiā）工特點和刀具裝夾方式，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紋的產生。

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車削力。為有（yǒu）效避免加工過程中產生顫紋，要求在（zài）設計時根據加工管體的材料和（hé）特（tè）殊螺紋接頭的結構設計特點，製定合理的刀（dāo）具設計方案，特別是設計（jì）內螺紋刀杆時（shí），應注意刀杆直（zhí）徑和懸出長度的關係。一般懸出長度控（kòng）製在刀（dāo）杆直徑的（de）1.5-2倍為宜（yí），如果需要加工內孔小且長的內螺紋時，盡量選擇專業刀具廠家生產的專用（yòng）防振刀杆。這些刀杆是為了解決加（jiā）工孔小行程長的內螺紋專門設計的，一般懸出長度控製在刀杆（gǎn）直徑的3-4倍。另外，選擇適當的刀具材料和熱處理工（gōng）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（zé）剛性（xìng）較好、適合重車削的數控車床。剛性好的車床可（kě）以更有效地控製特（tè）殊（shū）螺紋接（jiē）頭加工的質量，防止（zhǐ）加工過程中出現顫紋。

(2)加工試樣的裝夾方式（shì）不合理

除了車床、刀具以（yǐ）及管體本身的剛性不足（zú），加工試樣的裝夾方式也是導致顫（chàn）紋出現的主要原因，例如夾持壓（yā）力不合理或夾具卡（kǎ）爪尺寸不合適等都會造成顫紋。如果夾持壓力過低，在（zài）螺紋加工過程中，試樣（yàng）會發生（shēng）位置移動，導致顫紋產生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在（zài）夾緊時有較大的不均（jun1）勻彈（dàn）性變形（xíng），盡管切削時接頭內壁可以被車成正（zhèng）圓孔，但鬆開後，接頭彈性恢複，導致樣（yàng）品（pǐn）橢圓度超差。特殊螺紋（wén）接頭的密封性能主要靠（kào）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（luó）紋接（jiē）頭泄漏或發生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工試樣（yàng）的外表麵完美貼合，勢（shì）必會影響夾持的穩定性。當夾持穩（wěn）定性降低到一定（dìng）程度時，便會（huì）在加工過程出現樣（yàng）品移動，產生顫紋。

油套（tào）管螺紋的加工是一個長期總結（jié）經驗的（de）過（guò）程，其加工時的夾持壓力就是一個重要的（de）數據（jù）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總結而（ér）來。合理的夾持壓力（lì）可以消除樣品在加工過程中的移動，同時把樣品變（biàn）形控製在彈性範圍內，這樣既可以有效消除（chú）加工顫紋，還可以保證特殊螺紋的橢圓度。

同樣，卡爪（zhǎo）的設計也要結合需（xū）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（miàn）卡（kǎ）爪和圓弧包爪。平麵卡（kǎ）爪的夾持形式為點線接（jiē）觸，這種夾持方式接觸麵積（jī）小，可（kě）以有效增（zēng）加卡（kǎ）爪和（hé）樣品表麵之間的（de）夾（jiá）持力，防止加工樣（yàng）品（pǐn）的移動，但會導致樣品受力不均，使樣品加（jiā）工後的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優點（diǎn）是樣品在加工（gōng）時接觸麵積大，受力均勻（yún），加工後的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工（gōng）時相（xiàng）對容（róng）易出（chū）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，且包爪與樣品接觸的工作麵應當設計（jì）成平頂齒狀或設置多個凹（āo）槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包（bāo）爪（zhǎo）的圓弧直徑應盡量與加工樣（yàng）品外（wài）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（gōng）作表（biǎo）麵的鏜車（chē），以避免圓弧直徑相（xiàng）差太（tài）大而在加工中發生樣品移動、產生顫紋。還需（xū）注意包裹角度的設計（jì），太小可能會（huì）導（dǎo）致（zhì）夾持力不足，太大則會造成裝夾過程中卡爪之間的相互幹涉，導致樣品（pǐn）夾持不緊（jǐn），產生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工（gōng）過程（chéng）中，盡量選（xuǎn）擇與加工樣品外徑匹配的大摩擦力圓（yuán）弧包爪，包裹角度應達到整個（gè）樣品圓周的中上（shàng）水平，這樣不僅可以保（bǎo）證樣品的加工尺寸，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現幾率。

(3)刀具（jù）加工質量差或安裝不規範

刀片（piàn）、刀墊本身加工質量參差不齊（qí）、誤（wù）差大或緊固裝置設計不合理（lǐ）以及不規（guī）範安裝都（dōu）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（dà）也是產生顫紋的重要原因之一。

刀片、刀墊以及相關配件的質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（gǎn）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（gōng）尺寸（cùn）與設計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導致顫紋產（chǎn）生。因此，在特殊螺紋接頭加工（gōng）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、裝夾不緊或是在車削過程（chéng）中夾入鐵屑，都會導致加工過程（chéng）中顫紋（wén）的（de）出（chū）現。因此，安裝新的刀（dāo）片、刀墊時，應按（àn）照操作規範進行（háng）安裝。在加工過程（chéng）中，也要（yào）定期檢查刀片、刀墊是否鬆動或是夾入鐵屑，如有隱患應及時處理，以防止產生顫紋。刀片、刀（dāo）墊緊固方式的設計合（hé）理性也是影響顫紋出現的重要（yào）原因之一，應盡量選擇經驗豐富的專業刀片、刀墊（diàn）製造廠家（jiā）或使（shǐ）用（yòng）較為成熟的刀片、刀墊緊固設計方案，以降（jiàng）低加工過（guò）程中產（chǎn）生顫紋的可能性。

刀杆安裝不規範、刀尖（jiān）與車（chē）床中心高距離相（xiàng）差大，會導致刀具在車削時的（de）刀具角（jiǎo）度和理想角度偏差太大，刀具受力不（bú）在最佳（jiā）狀態，從而導致樣品加（jiā）工過程中產生（shēng）振動，出現顫紋。因此，在進行刀具對刀時，一（yī）定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車床（chuáng）中心（xīn）高距（jù）離相差太（tài）大。很多（duō）國外的專業刀（dāo）具廠家（jiā）會（huì）配套專用的對刀器來確定刀具（jù）的（de）安（ān）裝角（jiǎo）度（dù）。國產刀具一般不配套對刀器，在確定（dìng）刀具安裝角度時，可用基準刀對拔（bá）外皮後實心棒料進行平端麵車（chē）削，找到棒料的圓心，並留下一個小圓錐台，將需要安（ān）裝的刀具刀尖（jiān）調整到小圓（yuán）錐台軸線的（de）高度上即可最終確定刀具安（ān）裝角度(見圖4)。通常是通過（guò）目測來判斷刀尖與車床主（zhǔ）軸回轉（zhuǎn）中心是否共線，因此會（huì）存在一定誤差。根據經驗，刀尖與車床主軸回轉中（zhōng）心的距離相差±0.5mm以內，可以有效減少加工（gōng）顫紋的產生（shēng）。

(4)加工參數及方式選（xuǎn）取不當

特殊螺紋接頭（tóu）的加工工藝是決定特殊螺紋接頭質量的重要（yào）影響因素，不同的吃刀量、車（chē）削速度等都會（huì）導（dǎo）致樣品加工質量（liàng）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、尺寸（cùn）等情況來定。不同（tóng）的鋼級、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（wén）出現的幾（jǐ）率。

特殊螺紋接頭的螺紋（wén）形式（shì）通（tōng）常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因（yīn）此，該螺紋的車削屬於重車削。王瀟屹等對（duì）油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（fā）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，螺紋表麵完好。因此，在進行特（tè）殊螺紋接頭加工時（shí），應當結（jié）合（hé）加工（gōng）樣品的鋼級、尺寸及（jí）結構情況，摸索（suǒ）出合理的車削速度，以避免產生顫（chàn）紋。另外，合理的吃刀量分（fèn）配也可大幅降低螺紋車（chē）削過程中顫紋的產生幾（jǐ）率。吃（chī）刀量太（tài）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（chù）麵積逐漸增大，螺紋車削（xuē）即將完成時，刀片會承受（shòu）非常大的切削載荷，從而引起（qǐ）刀片出現輕微顫動或崩刀，產生顫紋，影（yǐng）響螺紋的表麵質量。吃刀量（liàng）過小、轉速較高時，刀（dāo）具以一定進給（gěi）速度前進，被車削的試（shì）樣無（wú）法緊壓住刀片，導致刀片在車削過程中產（chǎn）生顫動，引起顫紋，同時（shí）吃刀量（liàng）太小也會導致加工效率大幅降低，影響製造廠家的經濟效益。

2 避免顫紋產生的辦法

選擇合理的車削方式（shì），可以有效改善螺紋的表麵質量並提高刀具（jù）的使用壽命。圖5為螺紋車削常見進（jìn）刀方（fāng）式（shì）示（shì）意圖。徑向進刀的特點為各刀（dāo）刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易（yì）紮刀、振動、刀尖易（yì）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或脆性材料的螺紋加工；側向進刀的特點是不（bú）易紮刀，單刃切削，排鐵屑順暢，切削力較小，但（dàn）背吃刀量較大，牙型精度差，螺紋表麵粗糙度較大（dà），易出現顫紋，而且不參與切削一側的刀刃（rèn）磨損大；改進型側向進刀則可避免斜向進（jìn）刀（dāo）刀刃磨損大和工件表麵（miàn）粗糙度大的（de）問（wèn）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（luó）紋。因此，對於特殊（shū）螺紋的車削，可采用改進型側（cè）向進刀或交互式（shì）進（jìn）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（xiǎo）振動出現的機（jī）率，避免（miǎn）顫紋的（de）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（wén）接頭的表麵質量，還會導致特殊螺紋（wén）接頭的（de）各項性能惡（è）化，因此，加工過程中應避免顫紋（wén）的產生。

(1)車床、加工（gōng）樣品以及刀具本身的剛性不足是引起顫紋的主要（yào）因素，應當選（xuǎn）擇剛性（xìng）高（gāo）的刀具和車床，同（tóng）時根據加工管體的（de）實際情（qíng）況，適當設計或增加一些減振防顫的工裝或工藝；

(2)試樣裝夾不規範、刀具安裝（zhuāng）不（bú）合理也是引起顫紋的（de）因素之一，生產廠家應建立相應的試樣裝夾、刀具安裝的（de）管理文件，定期（qī）對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；

(3)根據加工樣品的鋼級（jí）、尺寸（cùn）等情況，製定合理的加工工藝參數及（jí）加工（gōng）方式，有效控製特殊螺紋接頭加工過程中顫紋（wén）的產生。