数控车床加工（gōng）特殊螺纹接头产生颤纹的原因（yīn）及对策

特殊螺纹接头（tóu）是针对API螺纹接（jiē）头密封性能差、上扣控制难、接头应力水平（píng）高等不足而专门设计的具（jù）有（yǒu）可靠连接强度和（hé）良好密封性能的专用油套管接头，其结构设计特点决定了它良好的使用性能和加工精度。随着我国石油勘探水平不断提高，深井、超深井、热采井以及高温（wēn）高（gāo）压气井（jǐng）的数（shù）量逐年增加，对特殊螺纹接头的性（xìng）能及质（zhì）量控制要求越来越高（gāo）。目前，国内生产特殊螺纹接头的厂家大（dà）部（bù）分都采用进口（kǒu）高精（jīng）度数控车床，就是为了更好地控制特殊（shū）螺纹接头的产品质量。

颤纹（wén）是特殊螺纹接头加工过程中常（cháng）见的加工缺陷，直接影响到特殊螺（luó）纹接头的使用性能和产品质量。本文结合特殊螺纹接（jiē）头的加工特点，总结了特殊螺纹接头加工过程（chéng）中颤纹产生的原因及对策，为特殊螺纹接头的生产质（zhì）量控制提供了一定参（cān）考。

1 颤纹产生的原因

(1)加（jiā）工试（shì）样、刀具或车床本身刚性不足

特殊螺纹接头加工过程中，颤纹常见于螺纹车削阶段。特殊螺纹加工的螺纹（wén）成型面是经过连续加工获得的，理论（lùn）上会保持较（jiào）好的加工表面光洁度，而不会像普通车削加工那样受进给量的影响。但如果加工刚性较差的薄壁管或者刀具、车床刚（gāng）性不足，就会在加工过程中发生振动，从而在螺纹加工（gōng）表（biǎo）面产生颤纹。

在刚性较差（chà）的薄壁管体上（shàng）进行螺纹加工时，为避免加工颤纹的产生，可（kě）以根据螺纹的设（shè）计长度（dù）、车（chē）床的加工特点（diǎn）和刀具装夹方式，确定合理的管体悬出长度(见图1)，以避免管体悬出过长、管头（tóu）摆动造成加工颤纹的产（chǎn）生。此外，在进行外螺纹加（jiā）工时（shí），可根（gēn）据管（guǎn）体几何尺寸，设计管体内支撑和辊道上（shàng）的（de）浮动支撑辊(见图2)，这样可以更有效地降低颤纹（wén）的产生。

特殊螺（luó）纹加工时的进给量远大于普通车削，因此刀具会承受（shòu）非（fēi）常大的车削力。为有效避免加工过（guò）程（chéng）中（zhōng）产生颤纹，要求在设计时根据加工管体的材料和特殊螺纹接头的结构设计特点，制定合（hé）理的刀具设计方案，特别是设计内螺纹刀杆时，应注意刀杆直径和（hé）悬出长度的（de）关系。一般（bān）悬出长度（dù）控制（zhì）在（zài）刀杆（gǎn）直径的1.5-2倍为宜，如果需要加工内孔小且（qiě）长的内螺纹时，尽量选择专（zhuān）业刀具厂家生产的专用防振刀杆。这些刀（dāo）杆是为了（le）解决加工孔小行程长（zhǎng）的（de）内螺纹（wén）专门设计（jì）的，一般悬出长度控制在刀杆直径的3-4倍。另外，选（xuǎn）择适当的刀（dāo）具材料和热处理工（gōng）艺也很重（chóng）要，合理（lǐ）的刀具材（cái）料和热处理（lǐ）工艺可以有效地保证刀具的刚性。尽量（liàng）选择刚性较好、适合（hé）重车削的数控车床。刚性好的车床可以更有效地控制特殊螺纹接头加工的质量，防止加工过程中出现颤纹。

(2)加工试（shì）样的装夹方式不合理（lǐ）

除了车床、刀具以（yǐ）及管体本身的刚性不（bú）足，加工试样的装夹方式也是导致颤纹出现的主要原因，例（lì）如夹持压力不（bú）合理或夹具（jù）卡爪（zhǎo）尺寸不（bú）合适等都会造成颤纹。如果夹持压力过低，在螺纹加工过程中，试（shì）样会发生（shēng）位置移动，导致颤纹产生；如果夹（jiá）持压力过（guò）高，接头（tóu）毛坯在（zài）夹紧时有较大（dà）的不均匀弹性变形，尽管切削时接（jiē）头内壁可以被车成正圆（yuán）孔，但松（sōng）开后，接头弹性恢复（fù），导（dǎo）致样（yàng）品椭圆度超差。特殊螺纹接头的密封性能主要靠（kào）金属过盈来实现，当椭圆度超差时，会在原本过盈的地方产生间隙或更大的过盈量，使特殊螺（luó）纹接头泄（xiè）漏或发生粘扣。此外，卡爪尺寸不合适，不（bú）能与加工试样的外表面完美贴合，势必会影（yǐng）响夹持的稳定（dìng）性。当夹持稳定性降低到一定程度时，便会在加工过（guò）程出现样品移动，产生颤纹。

油套管螺纹的加工是一（yī）个长期总结经验的过程，其加工时的夹持压力就是一个重要的数（shù）据经（jīng）验积累，主要根据加工样品（pǐn）的（de）尺寸、钢级以及车床本身的（de）特点长期摸索总结而来。合理（lǐ）的夹持压力可以消除样品在加工过程中的移动，同（tóng）时把（bǎ）样品变形控制在弹性范围内，这样既可以有效消除（chú）加工颤纹，还可以保证特殊螺纹的椭圆度。

同样，卡爪的（de）设计也要结合需要加工样品的尺寸、钢级并结合（hé）车床的特点专（zhuān）门设（shè）计。目前，常见的有（yǒu）平面卡爪和圆弧包爪（zhǎo）。平面卡爪的夹持形式为点线接触，这种夹持方式接触面积（jī）小，可以（yǐ）有效增加卡爪和样品表面之间的夹持力，防止加工样品的移动，但会导致样（yàng）品（pǐn）受力不均，使样品加工后（hòu）的尺寸或椭圆度超差。圆弧包爪夹持方式的优点是样品在加工时接触面（miàn）积大，受力（lì）均匀，加（jiā）工后的样品（pǐn）尺寸好，椭（tuǒ）圆度佳，但加工时相对容易出现异动，产（chǎn）生颤纹。因此，在加工特殊（shū）螺纹接（jiē）头时（shí），应尽量（liàng）选择圆弧包爪，且包爪与样品接触的工（gōng）作（zuò）面应当设计成平顶齿状或设置多个凹（āo）槽（cáo）(见图3)，以增加其摩擦力。同时，圆弧包爪的圆弧（hú）直径应尽（jìn）量与加工样品外（wài）径（jìng）相匹配，最好在加工前根据加工样品（pǐn）的外径尺寸，进行（háng）圆弧包爪（zhǎo）的工作表面的镗车，以避免（miǎn）圆弧（hú）直径相差太大而在加工中发生样品移动、产生颤纹。还需注意包裹角度的设计，太小可（kě）能会导（dǎo）致夹持力不足，太大则会造成（chéng）装（zhuāng）夹（jiá）过程中卡爪之间的相互干涉，导致样品夹（jiá）持不紧，产生颤纹（wén）。因此，在特殊螺纹（wén）的加工过（guò）程中，尽量选择与加（jiā）工样品外径（jìng）匹配的（de）大摩擦力圆弧包爪，包裹角度（dù）应达（dá）到整个样品（pǐn）圆周的中上水平，这样不仅可以保证样品的加工尺寸，同时还能有效降低加工过程中颤纹的出（chū）现几率。

(3)刀具加工质量差或安装不规范

刀片、刀（dāo）垫本身（shēn）加工质量参差不齐、误差大或紧固装置设计不合理以及不规范安装都会导致样品加工时产生颤纹。同时（shí），刀杆（gǎn）安装时，刀尖与车床主轴回转中心(车床中心高)距离（lí）相差较大也是产生颤纹的重要原因之（zhī）一。

刀片、刀（dāo）垫（diàn）以及相关配件的（de）质量情况直接决定了样品的加工质量，质量差的刀片、刀垫安装在刀杆上后，不能很好地（dì）相（xiàng）互配合，会产生间隙，还有可能存在加工尺（chǐ）寸与设计方案有出入以及刀具钝化，这些都（dōu）会导致颤纹（wén）产生。因此，在特（tè）殊螺纹接（jiē）头加工时，应选择质量可靠的专业刀具。此外，刀片、刀垫安装（zhuāng）不规范、装（zhuāng）夹不紧或是在车削过程中夹入铁屑，都会导致加工过程中颤纹（wén）的出现（xiàn）。因此，安装新的刀片、刀垫（diàn）时，应按照操（cāo）作规范进行安（ān）装。在加工过程（chéng）中，也（yě）要定期检查刀片、刀垫是否（fǒu）松（sōng）动或是夹入铁屑（xiè），如有隐患应及时处理，以防止产生颤（chàn）纹。刀片、刀垫紧固（gù）方式的设（shè）计合理性（xìng）也是（shì）影响颤纹出现的重要原因之（zhī）一，应尽量选择经验丰富的专业刀片、刀垫制造厂家或使用较为成熟（shú）的刀片、刀垫紧固（gù）设计方案，以（yǐ）降低加工过程中产生颤纹的可能性。

刀杆安装不（bú）规范（fàn）、刀尖与车床中心高（gāo）距离相差大，会导致（zhì）刀具在车削时的刀具角度和理想角度偏差（chà）太大，刀具受力不在最佳状（zhuàng）态，从而导致样品加工过（guò）程中产生振动，出现颤纹。因此，在进行刀具对刀时，一定要注（zhù）意刀（dāo）具安装的角度（dù），避免刀尖与车床中心高距离相差太大。很（hěn）多国外的专业刀具厂家会配套专用的对刀器来确定刀具的安装角度。国产刀具一般不配套对刀（dāo）器，在确定刀具安装（zhuāng）角（jiǎo）度时，可用基准刀对拔外皮后实心棒料进行平端面车削，找到棒料的圆心，并留下一个小圆锥台，将需要安装的刀具刀尖调整（zhěng）到小圆（yuán）锥台（tái）轴（zhóu）线的高度（dù）上即可（kě）最终确定刀具安装角度(见图4)。通常是通过目测来判（pàn）断（duàn）刀尖与车床主轴（zhóu）回转中心是否共线，因此（cǐ）会存在一（yī）定误差。根（gēn）据经验，刀尖与车床主轴回转中心（xīn）的距（jù）离相差±0.5mm以内，可以有效（xiào）减少（shǎo）加工颤纹的产生（shēng）。

(4)加工参数及方式选取（qǔ）不当

特殊螺纹接头的加工工艺是决定特殊（shū）螺纹接头质量的重要影响因素，不同的吃刀量、车削速度等都会导致样品加工质量上的差异。此（cǐ）外，加工方式的选择也需要根据加工样品的（de）钢级、尺寸等情况来定。不（bú）同（tóng）的钢（gāng）级、尺寸对应（yīng）不同的加工工艺及加工方式，才能（néng）有效降低加工颤纹出（chū）现的几率（lǜ）。

特殊（shū）螺纹接头的螺纹形式（shì）通常为偏梯螺纹或改良的偏梯螺纹，因（yīn）此，该螺纹的车削属（shǔ）于重车（chē）削。王潇屹等对油（yóu）管外螺纹进行了相（xiàng）同吃刀量（liàng）(0.3mm)、不同车削速度（dù）(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究发现：当（dāng）进给速度过快(120m/min)或过慢(60m/min)时，在螺纹表面都会产生颤纹；而在中间（jiān）速度(80m/min和100m/min)加工时，螺纹表面（miàn）完好。因此，在进行特殊螺纹接（jiē）头加工（gōng）时，应当（dāng）结合加工样品的钢级、尺寸及结构情况，摸索出合理的车削速（sù）度，以避免产生颤纹。另（lìng）外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺纹车削（xuē）过程中（zhōng）颤纹的产生几率。吃刀（dāo）量太大时，刀具受到（dào）的切削阻力大。随着螺纹深度的增加，刀片与样品的接触面积逐渐增大，螺纹车削即将完成时，刀片会承受非常大的切削载荷，从而引起（qǐ）刀片（piàn）出现轻微颤动或崩（bēng）刀，产生颤纹，影响螺纹的表面质量。吃刀量过小、转速较高时，刀具以一定进给（gěi）速（sù）度（dù）前进，被车削的试（shì）样无（wú）法紧压住刀（dāo）片，导致刀片在车削过程中产生颤动，引起颤纹，同时（shí）吃刀量太小也会导致加工效率大幅降低，影响制造厂家的经济效益。

2 避免颤纹（wén）产（chǎn）生的办法

选择合理的车削方式，可以有效改善螺纹的表面质量（liàng）并（bìng）提高刀具的使用寿命。图5为螺（luó）纹车（chē）削常见进刀方式示意图（tú）。径向进刀的特点为各刀刃同时工作，排屑困难，切削力较大，容易（yì）扎刀、振动、刀（dāo）尖易磨损（sǔn），但操作相对（duì）简单，牙型精度较高（gāo），一般适合于小齿形小（xiǎo）螺距的螺纹或脆性材料（liào）的螺纹加工；侧向进刀的特点（diǎn）是不易扎刀，单刃切削，排铁屑顺畅，切削（xuē）力较小，但背吃刀量较大，牙型精度差，螺纹表面粗糙度较大，易出现颤纹，而且不参与（yǔ）切削一侧的刀刃磨损大；改进型侧向（xiàng）进刀则可避免斜（xié）向进刀刀刃磨损（sǔn）大和工件表面（miàn）粗糙度大的（de）问题；交互式进刀切（qiē）削时，两侧刀刃磨损均匀，较适用于加工大螺距（jù）螺纹。因此，对于特殊螺纹的车削，可采用改进型侧向进（jìn）刀或（huò）交（jiāo）互式进刀方式，以实现单刀刃或双刀刃切削，避免3个刀刃同时工作，减小振动出（chū）现的机率（lǜ），避免颤纹的发（fā）生（shēng）。

小结

颤纹是特殊（shū）螺（luó）纹接头生产加工过程中（zhōng）普遍存在的现象，不仅影响特殊螺纹接头的表面质量，还会（huì）导致特（tè）殊螺纹接头的各项性能恶化，因此，加（jiā）工过程中应避免颤纹的产生。

(1)车床、加工样品以及刀具本身的刚性不足是引起颤纹的主（zhǔ）要因素，应当选择刚性高的刀具和车床，同时根据加工管体的实际情况，适当设计或增加一些减振防颤的（de）工装或工艺；

(2)试样装夹（jiá）不规范、刀具安装不合理也是引起颤纹的因素之一（yī），生产厂家应建立相应的试（shì）样（yàng）装夹、刀具（jù）安（ān）装的（de）管理文件（jiàn），定期对（duì）样品装夹和刀（dāo）具安装情况进行检查；

(3)根据加工样品的钢级、尺（chǐ）寸等情况，制定合（hé）理的加工工艺参数（shù）及加工方式，有（yǒu）效控制特殊螺纹接（jiē）头加工过（guò）程中颤纹的产生（shēng）。