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发表于 2016-10-24 08:26:40
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数控车床加工特殊螺纹接头产生颤纹的原因及对策
+ q8 Y- i+ ?; p$ X4 I# }颤纹是特殊螺纹接头加工过程中常见的加工缺陷，直接影响到特殊螺纹接头的使用性能和产品质量。本文结合特殊螺纹接头的加工特点，总结了特殊螺纹接头加工过程中颤纹产生的原因及对策，为特殊螺纹接头的生产质量控制提供了一定参考。0 Y3 h; ?/ G. v( [$ s" O' g
特殊螺纹接头是针对API螺纹接头密封性能差、上扣控制难、接头应力水平高等不足而专门设计的具有可靠连接强度和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、热采井以及高温高压气井的数量逐年增加，对特殊螺纹接头的性能及质量控制要求越来越高。目前，国内生产特殊螺纹接头的厂家大部分都采用进口高精度数控车床，就是为了更好地控制特殊螺纹接头的产品质量。
; ?1 ^6 @/ n9 [% c颤纹是特殊螺纹接头加工过程中常见的加工缺陷，直接影响到特殊螺纹接头的使用性能和产品质量。本文结合特殊螺纹接头的加工特点，总结了特殊螺纹接头加工过程中颤纹产生的原因及对策，为特殊螺纹接头的生产质量控制提供了一定参考。# H2 }& P4 O& C0 |8 z6 P% M
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3 N* D* C: [# z) H: r) K. P7 I4 m图1 管头甩动(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)4 W/ p" r# }- B1 n4 n1 a
1 颤纹产生的原因
/ m9 n6 @! d( W, r c' _& y- x% M(1)加工试样、刀具或车床本身刚性不足$ G) P7 h& d, J5 T
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成型面是经过连续加工获得的，理论上会保持较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、车床刚性不足，就会在加工过程中发生振动，从而在螺纹加工表面产生颤纹。) k5 P8 x) T4 w5 p7 V
在刚性较差的薄壁管体上进行螺纹加工时，为避免加工颤纹的产生，可以根据螺纹的设计长度、车床的加工特点和刀具装夹方式，确定合理的管体悬出长度(见图1)，以避免管体悬出过长、管头摆动造成加工颤纹的产生。此外，在进行外螺纹加工时，可根据管体几何尺寸，设计管体内支撑和辊道上的浮动支撑辊(见图2)，这样可以更有效地降低颤纹的产生。) q" f6 r( ~8 T0 @: T; G& P0 n5 k
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, L M5 Z/ f/ ?1 Q7 o' V K$ ~图2 管体内支撑和辊道上的浮动支撑辊 j4 D* `9 l* d. S" _8 ?* Y
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特殊螺纹加工时的进给量远大于普通车削，因此刀具会承受非常大的车削力。为有效避免加工过程中产生颤纹，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，应注意刀杆直径和悬出长度的关系。一般悬出长度控制在刀杆直径的1.5-2倍为宜，如果需要加工内孔小且长的内螺纹时，尽量选择专业刀具厂家生产的专用防振刀杆。这些刀杆是为了解决加工孔小行程长的内螺纹专门设计的，一般悬出长度控制在刀杆直径的3-4倍。另外，选择适当的刀具材料和热处理工艺也很重要，合理的刀具材料和热处理工艺可以有效地保证刀具的刚性。尽量选择刚性较好、适合重车削的数控车床。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。) A1 b7 K5 Q6 _4 Z9 _
(2)加工试样的装夹方式不合理. z" ~: ? d9 F8 i
除了车床、刀具以及管体本身的刚性不足，加工试样的装夹方式也是导致颤纹出现的主要原因，例如夹持压力不合理或夹具卡爪尺寸不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，试样会发生位置移动，导致颤纹产生；如果夹持压力过高，接头毛坯在夹紧时有较大的不均匀弹性变形，尽管切削时接头内壁可以被车成正圆孔，但松开后，接头弹性恢复，导致样品椭圆度超差。特殊螺纹接头的密封性能主要靠金属过盈来实现，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，使特殊螺纹接头泄漏或发生粘扣。此外，卡爪尺寸不合适，不能与加工试样的外表面完美贴合，势必会影响夹持的稳定性。当夹持稳定性降低到一定程度时，便会在加工过程出现样品移动，产生颤纹。: F3 ~; j0 T* N. i& t% Q
油套管螺纹的加工是一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据经验积累，主要根据加工样品的尺寸、钢级以及车床本身的特点长期摸索总结而来。合理的夹持压力可以消除样品在加工过程中的移动，同时把样品变形控制在弹性范围内，这样既可以有效消除加工颤纹，还可以保证特殊螺纹的椭圆度。7 L- j/ b' w$ d- R' L+ @7 H+ c; b
同样，卡爪的设计也要结合需要加工样品的尺寸、钢级并结合车床的特点专门设计。目前，常见的有平面卡爪和圆弧包爪。平面卡爪的夹持形式为点线接触，这种夹持方式接触面积小，可以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，但会导致样品受力不均，使样品加工后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积大，受力均匀，加工后的样品尺寸好，椭圆度佳，但加工时相对容易出现异动，产生颤纹。因此，在加工特殊螺纹接头时，应尽量选择圆弧包爪，且包爪与样品接触的工作面应当设计成平顶齿状或设置多个凹槽(见图3)，以增加其摩擦力。同时，圆弧包爪的圆弧直径应尽量与加工样品外径相匹配，最好在加工前根据加工样品的外径尺寸，进行圆弧包爪的工作表面的镗车，以避免圆弧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，太小可能会导致夹持力不足，太大则会造成装夹过程中卡爪之间的相互干涉，导致样品夹持不紧，产生颤纹。因此，在特殊螺纹的加工过程中，尽量选择与加工样品外径匹配的大摩擦力圆弧包爪，包裹角度应达到整个样品圆周的中上水平，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现几率。
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: D' F1 q4 h0 y s' t& g图3 设置多凹槽圆弧包爪及夹持工件. I; f- n1 z% m K: l1 r3 h
(3)刀具加工质量差或安装不规范# c8 ~& E( V! i4 }; w
刀片、刀垫本身加工质量参差不齐、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，刀杆安装时，刀尖与车床主轴回转中心(车床中心高)距离相差较大也是产生颤纹的重要原因之一。6 z. W: h: |8 ^5 @- i
刀片、刀垫以及相关配件的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，不能很好地相互配合，会产生间隙，还有可能存在加工尺寸与设计方案有出入以及刀具钝化，这些都会导致颤纹产生。因此，在特殊螺纹接头加工时，应选择质量可靠的专业刀具。此外，刀片、刀垫安装不规范、装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的出现。因此，安装新的刀片、刀垫时，应按照操作规范进行安装。在加工过程中，也要定期检查刀片、刀垫是否松动或是夹入铁屑，如有隐患应及时处理，以防止产生颤纹。刀片、刀垫紧固方式的设计合理性也是影响颤纹出现的重要原因之一，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的刀片、刀垫紧固设计方案，以降低加工过程中产生颤纹的可能性。
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图4 刀具安装规范% Y: |8 V( n2 O4 K, _, r- S
刀杆安装不规范、刀尖与车床中心高距离相差大，会导致刀具在车削时的刀具角度和理想角度偏差太大，刀具受力不在最佳状态，从而导致样品加工过程中产生振动，出现颤纹。因此，在进行刀具对刀时，一定要注意刀具安装的角度，避免刀尖与车床中心高距离相差太大。很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器，在确定刀具安装角度时，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到小圆锥台轴线的高度上即可最终确定刀具安装角度(见图4)。通常是通过目测来判断刀尖与车床主轴回转中心是否共线，因此会存在一定误差。根据经验，刀尖与车床主轴回转中心的距离相差±0.5mm以内，可以有效减少加工颤纹的产生。0 e5 I7 a2 g! {5 u5 f% E2 r% Y2 C
(4)加工参数及方式选取不当
1 n* @9 H- L. q) ?" k/ h+ P" ]特殊螺纹接头的加工工艺是决定特殊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。此外，加工方式的选择也需要根据加工样品的钢级、尺寸等情况来定。不同的钢级、尺寸对应不同的加工工艺及加工方式，才能有效降低加工颤纹出现的几率。
" p" l/ f* b6 x" @6 Z特殊螺纹接头的螺纹形式通常为偏梯螺纹或改良的偏梯螺纹，因此，该螺纹的车削属于重车削。王潇屹等对油管外螺纹进行了相同吃刀量(0.3mm)、不同车削速度(60m/min、80m/min、100m/min、120m/min)的研究发现：当进给速度过快(120m/min)或过慢(60m/min)时，在螺纹表面都会产生颤纹；而在中间速度(80m/min和100m/min)加工时，螺纹表面完好。因此，在进行特殊螺纹接头加工时，应当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度，以避免产生颤纹。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺纹车削过程中颤纹的产生几率。吃刀量太大时，刀具受到的切削阻力大。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，从而引起刀片出现轻微颤动或崩刀，产生颤纹，影响螺纹的表面质量。吃刀量过小、转速较高时，刀具以一定进给速度前进，被车削的试样无法紧压住刀片，导致刀片在车削过程中产生颤动，引起颤纹，同时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。
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图5 螺纹车削常见进刀方式- D1 ~: E9 r7 J4 c
2 避免颤纹产生的办法/ L: @1 y8 v# z8 D5 @
选择合理的车削方式，可以有效改善螺纹的表面质量并提高刀具的使用寿命。图5为螺纹车削常见进刀方式示意图。径向进刀的特点为各刀刃同时工作，排屑困难，切削力较大，容易扎刀、振动、刀尖易磨损，但操作相对简单，牙型精度较高，一般适合于小齿形小螺距的螺纹或脆性材料的螺纹加工；侧向进刀的特点是不易扎刀，单刃切削，排铁屑顺畅，切削力较小，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，而且不参与切削一侧的刀刃磨损大；改进型侧向进刀则可避免斜向进刀刀刃磨损大和工件表面粗糙度大的问题；交互式进刀切削时，两侧刀刃磨损均匀，较适用于加工大螺距螺纹。因此，对于特殊螺纹的车削，可采用改进型侧向进刀或交互式进刀方式，以实现单刀刃或双刀刃切削，避免3个刀刃同时工作，减小振动出现的机率，避免颤纹的发生。4 s4 p8 y% p, K
小结5 G' K, K( v. ]
颤纹是特殊螺纹接头生产加工过程中普遍存在的现象，不仅影响特殊螺纹接头的表面质量，还会导致特殊螺纹接头的各项性能恶化，因此，加工过程中应避免颤纹的产生。' ?+ a7 n: N1 I+ n
(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工装或工艺；2 k* n' ?: W4 ~6 g4 a# i9 Y# K
(2)试样装夹不规范、刀具安装不合理也是引起颤纹的因素之一，生产厂家应建立相应的试样装夹、刀具安装的管理文件，定期对样品装夹和刀具安装情况进行检查；
O$ D& F: q1 k. i(3)根据加工样品的钢级、尺寸等情况，制定合理的加工工艺参数及加工方式，有效控制特殊螺纹接头加工过程中颤纹的产生。7 I# G7 V( I \9 [5 E4 X6 z
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