特殊螺紋接頭是針對(duì)API螺紋接頭密封性能差、上扣控制難、接頭應(yīng)力水平高等不足而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的具有可靠連接強(qiáng)度和良好密封性能的專(zhuān)用油套管接頭，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)決定了它良好的使用性能和加工精度。隨著我國(guó)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(shù)量逐年增加，對(duì)特殊螺紋接頭的性能及質(zhì)量控制要求越來(lái)越高。目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進(jìn)口數(shù)控車(chē)床，就是為了更好地控制特殊螺紋接頭的產(chǎn)品質(zhì)量。
顫紋是特殊螺紋接頭加工過(guò)程中常見(jiàn)的加工缺陷，直接影響到特殊螺紋接頭的使用性能和產(chǎn)品質(zhì)量。本文結(jié)合特殊螺紋接頭的加工特點(diǎn)，總結(jié)了特殊螺紋接頭加工過(guò)程中顫紋產(chǎn)生的原因及對(duì)策，為特殊螺紋接頭的生產(chǎn)質(zhì)量控制提供了一定參考。
管頭甩動(dòng)
顫紋產(chǎn)生的原因
()加工試樣、刀具或車(chē)床本身剛性不足
特殊螺紋接頭加工過(guò)程中，顫紋常見(jiàn)于螺紋車(chē)削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型面是經(jīng)過(guò)連續(xù)加工獲得的，理論上會(huì)保持較好的加工表面光潔度，而不會(huì)像普通車(chē)削加工那樣受進(jìn)給量的影響。但如果加工剛性較差的薄壁管或者刀具、車(chē)床剛性不足，就會(huì)在加工過(guò)程中發(fā)生振動(dòng)，從而在螺紋加工表面產(chǎn)生顫紋。
在剛性較差的薄壁管體上進(jìn)行螺紋加工時(shí)，為避免加工顫紋的產(chǎn)生，可以根據(jù)螺紋的設(shè)計(jì)長(zhǎng)度、車(chē)床的加工特點(diǎn)和刀具裝夾方式，確定合理的管體懸出長(zhǎng)度(見(jiàn)圖)，以避免管體懸出過(guò)長(zhǎng)、管頭擺動(dòng)造成加工顫紋的產(chǎn)生。此外，在進(jìn)行外螺紋加工時(shí)，可根據(jù)管體幾何尺寸，設(shè)計(jì)管體內(nèi)支撐和輥道上的浮動(dòng)支撐輥(見(jiàn)圖2)，這樣可以更有效地降低顫紋的產(chǎn)生。
管體內(nèi)支撐和輥道上的浮動(dòng)支撐輥
特殊螺紋加工時(shí)的進(jìn)給量遠(yuǎn)大于普通車(chē)削，因此刀具會(huì)承受非常大的車(chē)削力。為有效避免加工過(guò)程中產(chǎn)生顫紋，要求在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)加工管體的材料和特殊螺紋接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，制定合理的刀具設(shè)計(jì)方案，特別是設(shè)計(jì)內(nèi)螺紋刀桿時(shí)，應(yīng)注意刀桿直徑和懸出長(zhǎng)度的關(guān)系。一般懸出長(zhǎng)度控制在刀桿直徑的.5-2倍為宜，如果需要加工內(nèi)孔小且長(zhǎng)的內(nèi)螺紋時(shí)，盡量選擇專(zhuān)業(yè)刀具廠家生產(chǎn)的專(zhuān)用防振刀桿。這些刀桿是為了解決加工孔小行程長(zhǎng)的內(nèi)螺紋專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的，一般懸出長(zhǎng)度控制在刀桿直徑的3-4倍。另外，選擇適當(dāng)?shù)牡毒卟牧虾蜔崽幚砉に囈埠苤匾?，合理的刀具材料和熱處理工藝可以有效地保證刀具的剛性。盡量選擇剛性較好、適合重車(chē)削的數(shù)控車(chē)床。剛性好的車(chē)床可以更有效地控制特殊螺紋接頭加工的質(zhì)量，防止加工過(guò)程現(xiàn)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導(dǎo)致顫紋出現(xiàn)的主要原因，例如夾持壓力不合理或夾具卡爪尺寸不合適等都會(huì)造成顫紋。如果夾持壓力過(guò)低，在螺紋加工過(guò)程中，試樣會(huì)發(fā)生位置移動(dòng)，導(dǎo)致顫紋產(chǎn)生；如果夾持壓力過(guò)高，接頭毛坯在夾緊時(shí)有較大的不均勻彈性變形，盡管切削時(shí)接頭內(nèi)壁可以被車(chē)成正圓孔，但松開(kāi)后，接頭彈性恢復(fù)，導(dǎo)致樣品橢圓度超差。特殊螺紋接頭的密封性能主要靠金屬過(guò)盈來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)橢圓度超差時(shí)，會(huì)在原本過(guò)盈的地方產(chǎn)生間隙或更大的過(guò)盈量，使特殊螺紋接頭泄漏或發(fā)生粘扣。此外，卡爪尺寸不合適，不能與加工試樣的外表面貼合，勢(shì)必會(huì)影響夾持的穩(wěn)定性。當(dāng)夾持穩(wěn)定性降低到一定程度時(shí)，便會(huì)在加工過(guò)程出現(xiàn)樣品移動(dòng)，產(chǎn)生顫紋。
油套管螺紋的加工是一個(gè)長(zhǎng)期總結(jié)經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程，其加工時(shí)的夾持壓力就是一個(gè)重要的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累，主要根據(jù)加工樣品的尺寸、鋼級(jí)以及車(chē)床本身的特點(diǎn)長(zhǎng)期摸索總結(jié)而來(lái)。合理的夾持壓力可以消除樣品在加工過(guò)程中的移動(dòng)，同時(shí)把樣品變形控制在彈性范圍內(nèi)，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(shè)計(jì)也要結(jié)合需要加工樣品的尺寸、鋼級(jí)并結(jié)合車(chē)床的特點(diǎn)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。目前，常見(jiàn)的有平面卡爪和圓弧包爪。平面卡爪的夾持形式為點(diǎn)線接觸，這種夾持方式接觸面積小，可以有效增加卡爪和樣品表面之間的夾持力，防止加工樣品的移動(dòng)，但會(huì)導(dǎo)致樣品受力不均，使樣品加工后的尺寸或橢圓度超差。圓弧包爪夾持方式的優(yōu)點(diǎn)是樣品在加工時(shí)接觸面積大，受力均勻，加工后的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時(shí)相對(duì)容易出現(xiàn)異動(dòng)，產(chǎn)生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時(shí)，應(yīng)盡量選擇圓弧包爪，且包爪與樣品接觸的工作面應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)成平頂齒狀或設(shè)置多個(gè)凹槽(見(jiàn)圖3)，以增加其摩擦力。同時(shí)，圓弧包爪的圓弧直徑應(yīng)盡量與加工樣品外徑相匹配，好在加工前根據(jù)加工樣品的外徑尺寸，進(jìn)行圓弧包爪的工作表面的鏜車(chē)，以避免圓弧直徑相差太大而在加工中發(fā)生樣品移動(dòng)、產(chǎn)生顫紋。還需注意包裹角度的設(shè)計(jì)，太小可能會(huì)導(dǎo)致夾持力不足，太大則會(huì)造成裝夾過(guò)程中卡爪之間的相互干涉，導(dǎo)致樣品夾持不緊，產(chǎn)生顫紋。因此，在特殊螺紋的加工過(guò)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(yīng)達(dá)到整個(gè)樣品圓周的中上水平，這樣不僅可以保證樣品的加工尺寸，同時(shí)還能有效降低加工過(guò)程中顫紋的出現(xiàn)幾率。
設(shè)置多凹槽圓弧包爪及夾持工件
(3)刀具加工質(zhì)量差或安裝不規(guī)范
刀片、刀墊本身加工質(zhì)量參差不齊、誤差大或緊固裝置設(shè)計(jì)不合理以及不規(guī)范安裝都會(huì)導(dǎo)致樣品加工時(shí)產(chǎn)生顫紋。同時(shí)，刀桿安裝時(shí)，刀尖與車(chē)床主軸回轉(zhuǎn)中心(車(chē)床中心高)距離相差較大也是產(chǎn)生顫紋的重要原因之一。
刀片、刀墊以及相關(guān)配件的質(zhì)量情況直接決定了樣品的加工質(zhì)量，質(zhì)量差的刀片、刀墊安裝在刀桿上后，不能很好地相互配合，會(huì)產(chǎn)生間隙，還有可能存在加工尺寸與設(shè)計(jì)方案有出入以及刀具鈍化，這些都會(huì)導(dǎo)致顫紋產(chǎn)生。因此，在特殊螺紋接頭加工時(shí)，應(yīng)選擇質(zhì)量可靠的專(zhuān)業(yè)刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規(guī)范、裝夾不緊或是在車(chē)削過(guò)程中夾入鐵屑，都會(huì)導(dǎo)致加工過(guò)程中顫紋的出現(xiàn)。因此，安裝新的刀片、刀墊時(shí)，應(yīng)按照操作規(guī)范進(jìn)行安裝。在加工過(guò)程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否松動(dòng)或是夾入鐵屑，如有隱患應(yīng)及時(shí)處理，以防止產(chǎn)生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設(shè)計(jì)合理性也是影響顫紋出現(xiàn)的重要原因之一，應(yīng)盡量選擇經(jīng)驗(yàn)豐富的專(zhuān)業(yè)刀片、刀墊制造廠家或使用較為成熟的刀片、刀墊緊固設(shè)計(jì)方案，以降低加工過(guò)程中產(chǎn)生顫紋的可能性。
刀具安裝規(guī)范
刀桿安裝不規(guī)范、刀尖與車(chē)床中心高距離相差大，會(huì)導(dǎo)致刀具在車(chē)削時(shí)的刀具角度和理想角度偏差太大，刀具受力不在佳狀態(tài)，從而導(dǎo)致樣品加工過(guò)程中產(chǎn)生振動(dòng)，出現(xiàn)顫紋。因此，在進(jìn)行刀具對(duì)刀時(shí)，一定要注意刀具安裝的角度，避免刀尖與車(chē)床中心高距離相差太大。很多國(guó)外的專(zhuān)業(yè)刀具廠家會(huì)配套專(zhuān)用的對(duì)刀器來(lái)確定刀具的安裝角度。國(guó)產(chǎn)刀具一般不配套對(duì)刀器，在確定刀具安裝角度時(shí)，可用基準(zhǔn)刀對(duì)拔外皮后實(shí)心棒料進(jìn)行平端面車(chē)削，找到棒料的圓心，并留下一個(gè)小圓錐臺(tái)，將需要安裝的刀具刀尖調(diào)整到小圓錐臺(tái)軸線的高度上即可終確定刀具安裝角度(見(jiàn)圖4)。通常是通過(guò)目測(cè)來(lái)判斷刀尖與車(chē)床主軸回轉(zhuǎn)中心是否共線，因此會(huì)存在一定誤差。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，刀尖與車(chē)床主軸回轉(zhuǎn)中心的距離相差±0.5mm以內(nèi)，可以有效減少加工顫紋的產(chǎn)生。
(4)加工參數(shù)及方式選取不當(dāng)
特殊螺紋接頭的加工工藝是決定特殊螺紋接頭質(zhì)量的重要影響因素，不同的吃刀量、車(chē)削速度等都會(huì)導(dǎo)致樣品加工質(zhì)量上的差異。此外，加工方式的選擇也需要根據(jù)加工樣品的鋼級(jí)、尺寸等情況來(lái)定。不同的鋼級(jí)、尺寸對(duì)應(yīng)不同的加工工藝及加工方式，才能有效降低加工顫紋出現(xiàn)的幾率。
特殊螺紋接頭的螺紋形式通常為偏梯螺紋或改良的偏梯螺紋，因此，該螺紋的車(chē)削屬于重車(chē)削。王瀟屹等對(duì)油管外螺紋進(jìn)行了相同吃刀量(0.3mm)、不同車(chē)削速度(60m/min、80m/min、00m/min、20m/min)的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)進(jìn)給速度過(guò)快(20m/min)或過(guò)慢(60m/min)時(shí)，在螺紋表面都會(huì)產(chǎn)生顫紋；而在中間速度(80m/min和00m/min)加工時(shí)，螺紋表面完好。因此，在進(jìn)行特殊螺紋接頭加工時(shí)，應(yīng)當(dāng)結(jié)合加工樣品的鋼級(jí)、尺寸及結(jié)構(gòu)情況，摸索出合理的車(chē)削速度，以避免產(chǎn)生顫紋。另外，合理的吃刀量分配也可大幅降低螺紋車(chē)削過(guò)程中顫紋的產(chǎn)生幾率。吃刀量太大時(shí)，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸面積逐漸增大，螺紋車(chē)削即將完成時(shí)，刀片會(huì)承受非常大的切削載荷，從而引起刀片出現(xiàn)輕微顫動(dòng)或崩刀，產(chǎn)生顫紋，影響螺紋的表面質(zhì)量。吃刀量過(guò)小、轉(zhuǎn)速較高時(shí)，刀具以一定進(jìn)給速度前進(jìn)，被車(chē)削的試樣無(wú)法緊壓住刀片，導(dǎo)致刀片在車(chē)削過(guò)程中產(chǎn)生顫動(dòng)，引起顫紋，同時(shí)吃刀量太小也會(huì)導(dǎo)致加工效率大幅降低，影響制造廠家的經(jīng)濟(jì)效益。
螺紋車(chē)削常見(jiàn)進(jìn)刀方式
2 避免顫紋產(chǎn)生的辦法
選擇合理的車(chē)削方式，可以有效改善螺紋的表面質(zhì)量并提高刀具的使用壽命。圖5為螺紋車(chē)削常見(jiàn)進(jìn)刀方式示意圖。徑向進(jìn)刀的特點(diǎn)為各刀刃同時(shí)工作，排屑困難，切削力較大，容易扎刀、振動(dòng)、刀尖易磨損，但操作相對(duì)簡(jiǎn)單，牙型精度較高，一般適合于小齒形小螺距的螺紋或脆性材料的螺紋加工；側(cè)向進(jìn)刀的特點(diǎn)是不易扎刀，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，螺紋表面粗糙度較大，易出現(xiàn)顫紋，而且不參與切削一側(cè)的刀刃磨損大；改進(jìn)型側(cè)向進(jìn)刀則可避免斜向進(jìn)刀刀刃磨損大和工件表面粗糙度大的問(wèn)題；交互式進(jìn)刀切削時(shí)，兩側(cè)刀刃磨損均勻，較適用于加工大螺距螺紋。因此，對(duì)于特殊螺紋的車(chē)削，可采用改進(jìn)型側(cè)向進(jìn)刀或交互式進(jìn)刀方式，以實(shí)現(xiàn)單刀刃或雙刀刃切削，避免3個(gè)刀刃同時(shí)工作，減小振動(dòng)出現(xiàn)的機(jī)率，避免顫紋的發(fā)生。
小結(jié)
顫紋是特殊螺紋接頭生產(chǎn)加工過(guò)程中普遍存在的現(xiàn)象，不僅影響特殊螺紋接頭的表面質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致特殊螺紋接頭的各項(xiàng)性能惡化，因此，加工過(guò)程中應(yīng)避免顫紋的產(chǎn)生。
()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(yīng)當(dāng)選擇剛性高的刀具和車(chē)床，同時(shí)根據(jù)加工管體的實(shí)際情況，適當(dāng)設(shè)計(jì)或增加一些減振防顫的工裝或工藝；
(2)試樣裝夾不規(guī)范、刀具安裝不合理也是引起顫紋的因素之一，生產(chǎn)廠家應(yīng)建立相應(yīng)的試樣裝夾、刀具安裝的管理文件，定期對(duì)樣品裝夾和刀具安裝情況進(jìn)行檢查；
(3)根據(jù)加工樣品的鋼級(jí)、尺寸等情況，制定合理的加工工藝參數(shù)及加工方式，有效控制特殊螺紋接頭加工過(guò)程中顫紋的產(chǎn)生。