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發(fā)表于 2016-10-24 08:26:40
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數(shù)控車床加工特殊螺紋接頭產(chǎn)生顫紋的原因及對策; H0 R, \- C' ~* k5 E4 D
顫紋是特殊螺紋接頭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(chǎn)品質(zhì)量。本文結(jié)合特殊螺紋接頭的加工特點，總結(jié)了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產(chǎn)生的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產(chǎn)質(zhì)量控制提供了一定參考。
6 v {6 e! S1 R) V0 o/ F" o! @, r8 X特殊螺紋接頭是針對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門設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計特點決定了它良好的使用性能和加工精度。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(shù)量逐年增加，對特殊螺紋接頭的性能及質(zhì)量控制要求越來越高。目前，國內(nèi)生產(chǎn)特殊螺紋接頭的廠家大部分都采用進口高精度數(shù)控車床，就是為了更好地控制特殊螺紋接頭的產(chǎn)品質(zhì)量。- Y. r8 s& _; n' L& n
顫紋是特殊螺紋接頭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(chǎn)品質(zhì)量。本文結(jié)合特殊螺紋接頭的加工特點，總結(jié)了特殊螺紋接頭加工過程中顫紋產(chǎn)生的原因及對策，為特殊螺紋接頭的生產(chǎn)質(zhì)量控制提供了一定參考。
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圖1 管頭甩動(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)
& }/ H3 l3 `& B6 r1 顫紋產(chǎn)生的原因& B: Q( v& G( C* N3 o7 x
(1)加工試樣、刀具或車床本身剛性不足
* }+ Z! q( G0 M+ `- O; ?; w特殊螺紋接頭加工過程中，顫紋常見于螺紋車削階段。特殊螺紋加工的螺紋成型面是經(jīng)過連續(xù)加工獲得的，理論上會保持較好的加工表面光潔度，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壁管或者刀具、車床剛性不足，就會在加工過程中發(fā)生振動，從而在螺紋加工表面產(chǎn)生顫紋。# E# r4 ]/ y# d! a. W8 j: h
在剛性較差的薄壁管體上進行螺紋加工時，為避免加工顫紋的產(chǎn)生，可以根據(jù)螺紋的設(shè)計長度、車床的加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(chǎn)生。此外，在進行外螺紋加工時，可根據(jù)管體幾何尺寸，設(shè)計管體內(nèi)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(chǎn)生。; T. l2 h) {# L" I0 g: c
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圖2 管體內(nèi)支撐和輥道上的浮動支撐輥
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& X! }0 |' ?7 [, v特殊螺紋加工時的進給量遠(yuǎn)大于普通車削，因此刀具會承受非常大的車削力。為有效避免加工過程中產(chǎn)生顫紋，要求在設(shè)計時根據(jù)加工管體的材料和特殊螺紋接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，制定合理的刀具設(shè)計方案，特別是設(shè)計內(nèi)螺紋刀桿時，應(yīng)注意刀桿直徑和懸出長度的關(guān)系。一般懸出長度控制在刀桿直徑的1.5-2倍為宜，如果需要加工內(nèi)孔小且長的內(nèi)螺紋時，盡量選擇專業(yè)刀具廠家生產(chǎn)的專用防振刀桿。這些刀桿是為了解決加工孔小行程長的內(nèi)螺紋專門設(shè)計的，一般懸出長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、適合重車削的數(shù)控車床。剛性好的車床可以更有效地控制特殊螺紋接頭加工的質(zhì)量，防止加工過程中出現(xiàn)顫紋。! |/ F$ h$ @* u/ h' O2 z# h( a
(2)加工試樣的裝夾方式不合理8 \9 }! i! I2 X1 @% w
除了車床、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造成顫紋。如果夾持壓力過低，在螺紋加工過程中，試樣會發(fā)生位置移動，導(dǎo)致顫紋產(chǎn)生；如果夾持壓力過高，接頭毛坯在夾緊時有較大的不均勻彈性變形，盡管切削時接頭內(nèi)壁可以被車成正圓孔，但松開后，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盈來實現(xiàn)，當(dāng)橢圓度超差時，會在原本過盈的地方產(chǎn)生間隙或更大的過盈量，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完美貼合，勢必會影響夾持的穩(wěn)定性。當(dāng)夾持穩(wěn)定性降低到一定程度時，便會在加工過程出現(xiàn)樣品移動，產(chǎn)生顫紋。, |9 c6 Q0 M) B5 V
油套管螺紋的加工是一個長期總結(jié)經(jīng)驗的過程，其加工時的夾持壓力就是一個重要的數(shù)據(jù)經(jīng)驗積累，主要根據(jù)加工樣品的尺寸、鋼級以及車床本身的特點長期摸索總結(jié)而來。合理的夾持壓力可以消除樣品在加工過程中的移動，同時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。
& w4 k; g# I% Y2 p同樣，卡爪的設(shè)計也要結(jié)合需要加工樣品的尺寸、鋼級并結(jié)合車床的特點專門設(shè)計。目前，常見的有平面卡爪和圓弧包爪。平面卡爪的夾持形式為點線接觸，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，但會導(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)點是樣品在加工時接觸面積大，受力均勻，加工后的樣品尺寸好，橢圓度佳，但加工時相對容易出現(xiàn)異動，產(chǎn)生顫紋。因此，在加工特殊螺紋接頭時，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)計成平頂齒狀或設(shè)置多個凹槽(見圖3)，以增加其摩擦力。同時，圓弧包爪的圓弧直徑應(yīng)盡量與加工樣品外徑相匹配，最好在加工前根據(jù)加工樣品的外徑尺寸，進行圓弧包爪的工作表面的鏜車，以避免圓弧直徑相差太大而在加工中發(fā)生樣品移動、產(chǎn)生顫紋。還需注意包裹角度的設(shè)計，太小可能會導(dǎo)致夾持力不足，太大則會造成裝夾過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，同時還能有效降低加工過程中顫紋的出現(xiàn)幾率。
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圖3 設(shè)置多凹槽圓弧包爪及夾持工件/ F: b+ g8 K4 L
(3)刀具加工質(zhì)量差或安裝不規(guī)范" Z4 I5 X1 Z$ m `& K/ H, m
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)計不合理以及不規(guī)范安裝都會導(dǎo)致樣品加工時產(chǎn)生顫紋。同時，刀桿安裝時，刀尖與車床主軸回轉(zhuǎn)中心(車床中心高)距離相差較大也是產(chǎn)生顫紋的重要原因之一。: H# I' k) n* }, X& b" Q; _; Z
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，會產(chǎn)生間隙，還有可能存在加工尺寸與設(shè)計方案有出入以及刀具鈍化，這些都會導(dǎo)致顫紋產(chǎn)生。因此，在特殊螺紋接頭加工時，應(yīng)選擇質(zhì)量可靠的專業(yè)刀具。此外，刀片、刀墊安裝不規(guī)范、裝夾不緊或是在車削過程中夾入鐵屑，都會導(dǎo)致加工過程中顫紋的出現(xiàn)。因此，安裝新的刀片、刀墊時，應(yīng)按照操作規(guī)范進行安裝。在加工過程中，也要定期檢查刀片、刀墊是否松動或是夾入鐵屑，如有隱患應(yīng)及時處理，以防止產(chǎn)生顫紋。刀片、刀墊緊固方式的設(shè)計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)驗豐富的專業(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)計方案，以降低加工過程中產(chǎn)生顫紋的可能性。4 I _* P9 k( z5 V
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8 s5 a% J w5 W4 H圖4 刀具安裝規(guī)范
3 b& l! x. P6 d! I刀桿安裝不規(guī)范、刀尖與車床中心高距離相差大，會導(dǎo)致刀具在車削時的刀具角度和理想角度偏差太大，刀具受力不在最佳狀態(tài)，從而導(dǎo)致樣品加工過程中產(chǎn)生振動，出現(xiàn)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距離相差太大。很多國外的專業(yè)刀具廠家會配套專用的對刀器來確定刀具的安裝角度。國產(chǎn)刀具一般不配套對刀器，在確定刀具安裝角度時，可用基準(zhǔn)刀對拔外皮后實心棒料進行平端面車削，找到棒料的圓心，并留下一個小圓錐臺，將需要安裝的刀具刀尖調(diào)整到小圓錐臺軸線的高度上即可最終確定刀具安裝角度(見圖4)。通常是通過目測來判斷刀尖與車床主軸回轉(zhuǎn)中心是否共線，因此會存在一定誤差。根據(jù)經(jīng)驗，刀尖與車床主軸回轉(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 m, u( Y0 @& r(4)加工參數(shù)及方式選取不當(dāng)
+ n" F# u# [& k3 C: [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、車削速度等都會導(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、尺寸等情況來定。不同的鋼級、尺寸對應(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。$ O, R, \% ~! L: Y7 w; m2 p
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，該螺紋的車削屬于重車削。王瀟屹等對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(xiàn)：當(dāng)進給速度過快(120m/min)或過慢(60m/min)時，在螺紋表面都會產(chǎn)生顫紋；而在中間速度(80m/min和100m/min)加工時，螺紋表面完好。因此，在進行特殊螺紋接頭加工時，應(yīng)當(dāng)結(jié)合加工樣品的鋼級、尺寸及結(jié)構(gòu)情況，摸索出合理的車削速度，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削過程中顫紋的產(chǎn)生幾率。吃刀量太大時，刀具受到的切削阻力大。隨著螺紋深度的增加，刀片與樣品的接觸面積逐漸增大，螺紋車削即將完成時，刀片會承受非常大的切削載荷，從而引起刀片出現(xiàn)輕微顫動或崩刀，產(chǎn)生顫紋，影響螺紋的表面質(zhì)量。吃刀量過小、轉(zhuǎn)速較高時，刀具以一定進給速度前進，被車削的試樣無法緊壓住刀片，導(dǎo)致刀片在車削過程中產(chǎn)生顫動，引起顫紋，同時吃刀量太小也會導(dǎo)致加工效率大幅降低，影響制造廠家的經(jīng)濟效益。1 Y9 h; h5 k6 W% _% ~0 A8 |8 `3 D
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; I2 {2 f4 k+ ^/ R0 J圖5 螺紋車削常見進刀方式
2 J) W& U$ [9 T `2 避免顫紋產(chǎn)生的辦法- ~% ~1 X: k' H4 x; s
選擇合理的車削方式，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為螺紋車削常見進刀方式示意圖。徑向進刀的特點為各刀刃同時工作，排屑困難，切削力較大，容易扎刀、振動、刀尖易磨損，但操作相對簡單，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)向進刀的特點是不易扎刀，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；改進型側(cè)向進刀則可避免斜向進刀刀刃磨損大和工件表面粗糙度大的問題；交互式進刀切削時，兩側(cè)刀刃磨損均勻，較適用于加工大螺距螺紋。因此，對于特殊螺紋的車削，可采用改進型側(cè)向進刀或交互式進刀方式，以實現(xiàn)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(xiàn)的機率，避免顫紋的發(fā)生。
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顫紋是特殊螺紋接頭生產(chǎn)加工過程中普遍存在的現(xiàn)象，不僅影響特殊螺紋接頭的表面質(zhì)量，還會導(dǎo)致特殊螺紋接頭的各項性能惡化，因此，加工過程中應(yīng)避免顫紋的產(chǎn)生。
, T5 ?! {& A( U; [(1)車床、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床，同時根據(jù)加工管體的實際情況，適當(dāng)設(shè)計或增加一些減振防顫的工裝或工藝；
/ I" q# o3 N) e(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，定期對樣品裝夾和刀具安裝情況進行檢查；% g4 l% w8 v" G9 v. ]# N
(3)根據(jù)加工樣品的鋼級、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程中顫紋的產(chǎn)生。# H9 u: W9 \: v ^
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