張嚴敬 劉和慶 宋承軍

（山東能源重裝集團金源機械有限公司，山東 棗莊 277000）

BD 吊卡是油田石油鉆采提升工具，工作時承受大的瞬時沖擊力，對產(chǎn)品質(zhì)量要求極為嚴格。石油吊卡材質(zhì)主要是42CrMo。在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)原鍛打工藝有部分石油吊卡毛坯內(nèi)部出現(xiàn)裂紋、外形尺寸加工量大等問題，每鍛打200 件就出現(xiàn)漲模和裂紋情況，需要重新制模。隨著環(huán)保治理要求越來越嚴，現(xiàn)在鍛件市場持續(xù)升溫，產(chǎn)品供不應求。公司分析原鍛造工藝問題，充分利用與改造現(xiàn)有鍛造設備，改進工藝工裝，提高石油吊卡鍛造質(zhì)量，最大限度減少機械加工部位和加工余量。

1 石油吊卡鍛件質(zhì)量缺陷分析

公司對2018 年度生產(chǎn)1200 件石油吊卡進行了質(zhì)量分析，共發(fā)現(xiàn)108 個有鍛造缺陷，不合格品率為9%。原因分析：一是鍛模模腔設計不合理，模具選用材質(zhì)在高溫重力作用下容易變形，出現(xiàn)鍛件坯料流動性差缺肉、錯移、加工量大；二是過燒現(xiàn)象時有發(fā)生，氧化皮較重且石油吊卡內(nèi)部有裂紋現(xiàn)象；三是熱處理工藝不規(guī)范，在熱處理過程中產(chǎn)生變形甚至開裂；四是模具使用時的工作環(huán)境及工人的操作方式加速了模具的失效。以上因素導致產(chǎn)品合格品率、鍛造效率和鍛模使用壽命都較低。經(jīng)過研究與實踐，從制坯、鍛模和熱處理三大方面對石油吊卡進行工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制，達到了滿意的效果。

2 鍛造設備選擇和使用

公司對吊卡坯料采用750 kW 中頻爐加熱，加熱節(jié)拍30 s/件。由于該加熱方式加熱均勻，加熱速度快，溫度可調(diào)可控，芯表溫差極小，氧化少，避免坯料過燒。當坯料燒至高于鍛打溫度50 ℃時，由中頻爐直接傳送到自動傳料裝置上，然后經(jīng)托輥輸送線主動傳輸?shù)?500 t 摩擦壓力機上直接進行鍛打，一次成型，不僅保證鍛造精度，還提高了鍛造效率和鍛件產(chǎn)品的密實度。

3 模鍛充填精確成型工藝

（1）上下模開坯精修

對石油吊卡結(jié)構(gòu)進行工藝性修訂（圖1），確定重要的尺寸及加工余量，結(jié)構(gòu)對稱設計，采用過渡圓角與過渡圓錐減小組織應力。通過計算機三維建模，計算上、下模（圖2、圖3）模腔尺寸及配合間隙，調(diào)整鍛件分模面的角度，消除分模面的落差，以達到平衡模鍛過程中產(chǎn)生的水平錯移力的目的，模擬鍛模型腔數(shù)控編程進行開粗及型腔銑。上下模開粗后再進行數(shù)控銑精加工和滾壓，保證了模腔表面粗糙度由Ra=3.2 μm 降低為 Ra=0.4 μm，并使模腔加工的磨削方向與金屬流動方向保持一致，以提高鍛件外觀質(zhì)量和鍛模使用壽命。

鍛打時進行坯料和鍛模溫度控制。石油吊卡坯料始鍛溫度控制到1150～1200 ℃，終鍛溫度控制到900 ℃，坯料在終鍛模腔成型時，金屬變形抗力小，氧化皮軟且能脫離金屬表面起潤滑作用，從而有利于金屬的充填成型。通過加熱器對鍛模上下模進行預熱，預熱溫度達到250～350 ℃之間并保持恒溫，以減少金屬變形溫度損失，便于金屬流動和提高鍛件質(zhì)量、鍛造效率和鍛模使用壽命。

圖1 石油吊卡三維模擬

圖2 石油吊卡上模

圖3 石油吊卡下模

（2）沖孔切邊復合模熱沖切工藝

設計制作沖孔切邊復合模，該模具由外模和內(nèi)模組成。外模的工作刃口是一個封閉的輪廓，與鍛模下模分模面的輪廓相吻合。內(nèi)模是模具工作過程中用以傳遞壓力的零件，和鍛模上模部分的輪廓相吻合。鍛打出的石油吊卡利用630 t 壓力機進行一體式?jīng)_孔切邊，可以使石油吊卡的機械加工余量降至僅為鍛件重量的1.8%左右，不僅有效控制尺寸偏差不產(chǎn)生變形，無微小裂紋，保證了吊卡前后左右尺寸的一致性，還極大節(jié)約了材料成本、加工成本。

4 熱處理工藝優(yōu)化

鍛模上下模和復合模材質(zhì)選用H13 模具鋼。為解決模具制造工序及殘余應力的影響，提高模具的使用壽命，獲得熱硬性和高的耐磨性，使用真空熱處理爐進行熱處理。上下模和復合模下料后先進行球化退火，預加熱至650 ℃保溫2.5 h 隨爐冷卻，以便在淬火加熱時，奧氏體晶粒不易粗大，冷卻時變形和開裂傾向小。粗加工后真空爐二次淬火處理，即在800～850 ℃進行一次預熱保溫4 h，1100 ℃二次預熱保溫4 h，在520 ℃回火保溫8 h。該鍛模經(jīng)淬火—高溫回火后，具有很高的強韌性、熱疲勞性和抗熱龜裂性，同時具有良好的抗氧化性和熱穩(wěn)定性，硬度檢測達到HRC48-52。

鍛打成型的石油吊卡則采用正火處理，即加熱至850 ℃后保溫3.5 h 空冷，最后經(jīng)過噴丸強化。石油吊卡的使用可靠性、耐久性均獲得明顯的改善和提高，達到改善耐磨性、抗疲勞和耐腐蝕性的目的，實現(xiàn)表面消光、去氧化皮和消除鍛件殘余應力的品質(zhì)保證。

5 結(jié)語

石油吊卡是油田鉆采的關鍵零件，公司通過優(yōu)化工藝，在BD76、BD92 等鍛件產(chǎn)品上應用新工裝模具，均獲得了外部加工量控制在5 mm 的優(yōu)質(zhì)毛坯件，提高了鍛造效率和鍛打成型質(zhì)量。下料重量由原來的55 kg/件降低到50 kg/件，自動加熱坯料加熱均勻，芯表溫差極小，延長了鍛模的使用壽命，生產(chǎn)效率高，氧化少，鍛模結(jié)構(gòu)簡單，操作安全可靠，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)于國內(nèi)同行業(yè)。