王 磊

（中國(guó)石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

微型鉆孔是一種鉆孔口徑不超過(guò)88.9 mm 的新型鉆孔技術(shù)，具有成本低、產(chǎn)量高、易于信息化、智能化、自動(dòng)化等特點(diǎn)。

螺旋鉆是一種用于提升機(jī)械鉆速的井下動(dòng)力鉆工具，機(jī)械性能好、過(guò)載能力大，其主要組件是電機(jī)組件，電機(jī)組件包括定子和轉(zhuǎn)子，在定子內(nèi)孔上粘貼一塊膠皮。普通的螺旋鉆具定子結(jié)構(gòu)包括兩種類型，一種是傳統(tǒng)定子（圖1a）），另一種是等壁厚定子（圖1b））。傳統(tǒng)定子襯里的厚度是不均勻的，抗變形能力很弱，而且橡膠襯里容易產(chǎn)生熱老化，使得電機(jī)效率大大降低。在定子鐵管等壁厚的內(nèi)腔中，經(jīng)過(guò)多道弧形表面的處理，可大大提升軸瓦的散熱性及抗畸變的能力，從而有效延長(zhǎng)定子鐵管的工作特性及壽命，具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

圖1 螺桿鉆具定子模型

然而，等厚度定子內(nèi)螺線形大長(zhǎng)徑比的內(nèi)螺線形表面在機(jī)床加工上一直是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，尤其是小尺度內(nèi)螺線形表面的加工難度更大。鑒于目前螺桿鉆具所面臨的問(wèn)題，本文以定子金屬管外層為螺旋、內(nèi)壁橡膠軸襯均勻壁厚的雙等壁厚螺桿鉆具定子結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象（圖1c）），展開(kāi)定子螺旋管加工方法的研究，加強(qiáng)散熱性能、降低零件重量、提高材料利用率，外螺旋曲線還擴(kuò)大了環(huán)空過(guò)流面，有利于巖屑的運(yùn)移，所以在小直徑鉆孔中表現(xiàn)出更大的優(yōu)勢(shì)。

與常規(guī)等壁厚螺桿固定子軸徑較小，制造難度較大，有必要對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)研究。液壓成型工藝的工藝原理是以液體為傳力媒介，利用液壓力和模型腔的相互作用，將標(biāo)準(zhǔn)的管子或平板成型出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體部件，取代了常規(guī)的焊接或鑄造工藝，節(jié)省了工藝過(guò)程，也充分利用了物料，使其發(fā)揮最大功效，且模具制作簡(jiǎn)單、周期短、成本低，為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的輕量化、無(wú)余量、高精度和一體化發(fā)展提供了條件。本文以流體加壓為基礎(chǔ)，采用有限元方法對(duì)管件的外徑、壁厚和流體壓力進(jìn)行了數(shù)值模擬；對(duì)液壓加載路徑、擠壓速度和摩擦因數(shù)進(jìn)行研究。

1 材料拉伸實(shí)驗(yàn)

根據(jù)ATM 規(guī)范要求，使用MTS 型電抗器對(duì)304 不銹鋼的抗拉性能進(jìn)行測(cè)試（圖2）。

圖2 304 不銹鋼拉伸測(cè)試

2 建立有限元模型

充液體加壓成形等壁厚度的螺線管的工作原理如圖3 所示。為了防止拔模過(guò)程中出現(xiàn)的相互干擾，將內(nèi)部螺旋彎管按軸線方向等份地切割成與內(nèi)部螺旋彎管頭部個(gè)數(shù)相等的型腔，使其在沖模過(guò)程中從圓形孔進(jìn)入內(nèi)部螺旋彎管。該沖頭采用同軸移動(dòng)對(duì)管子進(jìn)行加壓，并在管子中注入一種高壓流體。當(dāng)沖頭封閉時(shí)，該壓力流體使得線圈管子完全膨脹并緊固在沖頭中。最后卸下壓力，使模具作同軸移動(dòng)、脫離盤(pán)繞，加工結(jié)束。

圖3 充液壓制成形等壁厚螺旋管原理

3 工藝參數(shù)對(duì)成形質(zhì)量的影響

3.1 管件外徑

8 個(gè)類型的管子外徑為50.5～54.0 mm（間距0.5 mm）、壁厚為5 mm、長(zhǎng)度為360 mm。流體的加載量和結(jié)晶器的移動(dòng)速度是同步的，流體的最大壓力為600 MPa。

分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管件外直徑變小時(shí)，鋼管安全區(qū)間有增大的傾向，嚴(yán)重起皺、起皺和欠脹區(qū)域變小。在管材的外徑分別為Φ54 mm 和Φ53.5 mm 的情況下，管材的大多數(shù)部位出現(xiàn)了明顯的褶皺現(xiàn)象。在管材的直徑分別為Φ53 mm 和Φ52.5 mm 的情況下，管材的較大范圍的膨脹是不夠的。當(dāng)管子的直徑為52 mm 時(shí)，在管子的末端有一個(gè)很大面積的缺陷區(qū)，并且在管子的中部則存在顯著的缺陷區(qū)。在管件的外徑分別為Φ51.5 mm、Φ51 mm、Φ50.5 mm時(shí)，在成型極限曲線上，盤(pán)條的曲面基本上處在安全區(qū)域內(nèi)，只有在兩端有一些地方出現(xiàn)了褶皺。

當(dāng)管件的外徑變小時(shí)，最小壁厚和最大壁厚也變小，當(dāng)管件的外徑為Φ51 mm 和Φ50.5 mm 時(shí)，最小壁厚最小。將螺紋管的表面品質(zhì)和螺紋管的壁厚進(jìn)行全面的考量，最終選定外徑51.5 mm 和23.25 mm 的螺紋管。

3.2 管件壁厚

選擇外徑為23.25 mm 的管件，摩擦因數(shù)為0.125，壁厚5.0～5.5 mm 的管子進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，隨著管材的厚度增大，螺桿管的膨脹不完全區(qū)域增多，膨脹不完全區(qū)域也隨之增大，并且膨脹不完全區(qū)域的分布范圍越來(lái)越廣。結(jié)果表明，在5.4 mm和5.5 mm 兩種壁厚下，螺桿管的膨脹不完全區(qū)面積更大，而且分布更廣。對(duì)于壁厚5.3 mm 的管材，由于管材的壁厚會(huì)導(dǎo)致線圈的末端部分膨脹不足。由成型極限曲線可以看出，壁厚在5.0 mm、5.1 mm 和5.2 mm 的管材中，螺旋管的成型品質(zhì)比較好。

通過(guò)對(duì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)管材壁厚不斷增大時(shí)，管材最小壁厚、平均壁厚和最大壁厚也隨之增大。當(dāng)管件壁厚為5.3 mm 時(shí)，螺旋管的最小壁厚為4.67 mm，最大壁厚為4.97 mm，最大壁厚為5.24 mm，平均壁厚4.97 mm 與設(shè)計(jì)壁厚5 mm 最為接近。

結(jié)果顯示，當(dāng)鋼管的壁厚度逐步增大時(shí)，其壁厚度偏差僅為5 mm，而鋼管的壁厚度偏差先是由大變小，再由小變大。當(dāng)管材的厚度為5.3 mm 時(shí)，其偏差最小。對(duì)螺旋管的表面品質(zhì)和壁厚進(jìn)行全面分析，得出了適用加工的管材尺寸：外徑為51.8 mm，壁厚為5.3 mm。

3.3 流體壓力

在350～700 MPa 范圍內(nèi)，考察流體壓力對(duì)螺桿管成型的作用，在摩擦因數(shù)為0.125 的情況下，管材采用外徑51.8 mm、壁厚5.3 mm 的流體壓力，當(dāng)流體壓力逐步增大時(shí)，螺桿管中的膨脹不夠均勻的情況會(huì)越來(lái)越少。結(jié)果表明，最小壁厚度隨流體壓力的變化而變化，流體壓力的變化不明顯，其最大壁厚度在5.3 mm 以下，最小壁厚度在4.6 mm 以上。

當(dāng)流體壓力不斷提高時(shí)，產(chǎn)品的表面質(zhì)量不斷提高，其安全區(qū)域也不斷增大。流體壓力在350～500 MPa 范圍內(nèi)，由于大范圍內(nèi)存在顯著的空白區(qū)，導(dǎo)致了成形品質(zhì)較低。流體壓力在550～600 MPa 范圍內(nèi)，在螺旋管的兩端和中間出現(xiàn)局部膨脹不足的白色斑點(diǎn)。流體壓力在650～700 MPa 的流體壓力下，卷曲成型的效果更好。流體壓力在650～700 MPa，卷曲度的差別很小，但在650 MPa 下卷曲度的最小厚度要比700 MPa 大得多。由于最大壁面厚度較低，故選用最大流體壓力為650 MPa。

3.4 模具壓制速度

模具壓制速度共設(shè)置有8 種，分別是3 m/s、1 m/s、0.6 m/s、0.429 m/s、0.33 m/s、0.28 m/s、0.23 m/s 與0.2 m/s。液壓負(fù)載通道在閉合之前0.002 s 處啟動(dòng)增壓，當(dāng)閉合時(shí)，增壓至650 MPa，摩擦因數(shù)為0.125。當(dāng)擠出速率降低時(shí)，產(chǎn)品質(zhì)量逐漸提高，而后又逐步惡化。在3 m/s 和1 m/s 的擠出速率下，管材的外表面出現(xiàn)了嚴(yán)重的褶皺和膨脹缺陷。結(jié)果表明：該模型的壓制速度分別為0.23 m/s 和0.2 m/s 時(shí)，在卷筒的兩個(gè)端部和中間都存在著一片未充分膨脹的白區(qū)，而在兩個(gè)端部出現(xiàn)了一片明顯起皺和膨脹不良的白區(qū)。在模具擠出速度分別為0.6 m/s、0.33 m/s 與0.28 m/s時(shí)，螺旋管的兩個(gè)端部存在較小的脹形不足。由成形極限圖可知，在模具擠出速度為0.429 m/s 時(shí)，螺旋管的表面質(zhì)量最好。

壓制速度在3～0.6 m/s 范圍內(nèi)，由于口模的關(guān)閉，口模的最小壁厚度不斷增大，而最大壁厚度則不斷降低。壓制速度在0.6～0.28 m/s 范圍內(nèi)，最大和最小壁厚基本保持不變。壓制速度在0.028～0.2 m/s 范圍內(nèi)，最小壁厚度呈下降趨勢(shì)，而最大壁厚度則呈上升趨勢(shì)。當(dāng)模具閉合擠壓速度分別為0.6 m/s、0.429 m/s、0.33 m/s、0.28 m/s 時(shí)，產(chǎn)生了螺旋管軸向的壁厚誤差，其兩端壁厚誤差較大，約為0.25 mm，中間部分壁厚誤差最大值約為0.15 mm，這4 種壓制速度螺旋管的最小壁厚、最大壁厚、壁厚誤差的差異較小。經(jīng)過(guò)全面分析，將壓鑄模的壓制速度設(shè)定在0.429 m/s。

4 結(jié)論

在304 不銹鋼的抗拉實(shí)驗(yàn)和充液成型技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)5LZ54 微型等壁厚螺旋管進(jìn)行了充液成型的有限元建模。結(jié)果表明，液壓加載路徑、模具擠壓速度和摩擦因數(shù)等因素對(duì)成型效果有較大影響。

（1）根據(jù)有限元模擬計(jì)算，采用在軸向上將模具裁切成與固定頭數(shù)量一致的部分，用液體擠壓法成型等壁厚度的螺桿是可以實(shí)現(xiàn)的，并得到了良好的產(chǎn)品品質(zhì)。由于引線長(zhǎng)度與鑄型長(zhǎng)度一致，引線長(zhǎng)度的偏差很少，接近于0，最大壁厚度的偏差在8%以內(nèi)，最小壁厚度的最大值在4.6 mm 以上（最大值約5.25 mm），壁面的平均厚度約5 mm。

（2）在管材外徑51.8 mm、壁厚5.3 mm、最大流體壓力650 MPa、模具擠出速率0.429 m/s、摩擦因數(shù)不大于0.125 時(shí)，具有最佳的螺紋品質(zhì)。

（3）卷繞管道的兩個(gè)端部的厚度有很大的偏差，最大的偏差在0.3 mm 左右。在螺旋管的中部，壁厚的變動(dòng)很小，最大變動(dòng)僅為0.15 mm，充液壓縮成形等壁厚螺旋管的主要破壞形式是起皺、嚴(yán)重起皺與脹形不足。