螺桿鉆具等壁厚定子的電解加工技術*

張明岐,程小元,潘志福

(北京航空制造工程研究所,北京100024)

螺桿鉆具又稱容積式馬達,是油水井修井中常用的一種容積式井下動力鉆銑工具,它以液體壓力為動力來驅(qū)動井下鉆具旋轉(zhuǎn)。螺桿鉆具的工作原理是通過轉(zhuǎn)子和定子將高壓液體的能量轉(zhuǎn)變成機械能。當高壓液體通過鉆具內(nèi)孔進入鉆具后,在馬達的進出口形成一定的壓力差。液體在轉(zhuǎn)子與定子形成的多個密封腔中的壓力差推動轉(zhuǎn)子沿定子的螺旋方向轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子外表面和定子內(nèi)表面均布置螺旋型槽,轉(zhuǎn)子沿自身的軸線轉(zhuǎn)動,同時還繞定子中心線(與轉(zhuǎn)子的中心線平行)公轉(zhuǎn),即呈行星運動。轉(zhuǎn)子繞定子為逆時針公轉(zhuǎn),同時以自身軸線作順時針自轉(zhuǎn),以此帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)(圖1)。其中的螺桿鉆具定子結(jié)構(gòu)復雜,制造難度大。

圖1 螺桿鉆具結(jié)構(gòu)圖

螺桿鉆具整體長度約為4～8 m,具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、大排量等優(yōu)點,可用來進行鉆進、磨銑、側(cè)鉆等作業(yè),是石油鉆采工業(yè)中廣泛應用的一種井下動力鉆具,適于鉆采直井、水平井、叢式井和修井等。作為鉆探工程的特種工具,采用螺桿鉆具施工定向孔可有效提高鉆孔質(zhì)量,有效地解決常規(guī)方法造成的進尺量大、成本高昂等難題。

1 螺桿鉆具定子的結(jié)構(gòu)

常規(guī)螺桿鉆具定子結(jié)構(gòu)是在金屬圓管內(nèi)壁澆鑄具有螺旋曲面型槽的橡膠層(一般為氫化腈材料)(圖2),此種結(jié)構(gòu)稱為非等壁厚螺桿鉆具定子。非等壁厚定子橡膠襯套厚度相差很大,其強度低、承壓小、沿程長、受力不均、磨損快,因而在工作中易造成螺桿鉆具定子襯套脫落、溶漲、磨損等采油故障,導致螺桿鉆具效率低、壽命短,在深井、高密度鉆井及小曲率半徑水平井的應用中受到了制約。

圖2 非等壁厚橡膠襯套定子結(jié)構(gòu)

等壁厚螺桿鉆具定子的結(jié)構(gòu)是在金屬定子殼體內(nèi)孔加工出與橡膠襯套相匹配的型槽,使橡膠襯套成為等壁厚結(jié)構(gòu)。襯套均勻貼敷,厚度一致(圖3)。和非等壁厚螺桿鉆具定子相比,在相同壓力下,等壁厚襯套有更好的抗變形能力及密封性,且受力均勻、耐磨損、壽命長,其定子在相同的扭矩下長度尺寸更小。可以說,等壁厚螺桿鉆具定子是提高螺桿鉆具技術水平、使用性能及壽命的關鍵。

圖3 等壁厚橡膠襯套定子結(jié)構(gòu)

等壁厚螺桿鉆具定子結(jié)構(gòu)中,定子殼體一般采用優(yōu)質(zhì)冷作模具鋼(如Cr12MoV),其突出的技術難點是定子金屬殼體內(nèi)腔異形深螺旋線的加工。要在直徑60～250 mm、長度4～6 m的金屬管內(nèi)壁上,加工深度為15～30 mm的梅花狀截面的螺旋型槽是非常困難的。如采用機械拉削的方法,要采用多次換刀拉削,刀具耗費驚人,工時長,成本高,基本不可行。而此類結(jié)構(gòu)與大型火炮身管膛線有類似之處,國內(nèi)外大型炮身管膛線的加工均采用電解加工方法[1]。因此,電解加工工藝已成為解決內(nèi)孔螺旋型槽加工的首選。

在等壁厚螺桿鉆具定子加工技術方面,美國及俄羅斯已有采用電解加工的報道,技術較成熟。國內(nèi)僅有部分采用機械拉削試驗的探索性報道。

2 螺旋內(nèi)型槽電解加工原理及特點

采用電解方法加工螺桿鉆具定子殼體螺旋內(nèi)型槽[2]的基本原理為:采用與殼體身管內(nèi)型槽導程分布相同的多頭螺旋金屬凸條、且呈錐結(jié)構(gòu)的金屬體作為加工電極(陰極),身管工件作為陽極,利用電化學陽極“溶解”的原理,實現(xiàn)對工件內(nèi)腔的“旋轉(zhuǎn)拉削”加工。

對于難加工材料、形狀復雜零件的成形,電解加工與常規(guī)加工方法相比具有明顯的優(yōu)勢。在許多特殊結(jié)構(gòu)的零件加工中,電解加工工藝占有重要甚至不可替代的地位,在航空航天及兵器等領域已獲得廣泛應用。與其他加工方法相比,電解加工的特點主要有:①加工范圍廣:不受材料強度、硬度、韌性等機械、物理性能的限制,電化學加工原理為陽極溶解過程,加工后材料的組織不發(fā)生變化;②生產(chǎn)效率高:電解加工能以簡單的進給運動一次加工出復雜的型腔、型面和型孔,且加工速度可與電流密度成比例地增加;③加工表面無應力:電解加工過程中工具和工件不接觸,不存在機械切削力,不產(chǎn)生殘余應力和變形,沒有飛邊毛刺;④工具陰極無損耗:電解加工過程中,工具陰極不發(fā)生溶解反應。圖4是電解加工基本工藝流程。

3 螺旋內(nèi)型槽電解加工關鍵技術

3.1 加工電極的設計制造技術

(1)電極形式的確定。身管螺旋型槽電解加工主要有兩種方式:非嵌入式和嵌入式(圖5)。非嵌入式主要用于深度較淺和線型要求不高(根部R較大)的型槽加工,嵌入式則相反。本文中電極形式為嵌入式,且嵌入量遠比一般的膛線電解加工要大。

3）用法、用量不適宜。實例：患者女性，32歲；診斷：發(fā)熱；處方用藥：頭孢克肟顆粒0.5袋bid 3 d、馬來酸氯苯那敏片0.5片 qn 3 d。處方點評：患者32歲，頭孢克肟顆粒成人用量為50～100 mg/次，馬來酸氯苯那敏片成人4 mg，處方用量頭孢克肟顆粒50 mg 0.5袋，氯苯那敏片4 mg 0.5片為兒童用量，屬于用量不適宜。

圖4 電解加工工藝流程

圖5 電解加工方式

(2)關鍵參數(shù)中加工間隙 Δ b的確定(圖6)。加工間隙 Δ b是電解加工中最重要的參數(shù),它決定了電極尺寸的大小、線型形狀(復制精度)的好壞、表面質(zhì)量狀況,所有改變和影響加工結(jié)果的參數(shù)和因素均體現(xiàn)在對加工間隙 Δ b的改變和影響上。同樣條件下,加工間隙越小,加工電流密度越大,表面質(zhì)量和線型形狀越好。但較小的加工間隙不利于電解產(chǎn)物的沖刷和熱量、氣體的擴散,對電解液流場的要求高,易導致加工過程不穩(wěn)定和不安全,特別是采用嵌入式加工,不宜選用較小的加工間隙,因此要綜合考慮。由圖7可看出,采用錐型電極結(jié)構(gòu)通過合理優(yōu)化參數(shù)可獲得收斂性流場,有利于實現(xiàn)恒加工間隙。

(3)電極結(jié)構(gòu)尺寸的確定。加工電極的主要尺寸有:電極加工段大端直徑和小端直徑、加工段長度、錐度和寬度(指加工單條型槽的電極寬度)、電極前后引導段直徑等。

圖6 加工電極的流場加工間隙

(4)加工電極復雜表面的數(shù)值擬合及數(shù)模建立。大型身管螺旋型槽加工吃深量大、時間長,加工區(qū)工況復雜,產(chǎn)物剝離伴隨著大的熱量產(chǎn)生,與電解液沖刷需長時間才能達到平衡狀態(tài)。因此,對加工電極的設計要求更高。加工電極決定了加工速度、加工平衡間隙等關鍵加工參數(shù),既要考慮流場的收斂及軸向上的流速分配,又要在復雜形狀的不同方向上實現(xiàn)均勻的進給量。由于旋轉(zhuǎn)進給中,正向側(cè)向、進向退向的運動趨勢不同,各截面并非是簡單的漸進形狀,所以設計出的電極表面也相當復雜,給制造帶來了困難。在設計完成后,要根據(jù)表面坐標進行數(shù)值擬合,建立數(shù)控加工可接受的數(shù)值模型,進行加工制造。

(5)電極制造。由于電極體上分布有尺寸漸進的異形凹凸面,所以需根據(jù)各個截面進行數(shù)值擬合,形成數(shù)模后,在數(shù)控中心上進行金屬體部分加工。之后,再進行局部絕緣處理。圖7是一個典型電極實體。

圖7 加工電極結(jié)構(gòu)

3.2 加工設備與技術

螺桿定子電解加工的設備及其配套設施的關聯(lián)是一個復雜而龐大的工程體系,其中的每一個元素都會影響到電解加工過程,因此需要精心考慮好每個環(huán)節(jié)。圖8是典型設備結(jié)構(gòu)。

圖8 電解加工設備主機結(jié)構(gòu)圖

加工設備的關鍵技術在于大電流、長時間傳輸。大型身管螺旋型槽電解加工時的電流達10 000 A以上,加工持續(xù)時間最長達十幾個小時。如此長時間的大電流傳導,對整個導電系統(tǒng)是個嚴峻考驗。一般導電系統(tǒng)分為兩部分:陽極導電通過軟編織銅導線連接導電銅排和工件的導電定位軸瓦,可采取彈性壓緊的措施防止發(fā)熱松動;而陰極導電更復雜,是通過匯流銅排從電源引出,由于主軸的軸向運動而采用水冷電纜與銅排連接,將電流傳導至主軸接線端子上,再通過導電碳刷與旋轉(zhuǎn)銅主軸的摩擦將電流導至電極桿上。電極桿為中空的銅質(zhì)長管,長度為6～10 m,外覆絕緣層。電極桿部分在追求過流面積的同時,其尺寸又不能超過身管內(nèi)徑。因此,電極桿與主軸、電極桿與電極兩處的連接更需要精細的計算設計,以防在長時間發(fā)熱狀態(tài)下導電狀態(tài)的惡化。機構(gòu)復雜,電流大,傳導環(huán)節(jié)多,因此可靠性是決定能否實現(xiàn)穩(wěn)定加工的技術關鍵。

3.3 電解加工工藝

(1)電解液參數(shù)確定

身管材料多為鐵基合金,采用質(zhì)量分數(shù)14%～18%的NaCl電解液,可獲得較好的表面質(zhì)量和較高的加工效率。身管螺旋型槽電解加工電壓的選擇無特殊要求,可在12～18 V之間。

(2)計算加工時的電流密度i

根據(jù)歐姆定律和擬定的加工間隙 Δ b可計算出加工時的電流密度i:

式中:ε為電解液電導率;U為加工電壓;Δ U為分解電壓。

(3)計算加工時金屬溶解速度v溶解

根據(jù)法拉第定律:

式中:η為電流效率;ω為金屬體積電化當量;i為電流密度。

(4)預定加工速度v加工

根據(jù)加工時金屬溶解速度 v溶解和電極錐度Z,可得加工速度:

(5)計算加工時的總電流I

式中:S為加工面積;i為電流密度。

(6)加工方式

身管螺旋型槽加工一般有恒壓與恒流兩種方式。恒壓加工易掌握,對其他參數(shù)要求控制精度高;而恒流加工則是通過加工電壓的動態(tài)調(diào)整來實現(xiàn)加工電流的恒定。總結(jié)以往試驗結(jié)果,采用恒流加工最為合理。原因主要是:正式加工的身管螺旋型槽較長,加工時間長,即使將加工過程中的溫升控制在2℃范圍內(nèi),也會因其他因素的影響而導致加工總電流逐漸上升(如隨著加工的進行,陰極表面會逐漸堆積一層導電膜而導致電流增加)。加工結(jié)果表明,采用恒流加工能很好地保持型槽尺寸的一致性,陰線在全長上的錐度很小。

4 結(jié)束語

生產(chǎn)螺桿鉆具的廠家眾多,已形成了一大產(chǎn)業(yè)。石油開采業(yè)迅猛發(fā)展,深井開采及海上開采形成了新一輪的競爭。開采條件日趨惡劣,對鉆探機械產(chǎn)品的要求也越來越高,并不斷地追求高效率、高壽命、高安全性。代表先進水平的等壁厚螺桿鉆具產(chǎn)品一經(jīng)出現(xiàn),就引起了國內(nèi)外相關企業(yè)的關注。其中,等壁厚定子的內(nèi)孔異性型槽殼體成為開發(fā)該類產(chǎn)品的技術關鍵,而電解加工已成為該結(jié)構(gòu)的首選加工工藝。因此,有必要在設備的工程化推廣應用及先進工藝技術上加大研究力度,提升我國在石油鉆具行業(yè)的競爭能力。

[1] 王建業(yè),徐家文.電解加工原理及應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[2] 張占偉,龐志輝.大口徑深螺旋槽電解加工的工藝研究[J].電加工與模具,2008(3):67-69.