等壁厚螺桿鉆具定子電解加工技術(shù)研究

溫鋼柱，靳 堅(jiān)，李 歐，龐志輝

（內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭014033） ①

常規(guī)螺桿鉆具定子內(nèi)孔的螺旋線是在鋼管光滑內(nèi)壁用橡膠壓注而成。由于橡膠襯套的厚度不均勻及橡膠性能的局限，使鉆具在工作時(shí)存在輸出扭拒低、工作性能不穩(wěn)定、熱應(yīng)力大、壽命短等不足，極大地影響著鉆井的施工進(jìn)度。世界各國(guó)都對(duì)此進(jìn)行了研究。試驗(yàn)證明：給橡膠加上金屬骨架，即定子外殼內(nèi)孔加工成與轉(zhuǎn)子相匹配的螺旋曲面，使橡膠襯套成為等壁厚結(jié)構(gòu)，就可以大幅度提高螺桿鉆具的性能及壽命。

20世紀(jì)末，美國(guó)［1］、德國(guó)研制成功了等壁厚金屬定子內(nèi)螺旋線電解加工技術(shù)，使等壁厚螺桿鉆具從研制走向應(yīng)用。國(guó)內(nèi)從2005年開始研究等壁厚螺桿鉆具定子的加工方法，細(xì)長(zhǎng)形內(nèi)孔中的螺旋曲面是其加工難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)大多采用金屬切削和一些常規(guī)的加工方法，即，試驗(yàn)使用數(shù)控銑削、機(jī)械拉制、精密鑄造及外圓滾壓內(nèi)部成型等加工方法。比較各種加工方法，電解加工方法最適合等壁厚螺桿鉆具定子的螺旋面加工。我國(guó)于2008年研制成功了定子內(nèi)螺旋曲面的電解加工技術(shù)。經(jīng)國(guó)內(nèi)外油田使用證明，采用該技術(shù)加工的螺桿鉆具可與國(guó)外技術(shù)相媲美。

1 螺桿鉆具的定子結(jié)構(gòu)

1.1 常規(guī)螺桿鉆具

常規(guī)螺桿鉆具定子的螺旋曲面是在鋼管內(nèi)壁用橡膠壓注而成，截面結(jié)構(gòu)如圖1。構(gòu)成螺旋線的橡膠厚度相差很多，為非等壁厚結(jié)構(gòu)。存在4個(gè)缺點(diǎn)：

1） 輸出扭矩低。由于橡膠的機(jī)械強(qiáng)度、硬度較低，鉆壓加大時(shí)橡膠會(huì)變形，導(dǎo)致鉆井液滲漏及馬達(dá)擊穿等問題，因此只能使用低壓鉆井。

2） 熱應(yīng)力大、低壽命。由于橡膠厚度相差很多，定子工作時(shí)熱擴(kuò)散率相差很大，造成局部過熱及不均勻變形，易出現(xiàn)橡膠掉塊、撕裂和脫膠，導(dǎo)致馬達(dá)過早失效。

3） 工作不穩(wěn)定。由于橡膠壁厚不均勻，抗變形能力低，單級(jí)承壓小，磨損速度快，效率隨使用時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，工作穩(wěn)定性差。

4） 橡膠襯套與殼體的粘合面積小，鉆具長(zhǎng)度較長(zhǎng)，使隨鉆測(cè)量?jī)x（MWD）、隨鉆測(cè)井儀（LWD）的測(cè)量誤差較大。

圖1 常規(guī)螺桿鉆具定子截面

1.2 等壁厚螺桿鉆具

由于鉆井工程的需要，鉆井市場(chǎng)不僅需要用于普通定向井、中深井的螺桿鉆具，更需要在深井、高密度鉆井液井及小曲率半徑水平井中使用的鉆具［2］。在這些工程中需要解決的主要問題是提高鉆具的壽命和鉆具具有足夠的動(dòng)力。但由于橡膠特性的局限，盡管使用增強(qiáng)、改性等方法來提高橡膠的性能，也很難達(dá)到要求。

等壁厚螺桿鉆具是一種新型螺桿鉆具，該鉆具是將馬達(dá)金屬定子內(nèi)壁加工出與橡膠襯套相配合的螺旋曲面，使橡膠襯套成為等壁厚結(jié)構(gòu)（如圖2），相當(dāng)于為壓注在定子內(nèi)的橡膠加上了金屬骨架。這一特殊結(jié)構(gòu)使其克服和改進(jìn)了常規(guī)螺桿鉆具的諸多缺陷，而且使鉆具壽命大幅度提高并具備了高輸出扭矩的特點(diǎn)，因此比常規(guī)鉆具更適合在復(fù)雜工況條件下工作。

圖2 等壁厚螺桿鉆具定子截面

2 電解加工原理

為了使定子內(nèi)的橡膠內(nèi)襯具有等壁厚，需在金屬定子的內(nèi)表面加工出剖面為類梅花瓣形的螺旋曲面。金屬定子的長(zhǎng)度為3～6 m，內(nèi)徑為40～170 mm，螺旋曲面的加工深度為10～25 mm。國(guó)內(nèi)試驗(yàn)了數(shù)控銑削、機(jī)械拉制、精密鑄造及外圓滾壓內(nèi)部成型等加工方法，成品的技術(shù)參數(shù)符合性差，難以滿足定子制造要求，使定子的壽命達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)。采用電解加工技術(shù)是目前最好的選擇。

電解加工是利用金屬陽極電化學(xué)溶解原理去除金屬材料的一種特種加工方法。電解加工時(shí)，工件連接于直流電源的正極，稱為陽極或工件陽極，工具連接于電源的負(fù)極，稱為陰極或工具陰極。在工件與陰極構(gòu)成的小間隙之間有高壓、高速流動(dòng)的電解液，在施加大電流的條件下進(jìn)行電化學(xué)加工（如圖3），屬于非接觸的冷加工。

電解加工的優(yōu)點(diǎn)是：

1） 加工范圍廣，不受金屬材料本身硬度、強(qiáng)度和韌性的限制，能夠勝任金屬切削機(jī)床不能承受的任務(wù)。

2） 表面質(zhì)量好，加工出的產(chǎn)品不產(chǎn)生切削力所引起的殘余應(yīng)力和變形，切削加工時(shí)不產(chǎn)生高溫所引起的熱應(yīng)力，沒有刀具切削痕跡，沒有飛邊、毛刺。

3） 加工效率高，能以簡(jiǎn)單的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)1次加工出各種形狀復(fù)雜的型腔和型孔，加工速度可以用電流密度、電解液壓力、流量等幾個(gè)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，且加工生產(chǎn)效率與加工精度和表面粗糙度沒有相互制約的關(guān)系，可使3項(xiàng)工藝指標(biāo)同時(shí)得到提高。

4） 工具陰極損耗小，電解加工時(shí)，工具陰極導(dǎo)電部分與零件不直接接觸，也不發(fā)生溶解反應(yīng)，在工藝參數(shù)控制得當(dāng)，設(shè)備條件良好的情況下可重復(fù)使用。

電解加工技術(shù)出現(xiàn)以后，很快就被應(yīng)用于槍炮管膛線、花鍵套及異形深孔的加工，部分產(chǎn)品如圖4，其中槍炮管膛線電解加工方法在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多。

圖3 電解加工原理

圖4 電解加工的樣品

內(nèi)蒙古北方重工業(yè)集團(tuán)有限公司于2008年研制成功了等壁厚定子內(nèi)螺旋線電解加工技術(shù)，應(yīng)用于螺桿鉆具定子的加工，現(xiàn)可批量生產(chǎn)各種規(guī)格的等壁厚定子。如圖5～6。

圖5 電解加工的7T等壁厚定子

圖6 電解加工的8T等壁厚定子

3 電解加工設(shè)備

電解加工生產(chǎn)線主要由數(shù)控電解加工機(jī)床、電解加工電源（包括短路保護(hù)系統(tǒng)）、電解液系統(tǒng)（包括電解液輸送、加熱、冷卻、過濾）、工藝裝備以及相應(yīng)的操作、控制系統(tǒng)及其軟件等組成。

3.1 數(shù)控電解加工機(jī)床的功能

1） 必須具備強(qiáng)大的電流傳送功能，能夠長(zhǎng)時(shí)間地傳送大電流。

2） 抗化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕性能要好。

3） 必須具有較強(qiáng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛性。

4） 進(jìn)給速度穩(wěn)定，無極調(diào)速范圍寬。

5） 機(jī)床定位及重復(fù)定位精度要高。

6） 需采用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制。

3.2 電解加工專用電源

可控硅直流電源是電解加工設(shè)備的核心部分。因電解加工的特殊性及等壁厚定子毛坯的金屬去除量大的特點(diǎn)，專用電源的輸出功率大，輸出電流20～30 k A，除工作可靠、穩(wěn)定等性能外，還須具備短路保護(hù)功能。

3.3 電解液系統(tǒng)

電解液系統(tǒng)由電解液池（由沉淀池、工作池組成）、電解液輸送泵、加熱冷卻裝置、過濾裝置等組成。定子電解加工金屬去除量很大，因此需要大容量的電解液池，有利于加工過程中電解液的溫度、濃度、p H值等參數(shù)的穩(wěn)定。

4 基本工藝要求

4.1 工藝流程

由于目前市場(chǎng)難以采購到相匹配的管材，現(xiàn)采用熱軋圓鋼外圓粗加工、鉆孔、熱處理、鏜孔、精加工制成電解加工前預(yù)制管，然后經(jīng)電解加工及后加工制成成品。生產(chǎn)工藝流程：

熱軋棒材→校直→鉆孔→粗車外圓→熱處理→校直→磁力探傷→超聲波探傷→ 硬度檢測(cè)→粗精鏜內(nèi)孔→桁磨內(nèi)孔→粗精車外圓→硬度復(fù)驗(yàn)→尺寸檢測(cè)→電解加工→尺寸檢測(cè)→清洗鈍化→切頭切尾→外觀檢測(cè)→包裝入庫。

4.2 定子用材料

按國(guó)外產(chǎn)品要求，定子選用鋼材牌號(hào)為785.91509 REV C 10－30－06 AISI4140鋼，該鋼材符合AISI 4140H鋼要求，化學(xué)成分如下（wB%）：

碳0.38～0.48，錳0.75～1.20，硅0.20～0.35，鉻 0.80～ 1.20，鉬 0.15～ 0.30，硫 ≤0.025，磷≤0.025。

經(jīng)對(duì)有關(guān)鋼材篩選后，選取了國(guó)產(chǎn)石油鉆鋌專用熱軋鋼45Cr Mn Mo鋼，牌號(hào)4145H，其冶煉方法為：電爐＋真空脫氣冶煉。該鋼材化學(xué)成分完全符合美國(guó)AISI 4140鋼的要求。

4.3 材料的熱處理

按照產(chǎn)品技術(shù)要求，定子經(jīng)熱處理后的力學(xué)性能為：硬度280～360 HB，屈服強(qiáng)度σs≥830 MPa，抗拉強(qiáng)度σb≥965 MPa，伸長(zhǎng)率δ5≥15%，沖擊功AKV≥50 J。

4.4 對(duì)電解加工前預(yù)制管的要求

等壁厚定子電解加工屬于深孔加工，是在預(yù)制孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，需要機(jī)械加工來進(jìn)行輔助。因電解加工設(shè)備的密封方式不同，預(yù)制管的要求也不同。電解加工前的預(yù)制管，長(zhǎng)度為3 000～6 000 mm，內(nèi)圓直徑要符合圖紙要求，粗糙度Rz0.8；直線度要求0.15 mm/m，同心度要求0.4～0.5 mm。

5 金屬定子電解加工用陰極研制

用電解加工的方法加工等壁厚金屬定子內(nèi)螺旋線，其內(nèi)螺旋面成型尺寸一致性及電解去除量大是必須解決的2個(gè)問題。內(nèi)螺旋面尺寸的一致性與加工工藝有關(guān)，在生產(chǎn)工藝能夠保證的前提下，其關(guān)鍵技術(shù)是大去除量電解加工用工具陰極研制及工藝設(shè)計(jì)和工藝參數(shù)的合理匹配。由于電解速度與加工間隙、電流密度是非線性的，僅靠計(jì)算難以確定陰極各主要參數(shù)，還需要依據(jù)實(shí)際加工情況進(jìn)行修正。因此，陰極結(jié)構(gòu)選擇、加工間隙Δb的確定、陰極工作段大小端直徑確定、陰極工作段長(zhǎng)度確定、前后導(dǎo)向段直徑確定、增液槽和增液孔的確定成為工具陰極設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

5.1 陰極結(jié)構(gòu)選擇

采用移動(dòng)式陰極電解加工內(nèi)孔一般須1次成形，在加工過程中，因孔內(nèi)有高壓電解液流過，加工過程無法現(xiàn)場(chǎng)查看，被加工的產(chǎn)品只有在加工結(jié)束后才能查看、測(cè)量。加工件的合格與否依賴于陰極的結(jié)構(gòu)、尺寸精度和工藝參數(shù)。電解加工深孔工件一般采用2種形式的陰極，即圓柱形陰極和圓錐形陰極，如圖7。圖中Δc為預(yù)留間隙，δ為間隙增量。圓柱形陰極在整個(gè)加工過程中，間隙增量δ是逐漸擴(kuò)大，最終加工間隙為Δc＋δ，流場(chǎng)呈擴(kuò)散性，不易控制，只能用于加工量不大，精度要求不高的加工件。圓錐形陰極在整個(gè)加工過程中，只要電解加工工藝參數(shù)匹配得當(dāng)，預(yù)留間隙可始終保持不變，即間隙增量δ＝0，可以實(shí)現(xiàn)恒間隙加工，最終加工間隙仍為Δc，流場(chǎng)穩(wěn)定，可控性高。這就大幅提高了被加工零件的復(fù)制精度和表面質(zhì)量。

圖7 圓柱形陰極與圓錐形陰極加工示意

等壁厚定子內(nèi)腔的最終形狀和預(yù)制圓孔差別很大，電解加工1次成形，采用全錐拉式全面進(jìn)給陰極最符合等壁厚定子內(nèi)螺旋線電解加工，其陰極結(jié)構(gòu)如圖8所示。陰極工作面為螺旋錐體，每一截面均為類梅花形，錐體從大端到小端，凸瓣R由大變小，凹瓣R由小變大。

圖8 陰極結(jié)構(gòu)示意

5.2 加工間隙Δb確定

加工間隙Δb是電解加工的核心尺寸，是設(shè)計(jì)工具陰極的主要依據(jù)。它的狀態(tài)直接影響到加工精度、加工的穩(wěn)定性和加工件的表面質(zhì)量。加工間隙Δb受電場(chǎng)、流場(chǎng)、電化學(xué)特性等多種因素影響［3］。在電解加工中，電流會(huì)隨間隙的減小而增大，當(dāng)間隙小到一定范圍時(shí)電流會(huì)顯著增加，產(chǎn)生一個(gè)突變，這個(gè)電流使工件處于該間隙的部位產(chǎn)生顯著的溶解速度。因此在加工工藝參數(shù)和電極加工段長(zhǎng)度不變的情況下，加工間隙越小，加工電流密度越大，加工效率越高，表面粗糙度越低，形狀（復(fù)制精度）越好。在加工過程中電解產(chǎn)物依靠高速流動(dòng)的電解液帶走，但較小的加工間隙不利于電解產(chǎn)物的沖刷和熱量、氣體的帶走，對(duì)電解液流場(chǎng)的要求高，容易導(dǎo)致加工過程的不穩(wěn)定和不安全，因此要綜合考慮。特別是對(duì)于大去除量工件的電解加工，不宜采用較小的加工間隙，要綜合考慮各種因素后再采用相適應(yīng)的間隙。首先，采用由極間電壓、法拉第定律、歐姆定律推導(dǎo)出的平衡間隙計(jì)算公式，計(jì)算出平衡間隙數(shù)值，然后再將工件的電解加工形狀以及與加工間隙有關(guān)各因素的影響統(tǒng)籌考慮后，用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，最終將等壁厚定子的電解加工間隙確定為Δb。

式中：Δp為平衡間隙，mm；U為加工電壓，V；δE為分解電壓，V，即兩級(jí)間的電位差，鋼鐵零件在NaCl電解液中加工，δE一般取2 V；v為加工速度，mm/min；κ為電解液電導(dǎo)率，1/（Ω·cm）；η為電流效率；ω為體積電化當(dāng)量，mm3/（A·min）。

5.3 陰極工作段大小端直徑的確定

加工間隙Δb確定后，即可得出陰極工作段大小端直徑為

式中：Dd為陰極加工段大端直徑，mm；Dx為陰極加工段小端直徑，mm；DT為等壁厚定子內(nèi)螺旋線凸瓣直徑，mm；DA為等壁厚定子內(nèi)螺旋線凹瓣直徑，mm。

5.4 陰極工作段長(zhǎng)度確定

陰極工作段大小端直徑確定后，其大、小端工作段外徑同樣也已確定，因此工作段的導(dǎo)電面積由式（5）確定。

由式（5）可看出，（Ddl＋Dxl）/2 為一常數(shù)，工作段導(dǎo)電面積S的大小只能由陰極體工作段長(zhǎng)度L來決定。而L的長(zhǎng)度主要取決于既定電流密度i（A/cm2）的大小。

式中：I為工作電流，A；i為電流密度，A/cm2；S為陰極工作段表面積，cm2；L為陰極工作段長(zhǎng)度，cm；Ddl為陰極工作段大端外輪廓線長(zhǎng)度，cm；Dxl為陰極工作段小端外輪廓線長(zhǎng)度，cm。

工作電流I可根據(jù)法拉第定律求得，它與被加工零件的金屬去除量和陰極進(jìn)給速度有關(guān)。從式（6）可知，當(dāng)工作電流I確定后，選取的電流密度i越小，工作段的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，加工效率越高。但工作段的長(zhǎng)度又受到直流加工電源容量、導(dǎo)電環(huán)節(jié)，特別是電解液流場(chǎng)好壞的限制，工作段長(zhǎng)度越長(zhǎng)，電解液流程也越長(zhǎng)，流場(chǎng)越差。工作段長(zhǎng)度過小，則加工時(shí)電流密度i過大，工作電壓升高，加工區(qū)域熱量增加快，影響加工質(zhì)量。因此要綜合考慮，計(jì)算加經(jīng)驗(yàn)值最終確定陰極工作段長(zhǎng)度L。

5.5 前后導(dǎo)向段直徑確定

陰極前后導(dǎo)向主要是對(duì)陰極起導(dǎo)向和定心作用，它們必須分別與工件加工前后的孔徑相配合，前導(dǎo)向還有密封電解液的作用。前后導(dǎo)向用絕緣材料制造。通常，電解加工陰極前后導(dǎo)向段的直徑應(yīng)與內(nèi)孔保持0.05 mm的配合間隙。等壁厚定子內(nèi)螺旋線電解加工去除量大，工作電流大，產(chǎn)生的電阻熱亦很大，工件溫升較高。較高的工件溫度可使制造前導(dǎo)向的絕緣材料產(chǎn)生較大的膨脹，在間隙選擇不合適時(shí)，易發(fā)生因配合過緊而產(chǎn)生的跳動(dòng)和卡死現(xiàn)象。同時(shí)，等壁厚定子內(nèi)螺旋線電解加工需要的電解液供液量大，為盡量減小電解液流動(dòng)阻力，應(yīng)增大前后導(dǎo)向段與工件的間隙。但前后導(dǎo)向段間隙的加大對(duì)加工產(chǎn)品的同心度將造成一定的影響，綜合考慮后將間隙設(shè)計(jì)為0.08～0.12 mm。

5.6 增液槽和增液孔確定

由于陰極的工作段凸瓣從小端到大端是逐漸增大的，當(dāng)增大到一定數(shù)值時(shí)，從小端進(jìn)入的電解液流量就供不上電解加工需要，不補(bǔ)充電解液就會(huì)燒毀工件和陰極，因此必須逐段補(bǔ)充電解液的流量。通過在陰極的工作段長(zhǎng)度上開設(shè)增液槽，補(bǔ)充電解液的流量，使各段流量相等，可解決這一問題。根據(jù)等壁厚定子尺寸的大小，將相應(yīng)陰極的工作部分分為4～7段，增液槽全部開在凸瓣上，如圖8所示。在增液槽底部鉆3～8個(gè)增液孔，孔徑大小要適宜?？讖酱?，由增液孔流出的電解液壓力減小，易出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，容易因流場(chǎng)不均造成短路；孔徑小，出液量少，滿足不了工藝要求。將孔徑定為1 mm，每一段的開孔數(shù)須通過計(jì)算過液面積得出。由于增液槽在陰極上的位置、增液槽過液面積都符合等比極數(shù)，因此可通過計(jì)算得出。但增液槽的計(jì)算推導(dǎo)公式十分繁雜且篇幅較大，這里不再贅述。

6 影響加工質(zhì)量的參數(shù)

6.1 電解液

在電解加工過程中，電解液的主要作用是導(dǎo)電，使工件在電場(chǎng)作用下進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)并不斷溶解。此外，電解液還起著破壞工件表面上形成的極化薄膜，使電解加工穩(wěn)定進(jìn)行，同時(shí)又以高速流動(dòng)的液流把反應(yīng)產(chǎn)物從被加工表面帶走，并通過電解液的不斷更新，對(duì)被加工區(qū)域起冷卻作用。因此，電解液對(duì)電解加工件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很大影響，應(yīng)具備6方面基本性質(zhì)［4］：

1） 應(yīng)是溶解度大的強(qiáng)電解質(zhì)，以具備高的導(dǎo)電率，獲得高的生產(chǎn)效率。

2） 能在電場(chǎng)的作用下對(duì)陽極金屬材料產(chǎn)生陽極溶解，不生成難溶性鈍化膜，確保加工過程正常、穩(wěn)定進(jìn)行。

3） 電解液中的陽離子不應(yīng)在工具陰極表面發(fā)生放電沉積，以免改變陰極的尺寸和形狀，陰極反應(yīng)應(yīng)是氣體的析出。

4） 集中蝕除能力強(qiáng)，散蝕能力弱。

5） 陽極反應(yīng)產(chǎn)物可與電解液分離，以便使電解液循環(huán)使用。

6） 價(jià)廉易得，使用壽命長(zhǎng)，安全穩(wěn)定。

由于對(duì)電解液的要求是多方面，難于找到一種電解液能滿足所有要求，因而只有針對(duì)性地根據(jù)被加工工件的材料成分、精度要求、去除量大小的不同有所側(cè)重。NaCl、NaNO3和NaClO3的水溶液是目前常用電解液，性能大部分符合上述要求。針對(duì)等壁厚定子所用材料、精度要求、去除量等項(xiàng)加工特性，比較分析幾種電解液的性能，NaCl電解液具有對(duì)等壁厚定子所用材料蝕除電流效率高、加工速度快、成型精度能符合圖紙要求、在加工過程中損耗小、加工過程安全穩(wěn)定、可以低濃度使用等優(yōu)勢(shì)，因此確定使用14%～16%NaCl電解液，30℃時(shí)該電解液的電導(dǎo)率κ為0.199～0.213（Ω·cm）－1。

6.2 電解液溫度

在電解加工中電解液溫度對(duì)電導(dǎo)率、電解液流速和加工件表面質(zhì)量有很大影響。

電解液溫度高時(shí)：

1） 電導(dǎo)率加大，電加工能力提高，加工件表面質(zhì)量提高。

2） 電解液黏度降低、流速提高，排除電解產(chǎn)物的能力提高。

電解液溫度過高時(shí)：

1） 工件表面形成的鹽膜和氧化膜粘附力下降，可產(chǎn)生不均勻溶解使零件加工表面質(zhì)量下降。

2） 陰極非金屬絕緣體在高溫下熱膨脹加劇，加工中可能出現(xiàn)爬行或卡死現(xiàn)象。

電解液溫度低時(shí)：

電導(dǎo)率下降，電加工能力降低。

根據(jù)已定濃度的NaCl電解液在不同溫度下的電導(dǎo)率κ，及陰極非金屬絕緣體在高溫下的熱膨脹特性，將電解液使用溫度控制在25～40℃。

6.3 電流密度

電流密度i是重要的加工參數(shù)，與工件材料、電解液流速、陰極結(jié)構(gòu)形式等有關(guān)，直接影響加工效率、表面質(zhì)量，也間接影響到加工精度。根據(jù)法拉第定律及歐姆定律可導(dǎo)出電流密度i為

在大多數(shù)的情況下，加工件的表面質(zhì)量隨電流密度的增加而改善。在一定的電壓和電導(dǎo)率條件下，電流密度i越大，Δb越小，加工精度越高；但當(dāng)i增加到一定程度，極間電解產(chǎn)物大量增加，發(fā)熱量增加，當(dāng)電解液流速跟不上需求，帶不走電解產(chǎn)物及產(chǎn)生的熱量，就會(huì)出現(xiàn)短路等故障，使加工中斷。經(jīng)計(jì)算及試驗(yàn)確定電流密度i為15～30 A/cm2。

6.4 電解液壓力

流速u0是保證電解加工過程得以穩(wěn)定進(jìn)行的主要流場(chǎng)參數(shù)，與電流密度i關(guān)系密切，確定電解液流速，主要考慮3個(gè)因素：

1） 液流應(yīng)是紊流狀態(tài)，起到足夠攪拌溶液的作用，滿足在電極間隙內(nèi)消除濃差極化的要求。

2） 能及時(shí)的排除電解加工過程中產(chǎn)生的電解產(chǎn)物，使電解液更新。

3） 滿足加工區(qū)散熱的要求，及時(shí)帶走在加工間隙內(nèi)由于歐姆壓降而產(chǎn)生的熱量。

電解液流速亦不是愈高愈好，在一定的電流密度i下，電解液流速u0滿足上述3個(gè)要求時(shí)，如果再提高流速，加工區(qū)的流場(chǎng)會(huì)趨于不穩(wěn)定，甚至可能產(chǎn)生氣穴現(xiàn)象，使加工質(zhì)量惡化。

電解液流速的計(jì)算涉及到雷諾數(shù)Re；電解液運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)υ0及水力直徑Dh等眾多參數(shù)，計(jì)算公式復(fù)雜，并且在加工過程中測(cè)量難度較大。為了避免復(fù)雜計(jì)算及難于測(cè)量，用確定電解液壓力p的方法代替電解液流速u0的確定。因進(jìn)口壓力是保證電解液流速u0的必要條件。根據(jù)等壁厚定子的形狀、電加工時(shí)工件進(jìn)出口面積的大小，經(jīng)計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，確定電解液壓力為p＝1.70～2.0 MPa。

6.5 加工速度

加工速度v的快慢關(guān)系到生產(chǎn)效率的高低，其實(shí)質(zhì)是電解加工時(shí)，在小間隙、大電流作用下，陽極

由式（9）可看出：加工速度v與電流效率η、體積電化當(dāng)量ω、電導(dǎo)率κ、外加電壓（U－δE）成正比，與加工間隙Δb成反比關(guān)系。因此，加工間隙越小，工件的蝕除速度越快，加工速度v將越大。但是，過小的極間間隙極易引起火花放電和短路。另外，蝕除速度增加到一定程度，再增加時(shí)其結(jié)果與電流密度i增加相同。因此，確定加工速度v時(shí)，要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并給予調(diào)整。經(jīng)計(jì)算及試驗(yàn)，對(duì)于不同規(guī)格尺寸的等壁厚定子，其電解加工速度v＝5～20 mm/min。

7 結(jié)論

在高速流動(dòng)的電解液中的電化學(xué)溶解速度的大小。根據(jù)法拉第定律及歐姆定律可導(dǎo)出加工速度為

1） 等壁厚螺桿鉆具定子的內(nèi)螺旋曲面是加工難點(diǎn)。比較幾種加工工藝，電解加工工藝在生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

2） 采用全錐拉式陰極結(jié)構(gòu)。加工間隙、工作部分長(zhǎng)度、前后引導(dǎo)段的直徑、增液槽和孔的尺寸是設(shè)計(jì)陰極的關(guān)鍵參數(shù)，可以通過計(jì)算及試驗(yàn)得到。

3） 影響加工質(zhì)量的因素有電解液的成分、溫度、壓力、電流密度、加工速度，應(yīng)把這些工藝參數(shù)嚴(yán)格控制在允許范圍內(nèi)。

4） 等壁厚螺桿鉆具的技術(shù)水平先進(jìn)，使用壽命長(zhǎng)。先進(jìn)國(guó)家在鉆井中采用的等壁厚螺桿鉆具約占全部螺桿鉆具的50%。我國(guó)在等壁厚螺桿鉆具研究方面起步較晚，但市場(chǎng)前景廣闊。深入研究等壁厚螺桿鉆具的加工方法有積極的現(xiàn)實(shí)意義。

［1］ Terry Lievestro，John Reynulds，Tom Chamberlain.Progressive Cavtty Pump/Motor Stator，And Apparatus And Method To Manufacture Same By Electrochemical Machining：United States：US，2005/0079083 A1［P］.2005－04－14.

［2］ 苗同勇，劉永旺，趙 偉，等.等壁厚螺桿鉆具及應(yīng)用［J］.石油礦場(chǎng)機(jī)械，2011，40（10）：72－76.

［3］ 王建業(yè)，徐家文.電解加工原理及應(yīng)用 ［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

［4］ 范植堅(jiān)，王天成.電解加工技術(shù)及其研究方法［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2004.