石油鉆采用吊卡鍛件質(zhì)量控制與工藝優(yōu)化

張嚴(yán)敬 劉和慶 宋承軍

（山東能源重裝集團(tuán)金源機(jī)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(shí)承受大的瞬時(shí)沖擊力，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量要求極為嚴(yán)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(yán)，現(xiàn)在鍛件市場(chǎng)持續(xù)升溫，產(chǎn)品供不應(yīng)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(shè)備，改進(jìn)工藝工裝，提高石油吊卡鍛造質(zhì)量，最大限度減少機(jī)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(duì)2018 年度生產(chǎn)1200 件石油吊卡進(jìn)行了質(zhì)量分析，共發(fā)現(xiàn)108 個(gè)有鍛造缺陷，不合格品率為9%。原因分析：一是鍛模模腔設(shè)計(jì)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(dòng)性差缺肉、錯(cuò)移、加工量大；二是過燒現(xiàn)象時(shí)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(shí)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(dǎo)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(shí)踐，從制坯、鍛模和熱處理三大方面對(duì)石油吊卡進(jìn)行工藝優(yōu)化和質(zhì)量控制，達(dá)到了滿意的效果。

2 鍛造設(shè)備選擇和使用

公司對(duì)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(dāng)坯料燒至高于鍛打溫度50 ℃時(shí)，由中頻爐直接傳送到自動(dòng)傳料裝置上，然后經(jīng)托輥輸送線主動(dòng)傳輸?shù)?500 t 摩擦壓力機(jī)上直接進(jìn)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(shí)度。

3 模鍛充填精確成型工藝

（1）上下模開坯精修

對(duì)石油吊卡結(jié)構(gòu)進(jìn)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(duì)稱設(shè)計(jì)，采用過渡圓角與過渡圓錐減小組織應(yīng)力。通過計(jì)算機(jī)三維建模，計(jì)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(dá)到平衡模鍛過程中產(chǎn)生的水平錯(cuò)移力的目的，模擬鍛模型腔數(shù)控編程進(jìn)行開粗及型腔銑。上下模開粗后再進(jìn)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(dòng)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(shí)進(jìn)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(shí)，金屬變形抗力小，氧化皮軟且能脫離金屬表面起潤(rùn)滑作用，從而有利于金屬的充填成型。通過加熱器對(duì)鍛模上下模進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度達(dá)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(dòng)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(fù)合模熱沖切工藝

設(shè)計(jì)制作沖孔切邊復(fù)合模，該模具由外模和內(nèi)模組成。外模的工作刃口是一個(gè)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(jī)進(jìn)行一體式?jīng)_孔切邊，可以使石油吊卡的機(jī)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(fù)合模材質(zhì)選用H13 模具鋼。為解決模具制造工序及殘余應(yīng)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(jìn)行熱處理。上下模和復(fù)合模下料后先進(jìn)行球化退火，預(yù)加熱至650 ℃保溫2.5 h 隨爐冷卻，以便在淬火加熱時(shí)，奧氏體晶粒不易粗大，冷卻時(shí)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(jìn)行一次預(yù)熱保溫4 h，1100 ℃二次預(yù)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(qiáng)韌性、熱疲勞性和抗熱龜裂性，同時(shí)具有良好的抗氧化性和熱穩(wěn)定性，硬度檢測(cè)達(dá)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(qiáng)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(dá)到改善耐磨性、抗疲勞和耐腐蝕性的目的，實(shí)現(xiàn)表面消光、去氧化皮和消除鍛件殘余應(yīng)力的品質(zhì)保證。

5 結(jié)語

石油吊卡是油田鉆采的關(guān)鍵零件，公司通過優(yōu)化工藝，在BD76、BD92 等鍛件產(chǎn)品上應(yīng)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(dòng)加熱坯料加熱均勻，芯表溫差極小，延長(zhǎng)了鍛模的使用壽命，生產(chǎn)效率高，氧化少，鍛模結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作安全可靠，所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量?jī)?yōu)于國(guó)內(nèi)同行業(yè)。