空心抽油桿內(nèi)螺紋桿頭兩次成形技術(shù)研究

韓軍，傅作均，張建民，張永軍

（吐哈油田公司機(jī)械廠，新疆 哈密 839000）

空心抽油桿是配套電加熱開采稠油、泵上摻稀采稠油、螺桿泵采油等鉆采工藝而開發(fā)的一種抽油桿產(chǎn)品。直接連接鐓鍛式空心抽油桿的內(nèi)螺紋桿頭是在毛坯管一端直接鐓鍛成形，但是，空心抽油桿端部的變形長(zhǎng)度長(zhǎng)，鐓鍛過程中易發(fā)生塑性失穩(wěn)而產(chǎn)生折疊缺陷。因此，國(guó)內(nèi)的鐓鍛工藝一般采用較小的鐓鍛比多次鐓鍛，一般需三次或三次以上成形。

減少成形次數(shù)將提高生產(chǎn)效率，尤其對(duì)于液壓鐓鍛成形工藝，減少成形次數(shù)將減少反復(fù)加熱的次數(shù)，不但提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)降低了材料因反復(fù)加熱而出現(xiàn)問題的概率。國(guó)內(nèi)對(duì)空心抽油桿外螺紋桿頭研究的報(bào)道較多，且對(duì)鐓鍛過程的研究很少有報(bào)道，筆者通過FEA 軟件對(duì)φ36×6 空心抽油桿內(nèi)螺紋桿頭的鐓鍛過程進(jìn)行研究。

1 空心抽油桿熱洗有限元模型

1.1 模型建立

圖1 所示為空心抽油桿內(nèi)螺紋桿頭的結(jié)構(gòu)，內(nèi)腔為臺(tái)階孔，外徑有兩處變徑和六方結(jié)構(gòu)，總體積182435mm3。

毛坯料為φ36×6 的無縫鋼管，按照橫向鐓鍛比2.0，設(shè)計(jì)了第一次變形的成形圖，見圖2。

計(jì)算得所需坯料長(zhǎng)度為310mm，分別建立1/6 毛坯、凹模、凸模的3D 模型，分別劃分網(wǎng)格，毛坯網(wǎng)格數(shù)量84354 個(gè)。

圖1 內(nèi)螺紋桿頭結(jié)構(gòu)圖

圖2 第一次變形成形圖

1.2 邊界條件

鐓鍛工藝的流程主要是以下幾步，首先進(jìn)行加熱，然后進(jìn)行一次鐓鍛，再進(jìn)行加熱。

在第二次沖壓中，使用現(xiàn)有的沖壓技術(shù)和操作設(shè)備進(jìn)行三步操作。首先，在進(jìn)入設(shè)備之前，加熱的鋼坯在轉(zhuǎn)移過程中轉(zhuǎn)移到對(duì)流熱交換設(shè)備中，這需要8 秒鐘。其次，在預(yù)成型坯進(jìn)入設(shè)備后，在預(yù)成型坯和模具之間發(fā)生熱傳導(dǎo)，同時(shí)，未與模具接觸的零件仍與空氣進(jìn)行對(duì)流換熱。這個(gè)過程是2s。最后在鐓鍛的過程中。工件材料為20CrMoA，初始溫度設(shè)置為1180℃。模具材料為H13 鋼，環(huán)境溫度為20℃，正常的模具制造溫度約為200℃。

2 計(jì)算結(jié)果與討論

利用以上因素和條件，對(duì)兩次鐓鍛過程進(jìn)行分析和計(jì)算，算出各個(gè)階段的數(shù)據(jù)，并得出鐓鍛過程的規(guī)律性。

2.1 第一次成形

圖3 顯示了對(duì)流傳熱和熱導(dǎo)率的第一和第二階段后工件內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布。

圖3 鐓鍛前溫度場(chǎng)分布圖

從圖中可以看出，在工件和模具之間進(jìn)行對(duì)流傳熱和導(dǎo)熱后，內(nèi)部溫度為914 ～1110℃，并且在模具的固定部分觀察到最低溫度。另一個(gè)低溫區(qū)域是終點(diǎn)。由于大面積的對(duì)流換熱，溫度約為1050℃。

圖4 是表示變形時(shí)的夾緊力的變化曲線圖。金屬的最后形成部分靠近具有減小的外徑的內(nèi)孔的深度，從而形成環(huán)形凹槽。這是第一類鐓鍛中最難的部分。在生產(chǎn)過程中對(duì)于此種問題也難以避免，是比較常見的問題。

圖4 變形過程鐓擠力曲線

圖5 表明，此時(shí)，基體的擠壓力為8.16×104N 噸，成型時(shí)的擠壓力為2.01×105N 噸，這表明缺陷的主要原因是擠壓力不足。成型后，擠出力急劇增加到最大。

鐓鍛沉淀后，金屬的內(nèi)部溫度保持在約1100℃，內(nèi)外表面逐漸與模具接觸。溫度迅速下降，但兩個(gè)溫度均保持在850℃附近。最低溫度出現(xiàn)在夾緊位置。在第一個(gè)沖壓過程中，沒有因沖壓系數(shù)過大而引起的不穩(wěn)定性。

2.2 第二次成形

圖5 表示出了在對(duì)流傳熱和熱傳導(dǎo)的第一和第二階段后第二次沉淀后工件的內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布。

從圖中可以看出，在工件與模具之間進(jìn)行對(duì)流傳熱和導(dǎo)熱后，內(nèi)部溫度在995 ～1130℃之間，最低溫度出現(xiàn)在模具的固定部位。

在第二次鍛造過程中，金屬的最后形成部分是靠近夾緊端的六角形邊緣處的過渡點(diǎn)，這可能導(dǎo)致填充不足的缺陷。這部分是第二種疾病中最難形成的部分，會(huì)出現(xiàn)填充不足的缺陷。這種缺陷在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)也很常見。從圖6 可以看出，此時(shí)，基體的夾緊力為2.23×105N，而按壓力為2.54×105N，這表明缺陷的主要原因是夾緊力不足。

圖5 第二次鐓鍛前溫度場(chǎng)分布圖

圖6 第二次變形過程鐓擠力曲線

圖7 最終成形溫度場(chǎng)分布

鐓鍛后，金屬的內(nèi)部溫度保持在700 ～880℃，內(nèi)外表面的溫度迅速下降，但兩者均保持在500 ～600℃的水平。在鐓鍛過程中，未檢測(cè)到由于過度鐓鍛粗比深度而產(chǎn)生的缺陷。

第二次沖切中的成形析出力比第一次沖切中的稍大，這表明，如果第一次沖切不充分，則在內(nèi)壁上會(huì)產(chǎn)生環(huán)形槽缺陷。在第二次沖壓中，當(dāng)在第一次沖壓時(shí)夾緊力超過沖壓力時(shí)，將消除由第一次沖壓產(chǎn)生的環(huán)形槽缺陷。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)，通過兩次鐓鍛，獲得了合格的鍛件，見圖8，生產(chǎn)效率提高了1/3。

圖8 合格內(nèi)螺紋桿頭鍛件

4 結(jié)語(yǔ)

（1）模擬計(jì)算了內(nèi)螺紋桿頭兩次鐓鍛成形過程，變形過程均未發(fā)生折疊缺陷，材料內(nèi)部溫度場(chǎng)在鐓鍛溫度范圍內(nèi)。采用FEA 計(jì)算的方法較現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法，節(jié)約成本，降低風(fēng)險(xiǎn)。

（2）按照FEA 優(yōu)化設(shè)計(jì)，在現(xiàn)場(chǎng)獲得了合格的鍛件，生產(chǎn)效率提高1/3。