油田射孔弹弹体压制模具设计及实验研究

张银玲， 项伟， 李柏男， 胡祥

（1.黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150040；2.南京工程学院材料工程学院，南京 211167）

油田射孔弹弹体压制模具设计及实验研究

张银玲1， 项伟2， 李柏男2， 胡祥2

（1.黑龙江省机械科学研究院，哈尔滨 150040；2.南京工程学院材料工程学院，南京 211167）

油田射孔弹主要用来开采石油。文中通过研究弹体制造工艺流程，总结出各项工艺对弹体性能及其它工艺影响的一般规律，得出在保证弹体性能前提下材料的最佳工艺方案。

射孔弹弹体；工艺流程；最佳工艺方案

0 引 言

石油作为目前世界上用途最广、最重要的战略能源之一，我国现阶段的工业与经济的快速发展仍离不开它，虽然我国的石油储备处于在世界前十行列，但是我国目前石油消耗主要仍靠进口补给，中国也即将超越美国成为世界第一大石油进口国，造成此现象的主要原因之一在于我国主动开采石油的技术仍不成熟。

我国目前采用的石油开采技术仍以开井为主，因为新兴技术射孔弹技术尚有许多问题尚未得到解决。油田射孔弹是石油开采作业时用于扩大油田采油半径的一种装置，其爆炸性能越好，穿透井下岩层的能力就越强，同时当射孔弹穿透的孔径越粗时，可获得的孔容就越大，因此改善油田射孔弹的性能可以大大提高石油产量并且降低作业成本。

1 实验结果分析与讨论

1.1 模具和压制成型方式的确定

图1为油田射孔弹弹体结构，弹体的盲孔深度为56 mm，内孔为圆锥面，壁厚极不均匀，薄厚处相差较大，最厚处为15 mm，最薄处仅为4 mm，如果使用普通模具单向压制的成型方式来制造弹体存在一定难度，即使成型也很难保证弹体各点密度是否均匀。所以，初压时采用组合模具，阴模和芯棒浮动的双向压制成型方式来压制初坯的方法比较合适。复压时采用简单模具，内孔反压量远大于上冲压下量的双向压制成型方式，对初烧后的初坯进行复压，这样能够保证零件的成型性和密度均匀性。

1.2 压制成型方式对成型性的影响

粉末制品的压坯密度、压坯密度的均匀性、压坯强度与压制方式有较大联系。压制成型过程中，粉末颗粒的变形抗力和模具的摩擦阻力不断被压制力克服，并且压制力迫使粉末流动并导致其产生塑性变形，随着粉末之间的空隙不断被压缩，粉末的变形抗力不断增大，以塑性变形为主的变形状态开始转变为弹性变形，其弹性后效也逐渐增大。压力撤除后，如果弹性后效过大，就会导致压件变形或产生裂纹严重时会导致分层断裂。图2是粉末移动与等密度分布线的变化情况。

图1 射孔弹弹体结构图

图2 粉末移动与等密度分布线的变化情况

如果零件存在台阶，壁厚不均匀时，粉末移动就不易进行，这将导致压坯局部形成高密度差，产生应力集中，变形、裂纹或断裂也就更容易产生。图3是压坯各点密度分布情况。

图3 压坯各点密度分布情况

由图2和图3可知：压坯密度最高的为A部分，密度最低的为C部分，B部分和D部分密度相近。导致这一结果的主要原因是粉末移动和各部分压缩比不一致，当上冲2向下移动时，就会迫使其下部粉末向下和向右移动，A处和B处的粉末就会增加，由于A处和B处的压缩比较大，并且上冲1与粉末是平面接触，上冲2与粉末是斜面接触，所以，A处粉体受压状态比B处好，因此，A处密度比B处密度高。C部分密度最低，主要与压制方式和结构有关，由于选取的压制方式其低密度就处在中间部位，而C处的结构属于楔形结构，不利于粉末移动，并且由于下冲的截面积较小，而芯棒的压制接触面积又过大，当下冲和芯棒向上移动时，对C处粉末的压缩效果不明显，所以，C部分的密度最低。

1.3 初压压力对压坯致密度的影响

选择400 MPa、500 MPa、600 MPa作为初压压力进行初压工艺试验。为了有利于对比，初压压坯密度的选择与材料试验相一致，分别为6.2 g/cm3、6.4 g/cm3、6.6 g/cm3。试验结果见表1。

由表1可以知：在选定的3种压力下测得的压坯密度都比材料试样所测得的压坯密度低。主要原因是材料试样和实际样件结构不同，若实际样件要取得和试样相同的密度，就必须提高单位压力。单位压力增加50 MPa后，就可以达到与材料试样相同的密度。需要注意的是密度为6.2 g/cm3的样件密度分布不均匀，压坯强度低，而且压坯高度较高，会增大复压压下量，对复压存在不利影响。密度为6.4 g/cm3和6.6 g/cm3的样件压坯强度较高，密度分布比较均匀。但密度为6.6 g/cm3的样件，在复压时需要较高的压力才能压到尺寸，也不利于复压。因此，实际单位初压压力取550 MPa比较合适，这样保证了初压压坯的成型，有利于复压。

表1 初压压力对压坯致密度的影响规律

1.4 复压压力对压坯致密度的影响

表2 复压压力对压坯致密度的影响规律

试验选择700 MPa、800 MPa、900 MPa作为单位复压压力进行复压工艺试验。试验结果见表2。

由表2可见：在相同的单位复压压力下，工艺样件复压密度比材料试样复压密度略低，这也是结构不同造成的。要提高复压密度，必须提高单位复压压力。从试验结果来看，单位复压压力取840 MPa较合适。

1.5 整形工艺对尺寸精度的影响

整形工艺试验结果见表3。

表3 整形工艺参数表

油田射孔弹弹体的尺寸精度等级为6 IT。因为样件烧结后会产生收缩和变形，这会导致其尺寸公差和表面粗糙度达不到技术要求，所以就必须进行机械加工。采用全封闭整形的方式来提高尺寸精度、表面粗糙度和底部强度不但可以达到预期目标,也可以增加产品的经济性较为合适。全封闭整形时由于样件在内外径及高度方向均留整形余量，所以，压件处于三向受力状态，压缩变形以塑性变形为主，而弹性变形较少，因此尺寸精度比较高，又因为在高度方向底部留有较大的整形余量，所以提高了底部密度和强度。

2 结语

文中主要研究和探讨了模具结构、初压参数、复压参数及整形参数对射孔弹弹体性能的影响规律，全封闭整形可以提高弹体的最终尺寸精度和表面粗糙度，可以省去机械加工工序，降低生产成本。

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Design and Experimental Study of the Mold for Oil Perforating Bullet

ZHANG Yinling1， XIANG Wei2， LI Bonan2， HU Xiang2
(1.HeilongjiangMechanic Science Institute,Harbin 150040,China；2.School ofMaterial Engineering,NanjingInstitute ofTechnology,Nanjing211167,China)

Oil field perforating bullet is mainly used for oil exploitation.In this paper,by studying the manufacturing process,the general law of the influence of the process on the performance of the missile and other processes is summarized.

perforating projectile;process flow;optimal process

TE 35

A

1002－2333（2018）01－0115－03

江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（201611276052X）；南京工程学院大学生科技创新基金项目（TB201702015，TB201702025）

（编辑立 明）

张银玲（1986—），女，工程师，从事机械工程技术工作；

项伟（1996—），男，本科生，研究方向为粉末冶金。

2017-02-23