KBD-75 空气包外壳胎模锻工艺设计

文／康海鹏，关朕，朱保亮，李大乔·宝鸡石油机械有限责任公司热工分公司

空气包外壳现有胎模锻工艺存在锻造过程长、胎模复杂、锻造能耗高等缺点。根据空气包外壳的特点，分析胎模锻的工艺性，改进制坯为盲孔长套形，运用圆柱形坯料在镦粗过程中间部分自由向外扩胀成鼓形的成形原理，在上下模具内镦粗成形。应用有限元模拟技术对工艺进行模拟，分析工艺参数，完善胎模锻工艺。按新工艺进行生产试制，锻件成形良好，模具设计制造简单，操作方便，生产效率高。

钻井泵是目前进行石油和天然气钻井作业中的关键设备，担负着向井眼内输送高压钻井液并维持钻井液循环的重任。空气包是钻井泵液力端的组件，包括外壳、压盖、气囊等，在钻井泵工作过程中有稳定压力，减小波动，增加水马力，减少井漏等重要作用。

图1 为KBD-75 型空气包外壳，为内部中空的薄壁球形结构，最小处壁厚87mm，材料为锻钢35CrMoA，成品经磁粉探伤，应符合NB/T 47013.4-2015《承压设备无损检测》的规定，并按Ⅰ级质量要求验收，调质硬度269 ～302HBW，同炉等效试棒(试棒尺寸φ125mm×250mm)，力学性能要求：Rm≥745MPa，ReL≥520MPa，A4≥17%，Z ≥45%，KV8≥27J(-20℃)，KV2≥41J(0℃)。

图1 KBD-75 空气包外壳

空气包外壳现有胎模锻工艺

目前空气包外壳整体式锻造技术方案有两种。

第一种成形方案为：制通孔长套形坯料，将长套形坯料在上下预成形模和特制的鹅头芯棒上拔长，预成形空气包外壳的外形和内孔，制成预成形坯料。将预成形坯料重新加热后在上下成形模具内，通过成形芯轴进行摔形、收口等处理，锻成锻件。这种胎模锻技术的优点是，所制成的锻件内部金属流线随锻件形状分布，锻件质量好，加工余量少，节约材料成本。缺点是工艺过程复杂，工装模具多，锻造过程长，需至少三火次才能完成锻造，锻件成形与操作水平关系较大。

第二种成形方案是：圆柱形坯料在上下模具内镦粗，锻成空气包外壳的球形外形，再通过冲头冲直盲孔成形。该工艺方案的优点是工艺过程和模具设计简单。缺点是锻件内孔加工余量大，冲盲孔时所需锻造压力大，能耗高，长冲头冲深孔时容易偏移，内孔底部的尺寸难以保证。

工艺性分析

通过对现有空气包外壳胎模锻工艺分析，结合KBD-75 空气包外壳的形状和结构，设计空气包外壳胎模锻工艺，主要改进制坯工艺，将制坯改为长套形坯料，坯料在镦粗过程中，内外壁都向外自由胀形，外部坯料在上下球形模具限制下形成空气包外壳的外部球形，内部坯料自然向外胀形成空气包外壳的球形内孔。

根据圆柱形坯料在平砧间镦粗的规律，一般坯料(高径比H0/D0=0.8 ～2.0)在平板件镦粗时，坯料中间部分呈现鼓形，而两端部分因受与砧面之间摩擦阻力的影响，金属向外侧流动的趋势很小，而是侧表面金属内翻，所以坯料两端在镦粗过程中直径增大较中间部分小，从而形成了中间直径大，两端直径小的单鼓形。而在实际镦粗过程中，为防止镦粗时产生纵向弯曲，圆柱体坯料高径比在2 ～2.5 范围内更好。高径比在2 ～2.5 范围内，镦粗过程中，内外壁才能向外自由胀形形成鼓形，而坯料的壁厚、重量等因素也影响锻件的成形。

工艺及模具设计

胎模锻工艺设计

根据以上胎模锻工艺性分析，以KBD-75 空气包外壳为目标，制定胎模锻工艺流程如下：

⑴钢锭加热。

⑵钢锭倒棱、充分热切水口冒口、下料。

⑶钢锭经镦粗和拔长、充分破碎内部铸造疏松等缺陷。

⑷冲盲孔，芯轴拔长制成圆柱形盲孔长套坯料。

⑸热切坯料两端余料，尺寸符合制坯工艺要求。

⑹制坯重新加热。

⑺坯料在下模内自由镦粗到既定高度，翻转清理模具内氧化皮。

⑻坯料上部加上模继续镦粗到合模尺寸。

⑼整体翻转，从下模底部反向冲小通孔。

⑽锻件置漏盘上反向脱模。

⑾锻后正火处理。

图2 为盲孔长套形制坯示意图，制坯大头直径与上模内孔上端一致，小头直径与下模孔径一致，坯料要求壁厚均匀。

图2 KBD-75 空气包外壳制坯

胎模锻模具设计

图3 KBD-75 空气包外壳成形模具

胎模锻工艺模拟分析

用CAD 三维软件建立坯料和上下模具模型，导入有限元模拟软件，对坯料进行有限元网格划分，对坯料和模具进行定位，设置始锻温度、材料、接触条件、步长等参数，开始计算机模拟。

图4 为锻造变形过程及金属流动模拟，从模拟结果分析，盲孔长套形坯料在上下模具间镦粗时，和圆柱形坯料镦粗一样，高度减小，横截面积增大，内外部呈现鼓形，锻件内部型腔规整，锻件外部成形良好。

图4 成形过程金属流动模拟

图5 为终锻温度、终锻应力和锻造载荷的模拟结果。终锻时除上下端面外，锻件温度下降不明显，锻件成形过程塑性良好。内部应力分布较均匀，整个锻件处于压应力状态，最大压应力124MPa。锻造载荷自由镦粗阶段加载较缓，胎模锻阶段所需载荷较大，曲线变陡，终锻合模所需载荷为1884 吨。

图5 成形过程温度、应力及载荷模拟

生产试制及工艺改进

生产试制

根据模拟结果，进行生产试制，锻件下料用23"钢锭(3000kg)，试制坯料重1660kg，下料1920kg，材料利用率64%，锻造2 火次，制坯主要尺寸为外径φ540mm，内径φ280mm，盲孔深度1150mm，总长度1300mm，锻件材料为35CrMoA，始锻温度1220℃，锻造设备5000t 油压机。图6 为KBD-75 空气包外壳终锻件。

图6 试制KBD-75 空气包外壳锻件

试制结果锻件尺寸达到了工艺要求，同炉φ130mm×250mm的力学性能试棒达到了设计图纸的要求，加工完成后磁粉探伤，符合设计图纸要求。

工艺改进的方向

⑴锻件的表面质量较差，原因在于：随着上下模合模，坯料与模具的内表面接触，受模具限制，金属向外流动受阻，易向坯料内部空心处流动，造成终锻时锻件表面没有受到模具内表面的完全挤压，锻件表面尤其是上半部分表面质量较差，所以模具设计时应考虑适当加大锻件外表面的加工余量。

⑵盲孔长套制坯在热切后，端面不够平整，在模具内镦粗时不易立稳，导致坯料在镦粗过程中倾斜，使锻件偏向一侧而不能成形。制坯后应在锯床上锯切两端余料，保证端面平齐，端面与轴线垂直。

⑶坯料的壁厚对锻件成形影响很大，壁厚太厚，则镦粗后期多余的金属向坯料中心空腔内流动，严重时导致空腔被填满，下料重量太大。坯料的壁厚太薄，在镦粗的前期可能由于壁厚强度不足而产生向内弯曲折叠，导致锻件报废。

结束语

⑴空气包外壳胎模锻工艺具有模具设计制造简单，锻造过程短，易操作等优点。

⑵空气包外壳胎模锻制坯形式简单可靠，锻件成形良好。

⑶空气包外壳胎模锻锻件满足加工要求，锻件余量较小。锻件金属流线符合零件形状，锻件质量较好。

⑷空气包外壳胎模锻锻造能耗小，锻造流程短，具有较好的经济效益。