微小尺寸等壁厚不锈钢螺旋管的液压成形

王 磊

（中国石油大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163000）

0 引言

微型钻孔是一种钻孔口径不超过88.9 mm 的新型钻孔技术，具有成本低、产量高、易于信息化、智能化、自动化等特点。

螺旋钻是一种用于提升机械钻速的井下动力钻工具，机械性能好、过载能力大，其主要组件是电机组件，电机组件包括定子和转子，在定子内孔上粘贴一块胶皮。普通的螺旋钻具定子结构包括两种类型，一种是传统定子（图1a）），另一种是等壁厚定子（图1b））。传统定子衬里的厚度是不均匀的，抗变形能力很弱，而且橡胶衬里容易产生热老化，使得电机效率大大降低。在定子铁管等壁厚的内腔中，经过多道弧形表面的处理，可大大提升轴瓦的散热性及抗畸变的能力，从而有效延长定子铁管的工作特性及寿命，具有显著的技术优势。

图1 螺杆钻具定子模型

然而，等厚度定子内螺线形大长径比的内螺线形表面在机床加工上一直是一个技术难点，尤其是小尺度内螺线形表面的加工难度更大。鉴于目前螺杆钻具所面临的问题，本文以定子金属管外层为螺旋、内壁橡胶轴衬均匀壁厚的双等壁厚螺杆钻具定子结构作为研究对象（图1c）），展开定子螺旋管加工方法的研究，加强散热性能、降低零件重量、提高材料利用率，外螺旋曲线还扩大了环空过流面，有利于岩屑的运移，所以在小直径钻孔中表现出更大的优势。

与常规等壁厚螺杆固定子轴径较小，制造难度较大，有必要对其进行系统研究。液压成型工艺的工艺原理是以液体为传力媒介，利用液压力和模型腔的相互作用，将标准的管子或平板成型出具有复杂结构的整体部件，取代了常规的焊接或铸造工艺，节省了工艺过程，也充分利用了物料，使其发挥最大功效，且模具制作简单、周期短、成本低，为实现设备的轻量化、无余量、高精度和一体化发展提供了条件。本文以流体加压为基础，采用有限元方法对管件的外径、壁厚和流体压力进行了数值模拟；对液压加载路径、挤压速度和摩擦因数进行研究。

1 材料拉伸实验

根据ATM 规范要求，使用MTS 型电抗器对304 不锈钢的抗拉性能进行测试（图2）。

图2 304 不锈钢拉伸测试

2 建立有限元模型

充液体加压成形等壁厚度的螺线管的工作原理如图3 所示。为了防止拔模过程中出现的相互干扰，将内部螺旋弯管按轴线方向等份地切割成与内部螺旋弯管头部个数相等的型腔，使其在冲模过程中从圆形孔进入内部螺旋弯管。该冲头采用同轴移动对管子进行加压，并在管子中注入一种高压流体。当冲头封闭时，该压力流体使得线圈管子完全膨胀并紧固在冲头中。最后卸下压力，使模具作同轴移动、脱离盘绕，加工结束。

图3 充液压制成形等壁厚螺旋管原理

3 工艺参数对成形质量的影响

3.1 管件外径

8 个类型的管子外径为50.5～54.0 mm（间距0.5 mm）、壁厚为5 mm、长度为360 mm。流体的加载量和结晶器的移动速度是同步的，流体的最大压力为600 MPa。

分析发现，当管件外直径变小时，钢管安全区间有增大的倾向，严重起皱、起皱和欠胀区域变小。在管材的外径分别为Φ54 mm 和Φ53.5 mm 的情况下，管材的大多数部位出现了明显的褶皱现象。在管材的直径分别为Φ53 mm 和Φ52.5 mm 的情况下，管材的较大范围的膨胀是不够的。当管子的直径为52 mm 时，在管子的末端有一个很大面积的缺陷区，并且在管子的中部则存在显著的缺陷区。在管件的外径分别为Φ51.5 mm、Φ51 mm、Φ50.5 mm时，在成型极限曲线上，盘条的曲面基本上处在安全区域内，只有在两端有一些地方出现了褶皱。

当管件的外径变小时，最小壁厚和最大壁厚也变小，当管件的外径为Φ51 mm 和Φ50.5 mm 时，最小壁厚最小。将螺纹管的表面品质和螺纹管的壁厚进行全面的考量，最终选定外径51.5 mm 和23.25 mm 的螺纹管。

3.2 管件壁厚

选择外径为23.25 mm 的管件，摩擦因数为0.125，壁厚5.0～5.5 mm 的管子进行研究。结果显示，随著管材的厚度增大，螺杆管的膨胀不完全区域增多，膨胀不完全区域也随之增大，并且膨胀不完全区域的分布范围越来越广。结果表明，在5.4 mm和5.5 mm 两种壁厚下，螺杆管的膨胀不完全区面积更大，而且分布更广。对于壁厚5.3 mm 的管材，由于管材的壁厚会导致线圈的末端部分膨胀不足。由成型极限曲线可以看出，壁厚在5.0 mm、5.1 mm 和5.2 mm 的管材中，螺旋管的成型品质比较好。

通过对调查发现，当管材壁厚不断增大时，管材最小壁厚、平均壁厚和最大壁厚也随之增大。当管件壁厚为5.3 mm 时，螺旋管的最小壁厚为4.67 mm，最大壁厚为4.97 mm，最大壁厚为5.24 mm，平均壁厚4.97 mm 与设计壁厚5 mm 最为接近。

结果显示，当钢管的壁厚度逐步增大时，其壁厚度偏差仅为5 mm，而钢管的壁厚度偏差先是由大变小，再由小变大。当管材的厚度为5.3 mm 时，其偏差最小。对螺旋管的表面品质和壁厚进行全面分析，得出了适用加工的管材尺寸：外径为51.8 mm，壁厚为5.3 mm。

3.3 流体压力

在350～700 MPa 范围内，考察流体压力对螺杆管成型的作用，在摩擦因数为0.125 的情况下，管材采用外径51.8 mm、壁厚5.3 mm 的流体压力，当流体压力逐步增大时，螺杆管中的膨胀不够均匀的情况会越来越少。结果表明，最小壁厚度随流体压力的变化而变化，流体压力的变化不明显，其最大壁厚度在5.3 mm 以下，最小壁厚度在4.6 mm 以上。

当流体压力不断提高时，产品的表面质量不断提高，其安全区域也不断增大。流体压力在350～500 MPa 范围内，由于大范围内存在显著的空白区，导致了成形品质较低。流体压力在550～600 MPa 范围内，在螺旋管的两端和中间出现局部膨胀不足的白色斑点。流体压力在650～700 MPa 的流体压力下，卷曲成型的效果更好。流体压力在650～700 MPa，卷曲度的差别很小，但在650 MPa 下卷曲度的最小厚度要比700 MPa 大得多。由于最大壁面厚度较低，故选用最大流体压力为650 MPa。

3.4 模具压制速度

模具压制速度共设置有8 种，分别是3 m/s、1 m/s、0.6 m/s、0.429 m/s、0.33 m/s、0.28 m/s、0.23 m/s 与0.2 m/s。液压负载通道在闭合之前0.002 s 处启动增压，当闭合时，增压至650 MPa，摩擦因数为0.125。当挤出速率降低时，产品质量逐渐提高，而后又逐步恶化。在3 m/s 和1 m/s 的挤出速率下，管材的外表面出现了严重的褶皱和膨胀缺陷。结果表明：该模型的压制速度分别为0.23 m/s 和0.2 m/s 时，在卷筒的两个端部和中间都存在着一片未充分膨胀的白区，而在两个端部出现了一片明显起皱和膨胀不良的白区。在模具挤出速度分别为0.6 m/s、0.33 m/s 与0.28 m/s时，螺旋管的两个端部存在较小的胀形不足。由成形极限图可知，在模具挤出速度为0.429 m/s 时，螺旋管的表面质量最好。

压制速度在3～0.6 m/s 范围内，由于口模的关闭，口模的最小壁厚度不断增大，而最大壁厚度则不断降低。压制速度在0.6～0.28 m/s 范围内，最大和最小壁厚基本保持不变。压制速度在0.028～0.2 m/s 范围内，最小壁厚度呈下降趋势，而最大壁厚度则呈上升趋势。当模具闭合挤压速度分别为0.6 m/s、0.429 m/s、0.33 m/s、0.28 m/s 时，产生了螺旋管轴向的壁厚误差，其两端壁厚误差较大，约为0.25 mm，中间部分壁厚误差最大值约为0.15 mm，这4 种压制速度螺旋管的最小壁厚、最大壁厚、壁厚误差的差异较小。经过全面分析，将压铸模的压制速度设定在0.429 m/s。

4 结论

在304 不锈钢的抗拉实验和充液成型技术的基础上，对5LZ54 微型等壁厚螺旋管进行了充液成型的有限元建模。结果表明，液压加载路径、模具挤压速度和摩擦因数等因素对成型效果有较大影响。

（1）根据有限元模拟计算，采用在轴向上将模具裁切成与固定头数量一致的部分，用液体挤压法成型等壁厚度的螺杆是可以实现的，并得到了良好的产品品质。由于引线长度与铸型长度一致，引线长度的偏差很少，接近于0，最大壁厚度的偏差在8%以内，最小壁厚度的最大值在4.6 mm 以上（最大值约5.25 mm），壁面的平均厚度约5 mm。

（2）在管材外径51.8 mm、壁厚5.3 mm、最大流体压力650 MPa、模具挤出速率0.429 m/s、摩擦因数不大于0.125 时，具有最佳的螺纹品质。

（3）卷绕管道的两个端部的厚度有很大的偏差，最大的偏差在0.3 mm 左右。在螺旋管的中部，壁厚的变动很小，最大变动仅为0.15 mm，充液压缩成形等壁厚螺旋管的主要破坏形式是起皱、严重起皱与胀形不足。