油田射孔彈彈體壓制模具設計及實驗研究

張銀玲， 項偉， 李柏男， 胡祥

（1.黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150040；2.南京工程學院材料工程學院，南京 211167）

油田射孔彈彈體壓制模具設計及實驗研究

張銀玲1， 項偉2， 李柏男2， 胡祥2

（1.黑龍江省機械科學研究院，哈爾濱 150040；2.南京工程學院材料工程學院，南京 211167）

油田射孔彈主要用來開采石油。文中通過研究彈體制造工藝流程，總結出各項工藝對彈體性能及其它工藝影響的一般規律，得出在保證彈體性能前提下材料的最佳工藝方案。

射孔彈彈體；工藝流程；最佳工藝方案

0 引 言

石油作為目前世界上用途最廣、最重要的戰略能源之一，我國現階段的工業與經濟的快速發展仍離不開它，雖然我國的石油儲備處于在世界前十行列，但是我國目前石油消耗主要仍靠進口補給，中國也即將超越美國成為世界第一大石油進口國，造成此現象的主要原因之一在于我國主動開采石油的技術仍不成熟。

我國目前采用的石油開采技術仍以開井為主，因為新興技術射孔彈技術尚有許多問題尚未得到解決。油田射孔彈是石油開采作業時用于擴大油田采油半徑的一種裝置，其爆炸性能越好，穿透井下巖層的能力就越強，同時當射孔彈穿透的孔徑越粗時，可獲得的孔容就越大，因此改善油田射孔彈的性能可以大大提高石油產量并且降低作業成本。

1 實驗結果分析與討論

1.1 模具和壓制成型方式的確定

圖1為油田射孔彈彈體結構，彈體的盲孔深度為56 mm，內孔為圓錐面，壁厚極不均勻，薄厚處相差較大，最厚處為15 mm，最薄處僅為4 mm，如果使用普通模具單向壓制的成型方式來制造彈體存在一定難度，即使成型也很難保證彈體各點密度是否均勻。所以，初壓時采用組合模具，陰模和芯棒浮動的雙向壓制成型方式來壓制初坯的方法比較合適。復壓時采用簡單模具，內孔反壓量遠大于上沖壓下量的雙向壓制成型方式，對初燒后的初坯進行復壓，這樣能夠保證零件的成型性和密度均勻性。

1.2 壓制成型方式對成型性的影響

粉末制品的壓坯密度、壓坯密度的均勻性、壓坯強度與壓制方式有較大聯系。壓制成型過程中，粉末顆粒的變形抗力和模具的摩擦阻力不斷被壓制力克服，并且壓制力迫使粉末流動并導致其產生塑性變形，隨著粉末之間的空隙不斷被壓縮，粉末的變形抗力不斷增大，以塑性變形為主的變形狀態開始轉變為彈性變形，其彈性后效也逐漸增大。壓力撤除后，如果彈性后效過大，就會導致壓件變形或產生裂紋嚴重時會導致分層斷裂。圖2是粉末移動與等密度分布線的變化情況。

圖1 射孔彈彈體結構圖

圖2 粉末移動與等密度分布線的變化情況

如果零件存在臺階，壁厚不均勻時，粉末移動就不易進行，這將導致壓坯局部形成高密度差，產生應力集中，變形、裂紋或斷裂也就更容易產生。圖3是壓坯各點密度分布情況。

圖3 壓坯各點密度分布情況

由圖2和圖3可知：壓坯密度最高的為A部分，密度最低的為C部分，B部分和D部分密度相近。導致這一結果的主要原因是粉末移動和各部分壓縮比不一致，當上沖2向下移動時，就會迫使其下部粉末向下和向右移動，A處和B處的粉末就會增加，由于A處和B處的壓縮比較大，并且上沖1與粉末是平面接觸，上沖2與粉末是斜面接觸，所以，A處粉體受壓狀態比B處好，因此，A處密度比B處密度高。C部分密度最低，主要與壓制方式和結構有關，由于選取的壓制方式其低密度就處在中間部位，而C處的結構屬于楔形結構，不利于粉末移動，并且由于下沖的截面積較小，而芯棒的壓制接觸面積又過大，當下沖和芯棒向上移動時，對C處粉末的壓縮效果不明顯，所以，C部分的密度最低。

1.3 初壓壓力對壓坯致密度的影響

選擇400 MPa、500 MPa、600 MPa作為初壓壓力進行初壓工藝試驗。為了有利于對比，初壓壓坯密度的選擇與材料試驗相一致，分別為6.2 g/cm3、6.4 g/cm3、6.6 g/cm3。試驗結果見表1。

由表1可以知：在選定的3種壓力下測得的壓坯密度都比材料試樣所測得的壓坯密度低。主要原因是材料試樣和實際樣件結構不同，若實際樣件要取得和試樣相同的密度，就必須提高單位壓力。單位壓力增加50 MPa后，就可以達到與材料試樣相同的密度。需要注意的是密度為6.2 g/cm3的樣件密度分布不均勻，壓坯強度低，而且壓坯高度較高，會增大復壓壓下量，對復壓存在不利影響。密度為6.4 g/cm3和6.6 g/cm3的樣件壓坯強度較高，密度分布比較均勻。但密度為6.6 g/cm3的樣件，在復壓時需要較高的壓力才能壓到尺寸，也不利于復壓。因此，實際單位初壓壓力取550 MPa比較合適，這樣保證了初壓壓坯的成型，有利于復壓。

表1 初壓壓力對壓坯致密度的影響規律

1.4 復壓壓力對壓坯致密度的影響

表2 復壓壓力對壓坯致密度的影響規律

試驗選擇700 MPa、800 MPa、900 MPa作為單位復壓壓力進行復壓工藝試驗。試驗結果見表2。

由表2可見：在相同的單位復壓壓力下，工藝樣件復壓密度比材料試樣復壓密度略低，這也是結構不同造成的。要提高復壓密度，必須提高單位復壓壓力。從試驗結果來看，單位復壓壓力取840 MPa較合適。

1.5 整形工藝對尺寸精度的影響

整形工藝試驗結果見表3。

表3 整形工藝參數表

油田射孔彈彈體的尺寸精度等級為6 IT。因為樣件燒結后會產生收縮和變形，這會導致其尺寸公差和表面粗糙度達不到技術要求，所以就必須進行機械加工。采用全封閉整形的方式來提高尺寸精度、表面粗糙度和底部強度不但可以達到預期目標,也可以增加產品的經濟性較為合適。全封閉整形時由于樣件在內外徑及高度方向均留整形余量，所以，壓件處于三向受力狀態，壓縮變形以塑性變形為主，而彈性變形較少，因此尺寸精度比較高，又因為在高度方向底部留有較大的整形余量，所以提高了底部密度和強度。

2 結語

文中主要研究和探討了模具結構、初壓參數、復壓參數及整形參數對射孔彈彈體性能的影響規律，全封閉整形可以提高彈體的最終尺寸精度和表面粗糙度，可以省去機械加工工序，降低生產成本。

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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

江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃項目（201611276052X）；南京工程學院大學生科技創新基金項目（TB201702015，TB201702025）

（編輯立 明）

張銀玲（1986—），女，工程師，從事機械工程技術工作；

項偉（1996—），男，本科生，研究方向為粉末冶金。

2017-02-23