KBD-75 空氣包外殼胎模鍛工藝設計

文／康海鵬，關朕，朱保亮，李大喬·寶雞石油機械有限責任公司熱工分公司

空氣包外殼現有胎模鍛工藝存在鍛造過程長、胎模復雜、鍛造能耗高等缺點。根據空氣包外殼的特點，分析胎模鍛的工藝性，改進制坯為盲孔長套形，運用圓柱形坯料在鐓粗過程中間部分自由向外擴脹成鼓形的成形原理，在上下模具內鐓粗成形。應用有限元模擬技術對工藝進行模擬，分析工藝參數，完善胎模鍛工藝。按新工藝進行生產試制，鍛件成形良好，模具設計制造簡單，操作方便，生產效率高。

鉆井泵是目前進行石油和天然氣鉆井作業中的關鍵設備，擔負著向井眼內輸送高壓鉆井液并維持鉆井液循環的重任。空氣包是鉆井泵液力端的組件，包括外殼、壓蓋、氣囊等，在鉆井泵工作過程中有穩定壓力，減小波動，增加水馬力，減少井漏等重要作用。

圖1 為KBD-75 型空氣包外殼，為內部中空的薄壁球形結構，最小處壁厚87mm，材料為鍛鋼35CrMoA，成品經磁粉探傷，應符合NB/T 47013.4-2015《承壓設備無損檢測》的規定，并按Ⅰ級質量要求驗收，調質硬度269 ～302HBW，同爐等效試棒(試棒尺寸φ125mm×250mm)，力學性能要求：Rm≥745MPa，ReL≥520MPa，A4≥17%，Z ≥45%，KV8≥27J(-20℃)，KV2≥41J(0℃)。

圖1 KBD-75 空氣包外殼

空氣包外殼現有胎模鍛工藝

目前空氣包外殼整體式鍛造技術方案有兩種。

第一種成形方案為：制通孔長套形坯料，將長套形坯料在上下預成形模和特制的鵝頭芯棒上拔長，預成形空氣包外殼的外形和內孔，制成預成形坯料。將預成形坯料重新加熱后在上下成形模具內，通過成形芯軸進行摔形、收口等處理，鍛成鍛件。這種胎模鍛技術的優點是，所制成的鍛件內部金屬流線隨鍛件形狀分布，鍛件質量好，加工余量少，節約材料成本。缺點是工藝過程復雜，工裝模具多，鍛造過程長，需至少三火次才能完成鍛造，鍛件成形與操作水平關系較大。

第二種成形方案是：圓柱形坯料在上下模具內鐓粗，鍛成空氣包外殼的球形外形，再通過沖頭沖直盲孔成形。該工藝方案的優點是工藝過程和模具設計簡單。缺點是鍛件內孔加工余量大，沖盲孔時所需鍛造壓力大，能耗高，長沖頭沖深孔時容易偏移，內孔底部的尺寸難以保證。

工藝性分析

通過對現有空氣包外殼胎模鍛工藝分析，結合KBD-75 空氣包外殼的形狀和結構，設計空氣包外殼胎模鍛工藝，主要改進制坯工藝，將制坯改為長套形坯料，坯料在鐓粗過程中，內外壁都向外自由脹形，外部坯料在上下球形模具限制下形成空氣包外殼的外部球形，內部坯料自然向外脹形成空氣包外殼的球形內孔。

根據圓柱形坯料在平砧間鐓粗的規律，一般坯料(高徑比H0/D0=0.8 ～2.0)在平板件鐓粗時，坯料中間部分呈現鼓形，而兩端部分因受與砧面之間摩擦阻力的影響，金屬向外側流動的趨勢很小，而是側表面金屬內翻，所以坯料兩端在鐓粗過程中直徑增大較中間部分小，從而形成了中間直徑大，兩端直徑小的單鼓形。而在實際鐓粗過程中，為防止鐓粗時產生縱向彎曲，圓柱體坯料高徑比在2 ～2.5 范圍內更好。高徑比在2 ～2.5 范圍內，鐓粗過程中，內外壁才能向外自由脹形形成鼓形，而坯料的壁厚、重量等因素也影響鍛件的成形。

工藝及模具設計

胎模鍛工藝設計

根據以上胎模鍛工藝性分析，以KBD-75 空氣包外殼為目標，制定胎模鍛工藝流程如下：

⑴鋼錠加熱。

⑵鋼錠倒棱、充分熱切水口冒口、下料。

⑶鋼錠經鐓粗和拔長、充分破碎內部鑄造疏松等缺陷。

⑷沖盲孔，芯軸拔長制成圓柱形盲孔長套坯料。

⑸熱切坯料兩端余料，尺寸符合制坯工藝要求。

⑹制坯重新加熱。

⑺坯料在下模內自由鐓粗到既定高度，翻轉清理模具內氧化皮。

⑻坯料上部加上模繼續鐓粗到合模尺寸。

⑼整體翻轉，從下模底部反向沖小通孔。

⑽鍛件置漏盤上反向脫模。

⑾鍛后正火處理。

圖2 為盲孔長套形制坯示意圖，制坯大頭直徑與上模內孔上端一致，小頭直徑與下模孔徑一致，坯料要求壁厚均勻。

圖2 KBD-75 空氣包外殼制坯

胎模鍛模具設計

圖3 KBD-75 空氣包外殼成形模具

胎模鍛工藝模擬分析

用CAD 三維軟件建立坯料和上下模具模型，導入有限元模擬軟件，對坯料進行有限元網格劃分，對坯料和模具進行定位，設置始鍛溫度、材料、接觸條件、步長等參數，開始計算機模擬。

圖4 為鍛造變形過程及金屬流動模擬，從模擬結果分析，盲孔長套形坯料在上下模具間鐓粗時，和圓柱形坯料鐓粗一樣，高度減小，橫截面積增大，內外部呈現鼓形，鍛件內部型腔規整，鍛件外部成形良好。

圖4 成形過程金屬流動模擬

圖5 為終鍛溫度、終鍛應力和鍛造載荷的模擬結果。終鍛時除上下端面外，鍛件溫度下降不明顯，鍛件成形過程塑性良好。內部應力分布較均勻，整個鍛件處于壓應力狀態，最大壓應力124MPa。鍛造載荷自由鐓粗階段加載較緩，胎模鍛階段所需載荷較大，曲線變陡，終鍛合模所需載荷為1884 噸。

圖5 成形過程溫度、應力及載荷模擬

生產試制及工藝改進

生產試制

根據模擬結果，進行生產試制，鍛件下料用23"鋼錠(3000kg)，試制坯料重1660kg，下料1920kg，材料利用率64%，鍛造2 火次，制坯主要尺寸為外徑φ540mm，內徑φ280mm，盲孔深度1150mm，總長度1300mm，鍛件材料為35CrMoA，始鍛溫度1220℃，鍛造設備5000t 油壓機。圖6 為KBD-75 空氣包外殼終鍛件。

圖6 試制KBD-75 空氣包外殼鍛件

試制結果鍛件尺寸達到了工藝要求，同爐φ130mm×250mm的力學性能試棒達到了設計圖紙的要求，加工完成后磁粉探傷，符合設計圖紙要求。

工藝改進的方向

⑴鍛件的表面質量較差，原因在于：隨著上下模合模，坯料與模具的內表面接觸，受模具限制，金屬向外流動受阻，易向坯料內部空心處流動，造成終鍛時鍛件表面沒有受到模具內表面的完全擠壓，鍛件表面尤其是上半部分表面質量較差，所以模具設計時應考慮適當加大鍛件外表面的加工余量。

⑵盲孔長套制坯在熱切后，端面不夠平整，在模具內鐓粗時不易立穩，導致坯料在鐓粗過程中傾斜，使鍛件偏向一側而不能成形。制坯后應在鋸床上鋸切兩端余料，保證端面平齊，端面與軸線垂直。

⑶坯料的壁厚對鍛件成形影響很大，壁厚太厚，則鐓粗后期多余的金屬向坯料中心空腔內流動，嚴重時導致空腔被填滿，下料重量太大。坯料的壁厚太薄，在鐓粗的前期可能由于壁厚強度不足而產生向內彎曲折疊，導致鍛件報廢。

結束語

⑴空氣包外殼胎模鍛工藝具有模具設計制造簡單，鍛造過程短，易操作等優點。

⑵空氣包外殼胎模鍛制坯形式簡單可靠，鍛件成形良好。

⑶空氣包外殼胎模鍛鍛件滿足加工要求，鍛件余量較小。鍛件金屬流線符合零件形狀，鍛件質量較好。

⑷空氣包外殼胎模鍛鍛造能耗小，鍛造流程短，具有較好的經濟效益。