微小尺寸等壁厚不銹鋼螺旋管的液壓成形

王 磊

（中國石油大慶石化公司熱電廠，黑龍江大慶 163000）

0 引言

微型鉆孔是一種鉆孔口徑不超過88.9 mm 的新型鉆孔技術，具有成本低、產量高、易于信息化、智能化、自動化等特點。

螺旋鉆是一種用于提升機械鉆速的井下動力鉆工具，機械性能好、過載能力大，其主要組件是電機組件，電機組件包括定子和轉子，在定子內孔上粘貼一塊膠皮。普通的螺旋鉆具定子結構包括兩種類型，一種是傳統定子（圖1a）），另一種是等壁厚定子（圖1b））。傳統定子襯里的厚度是不均勻的，抗變形能力很弱，而且橡膠襯里容易產生熱老化，使得電機效率大大降低。在定子鐵管等壁厚的內腔中，經過多道弧形表面的處理，可大大提升軸瓦的散熱性及抗畸變的能力，從而有效延長定子鐵管的工作特性及壽命，具有顯著的技術優勢。

圖1 螺桿鉆具定子模型

然而，等厚度定子內螺線形大長徑比的內螺線形表面在機床加工上一直是一個技術難點，尤其是小尺度內螺線形表面的加工難度更大。鑒于目前螺桿鉆具所面臨的問題，本文以定子金屬管外層為螺旋、內壁橡膠軸襯均勻壁厚的雙等壁厚螺桿鉆具定子結構作為研究對象（圖1c）），展開定子螺旋管加工方法的研究，加強散熱性能、降低零件重量、提高材料利用率，外螺旋曲線還擴大了環空過流面，有利于巖屑的運移，所以在小直徑鉆孔中表現出更大的優勢。

與常規等壁厚螺桿固定子軸徑較小，制造難度較大，有必要對其進行系統研究。液壓成型工藝的工藝原理是以液體為傳力媒介，利用液壓力和模型腔的相互作用，將標準的管子或平板成型出具有復雜結構的整體部件，取代了常規的焊接或鑄造工藝，節省了工藝過程，也充分利用了物料，使其發揮最大功效，且模具制作簡單、周期短、成本低，為實現設備的輕量化、無余量、高精度和一體化發展提供了條件。本文以流體加壓為基礎，采用有限元方法對管件的外徑、壁厚和流體壓力進行了數值模擬；對液壓加載路徑、擠壓速度和摩擦因數進行研究。

1 材料拉伸實驗

根據ATM 規范要求，使用MTS 型電抗器對304 不銹鋼的抗拉性能進行測試（圖2）。

圖2 304 不銹鋼拉伸測試

2 建立有限元模型

充液體加壓成形等壁厚度的螺線管的工作原理如圖3 所示。為了防止拔模過程中出現的相互干擾，將內部螺旋彎管按軸線方向等份地切割成與內部螺旋彎管頭部個數相等的型腔，使其在沖模過程中從圓形孔進入內部螺旋彎管。該沖頭采用同軸移動對管子進行加壓，并在管子中注入一種高壓流體。當沖頭封閉時，該壓力流體使得線圈管子完全膨脹并緊固在沖頭中。最后卸下壓力，使模具作同軸移動、脫離盤繞，加工結束。

圖3 充液壓制成形等壁厚螺旋管原理

3 工藝參數對成形質量的影響

3.1 管件外徑

8 個類型的管子外徑為50.5～54.0 mm（間距0.5 mm）、壁厚為5 mm、長度為360 mm。流體的加載量和結晶器的移動速度是同步的，流體的最大壓力為600 MPa。

分析發現，當管件外直徑變小時，鋼管安全區間有增大的傾向，嚴重起皺、起皺和欠脹區域變小。在管材的外徑分別為Φ54 mm 和Φ53.5 mm 的情況下，管材的大多數部位出現了明顯的褶皺現象。在管材的直徑分別為Φ53 mm 和Φ52.5 mm 的情況下，管材的較大范圍的膨脹是不夠的。當管子的直徑為52 mm 時，在管子的末端有一個很大面積的缺陷區，并且在管子的中部則存在顯著的缺陷區。在管件的外徑分別為Φ51.5 mm、Φ51 mm、Φ50.5 mm時，在成型極限曲線上，盤條的曲面基本上處在安全區域內，只有在兩端有一些地方出現了褶皺。

當管件的外徑變小時，最小壁厚和最大壁厚也變小，當管件的外徑為Φ51 mm 和Φ50.5 mm 時，最小壁厚最小。將螺紋管的表面品質和螺紋管的壁厚進行全面的考量，最終選定外徑51.5 mm 和23.25 mm 的螺紋管。

3.2 管件壁厚

選擇外徑為23.25 mm 的管件，摩擦因數為0.125，壁厚5.0～5.5 mm 的管子進行研究。結果顯示，隨著管材的厚度增大，螺桿管的膨脹不完全區域增多，膨脹不完全區域也隨之增大，并且膨脹不完全區域的分布范圍越來越廣。結果表明，在5.4 mm和5.5 mm 兩種壁厚下，螺桿管的膨脹不完全區面積更大，而且分布更廣。對于壁厚5.3 mm 的管材，由于管材的壁厚會導致線圈的末端部分膨脹不足。由成型極限曲線可以看出，壁厚在5.0 mm、5.1 mm 和5.2 mm 的管材中，螺旋管的成型品質比較好。

通過對調查發現，當管材壁厚不斷增大時，管材最小壁厚、平均壁厚和最大壁厚也隨之增大。當管件壁厚為5.3 mm 時，螺旋管的最小壁厚為4.67 mm，最大壁厚為4.97 mm，最大壁厚為5.24 mm，平均壁厚4.97 mm 與設計壁厚5 mm 最為接近。

結果顯示，當鋼管的壁厚度逐步增大時，其壁厚度偏差僅為5 mm，而鋼管的壁厚度偏差先是由大變小，再由小變大。當管材的厚度為5.3 mm 時，其偏差最小。對螺旋管的表面品質和壁厚進行全面分析，得出了適用加工的管材尺寸：外徑為51.8 mm，壁厚為5.3 mm。

3.3 流體壓力

在350～700 MPa 范圍內，考察流體壓力對螺桿管成型的作用，在摩擦因數為0.125 的情況下，管材采用外徑51.8 mm、壁厚5.3 mm 的流體壓力，當流體壓力逐步增大時，螺桿管中的膨脹不夠均勻的情況會越來越少。結果表明，最小壁厚度隨流體壓力的變化而變化，流體壓力的變化不明顯，其最大壁厚度在5.3 mm 以下，最小壁厚度在4.6 mm 以上。

當流體壓力不斷提高時，產品的表面質量不斷提高，其安全區域也不斷增大。流體壓力在350～500 MPa 范圍內，由于大范圍內存在顯著的空白區，導致了成形品質較低。流體壓力在550～600 MPa 范圍內，在螺旋管的兩端和中間出現局部膨脹不足的白色斑點。流體壓力在650～700 MPa 的流體壓力下，卷曲成型的效果更好。流體壓力在650～700 MPa，卷曲度的差別很小，但在650 MPa 下卷曲度的最小厚度要比700 MPa 大得多。由于最大壁面厚度較低，故選用最大流體壓力為650 MPa。

3.4 模具壓制速度

模具壓制速度共設置有8 種，分別是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 與0.2 m/s。液壓負載通道在閉合之前0.002 s 處啟動增壓，當閉合時，增壓至650 MPa，摩擦因數為0.125。當擠出速率降低時，產品質量逐漸提高，而后又逐步惡化。在3 m/s 和1 m/s 的擠出速率下，管材的外表面出現了嚴重的褶皺和膨脹缺陷。結果表明：該模型的壓制速度分別為0.23 m/s 和0.2 m/s 時，在卷筒的兩個端部和中間都存在著一片未充分膨脹的白區，而在兩個端部出現了一片明顯起皺和膨脹不良的白區。在模具擠出速度分別為0.6 m/s、0.33 m/s 與0.28 m/s時，螺旋管的兩個端部存在較小的脹形不足。由成形極限圖可知，在模具擠出速度為0.429 m/s 時，螺旋管的表面質量最好。

壓制速度在3～0.6 m/s 范圍內，由于口模的關閉，口模的最小壁厚度不斷增大，而最大壁厚度則不斷降低。壓制速度在0.6～0.28 m/s 范圍內，最大和最小壁厚基本保持不變。壓制速度在0.028～0.2 m/s 范圍內，最小壁厚度呈下降趨勢，而最大壁厚度則呈上升趨勢。當模具閉合擠壓速度分別為0.6 m/s、0.429 m/s、0.33 m/s、0.28 m/s 時，產生了螺旋管軸向的壁厚誤差，其兩端壁厚誤差較大，約為0.25 mm，中間部分壁厚誤差最大值約為0.15 mm，這4 種壓制速度螺旋管的最小壁厚、最大壁厚、壁厚誤差的差異較小。經過全面分析，將壓鑄模的壓制速度設定在0.429 m/s。

4 結論

在304 不銹鋼的抗拉實驗和充液成型技術的基礎上，對5LZ54 微型等壁厚螺旋管進行了充液成型的有限元建模。結果表明，液壓加載路徑、模具擠壓速度和摩擦因數等因素對成型效果有較大影響。

（1）根據有限元模擬計算，采用在軸向上將模具裁切成與固定頭數量一致的部分，用液體擠壓法成型等壁厚度的螺桿是可以實現的，并得到了良好的產品品質。由于引線長度與鑄型長度一致，引線長度的偏差很少，接近于0，最大壁厚度的偏差在8%以內，最小壁厚度的最大值在4.6 mm 以上（最大值約5.25 mm），壁面的平均厚度約5 mm。

（2）在管材外徑51.8 mm、壁厚5.3 mm、最大流體壓力650 MPa、模具擠出速率0.429 m/s、摩擦因數不大于0.125 時，具有最佳的螺紋品質。

（3）卷繞管道的兩個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，壁厚的變動很小，最大變動僅為0.15 mm，充液壓縮成形等壁厚螺旋管的主要破壞形式是起皺、嚴重起皺與脹形不足。