1引言随着油田的不断开采,油层在不断降低,对抽油杆的需求量越来越大。采用图1所示的异形抽 油杆可以节省接箍,而且安装方便,经济效益和社会效益显著。本文通过理论分析,制定了异形抽 油杆的镦锻工艺并设计出模具,并且通过实验验证了该工艺和模具设计的合理性和可行性。图1异形抽油杆零件图Fig·1Part drawing of new type of sucker rod2工艺分析抽油杆在平锻机上镦锻,常会因轴向失稳而在锻模分模面处产生折叠、缺肉和单边 径向飞边等缺陷,其原因主要是坯料长径比过大,所需聚积的金属多,聚料工步次数少,聚料时的 相对镦缩量过大,即镦锻比超出了目前广泛使用的“锥形模局部镦粗规则<”1>。在锥形模中镦 锻,坯料端部位包络固定,因此,可以认为毛坯的弯曲与坯料端面的形状无关,只与相对镦缩量β 、凸模锥角α、锥腔小底直径d1、模膛不充满系数μ、摩擦因子、变形速度、材料硬化和润滑条 件等因素有关。2·1相对镦缩量β的影响相对镦缩量是指某工步的压缩量ΔL与其坯料直径d0 的比值(β=ΔL/d0),它对毛坯弯曲和成形的影响最大。目前,遵循的镦锻规则为β≤3, 与用平板模稳定镦锻时所允许的坯料长径比ψ(ψ=L0/d0)的值相同。但是在抽油杆锻造中 ,β基本上都大于3,所以根据文献<3>提出的用平板模镦锻,当ψ>3时,可以采用小变形多 阶段进行,其公式为:φ=π4vn(1-ε)3ε式中v———坯料端部稳定系数,与毛坯两端的平直度有关,在端面与其轴线垂直时,v=0·5n———材化指料硬数ε———变形程度根据上式计算,每次镦锻的变形程度都非常小,而坯料在镦 锻过程中温度下降非常快,所以终锻达不到所需的温度,因而不适合大批量的生产,但却为抽油杆 这类特大镦锻比锻件在第1工步镦锻时采用两次或多次送料提供了理论依据。同时,通过实验可知 :镦锻刚开始时,坯料在其中间部位发生平面弯曲,随着凸模不断前移,坯料在模腔外的长度也在 不断减小,即使随后坯料在模腔外有可能发生弯曲,但只要弯曲面没有超过锥腔大底直径,弯曲面 很快就进入到模腔内而受到模壁支撑。因此,坯料在锥形模膛中镦锻,可以适当提高镦缩量β值。 2·2凸模锥角α的影响根据参考文献<2>可知,模腔锥角直接影响镦锻时坯料的弯曲程度,可 由下式确定:f=0·4387Ltanα式中f———毛坯的弯曲度L———抽油杆变形长度锥角α不能小于2°,否则,锥形模效果不明显。图2坯料锻压弯曲度示意图Fig·2Sketch map of forging curvature degree for the rod2·3锥腔小底直径d1的影响在锥形模中镦锻,滑动受到模壁限制,在d0小于小底直径d 1的情况下,滑动量为(d1—d0)/2,假设在坯料端面中心与小底圆心重合且不滑动的情况 下,弯曲度为f,则在坯料滑动受到模壁支撑后,其弯曲度如图2所示,约为f+(d1—d0) /2。由于坯料镦锻前原有的、或因加热、自重等原因而存在的弯曲,使坯料总是偏向模膛一边。 故锥腔小底直径与毛坯直径之差越大,镦锻时产生的弯曲也越大。2·4模膛不充满系数μ的影响 当μ过大时,除了模膛充满不理想外,还容易在下工步镦锻时产生折叠;当μ过小时,坯料在未充 满模膛的情况下,会在分模面处挤出飞边,形成毛边折叠。因此,应该合理地选取镦锻各工步的模膛不充满系数μ。根据实验结果和实际生产情况,其值可从表1中选取。表1模膛不充满系数μTable1 Impression coefficient of unfullness工步序号原始直径(mm)<20 20~40 40~60 60~801 1·06 1·08 1·10 1·122 1·04 1·06 1·07 1·083 1·02 1·03 1·04 1·054 1·01 1·02 1·03 1·045 1·00 1·01 1·02 1·032·5摩擦因子的影响在一般镦锻成形过程中,在模膛表面涂上一层润滑油可以有利于锻件 充填模膛,但对于抽油杆这类特大长径比坯料的镦锻来说,却是不利于充填模膛的。因为这类锻件 ,在变形初期就发生螺旋弯曲,若再加上润滑,会使螺旋弯曲程度加大,从而减小了螺旋凹面的镦 锻量,阻碍了金属充填模膛,易形成折叠,为了增大螺旋凹面的镦缩量,促使金属良好地充填模膛 ,应增大模壁对金属的流动阻力。通过一组对比试验即用相同的模具,按同样的锻压速度,镦锻相 同参数的异形抽油杆:(1)在模膛表面涂上一层润滑油(黄油);(2)在模膛表面涂上一层粉 笔灰。通过试验发现:在模膛表面涂上润滑油,锻压后抽油杆产生折叠,而在模膛表面涂上粉笔灰 ,锻造后抽油杆则无折叠产生。说明对于抽油杆的镦锻,模膛应该是无润滑的。使用Deform 三维有限元模拟软件对异形抽油杆的镦锻过程进行模拟,结果发现模膛表面越光滑,所得锻件的质 量越好,这与试验结果相矛盾,至于原因尚不清楚,有待进一步研究。3工艺参数的确定(1)根 据热锻件镦锻部分的尺寸确定坯料变形部分的体积V,并考虑锻件上偏差之半和环形飞边及烧损体 积。(2)计算毛坯变形部分长度L0:L0=4Vπd20式中d0———坯料直径(3)确定 坯料镦锻部分的长径比ψ:ψ=L0d0式中L0———毛坯变形部分长度(4)确定锥形镦锻工 步数n′,由文献<2>知:n′=ψD均-L0(0·042ψ+m)D均式中D均———锻件 镦锻部分的平均直径m———镦锻过程稳定系数,m=0·69~0·79(5)计算锥腔小底直 径dn,由文献<2>知:dn=dn-1<(1·03:1·05)+(0·03:0·05) (n-1)>由经验公式:d1=(1·03~1·05)d0d2=d1<(1·03~1·0 5)+(0·03~0·05)>以此类推。(6)计算锥腔大底直径Dn,由文献<2>知:D n=2L0ψ-(0·042ψ+m)n-dn式中n———镦锻工步顺序号(7)计算锥腔长度 Ln,由文献<2>知:Ln=3·82μND2n+d2n+DndnD均=1·13VL锻式 中L锻———锻件镦锻变形部分长度μ———模膛不充满系数(按表1选取)按照这一方法计算, 并根据前面分析加以优化,可以确定Φ28·5mm异形抽油杆锻造工艺参数,如图3所示。在第 1、第2、第3工步镦锻时,冲头型腔由一段圆柱形和两段圆锥形组成,其优势为:(1)在型腔 小底处采用圆柱形可以减小相对镦缩量,提高镦锻过程的稳定性,同时起到一定程度的导向作用, 可以减小坯料在镦锻时的弯曲程度;(2)在型腔大底处采用一个锥角较大圆锥形是为了保证整个 型腔的锥角α不小于2°。4结论实际生产证明,采用图3中的工艺参数设计的模具,能锻造出高质量的该异形抽油杆,锻件的合格率均在95%以上。图3抽油杆锻造工步图Fig·3Forging step drawing of sucker rod异形抽油杆镦锻模具设计@张志坤$华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室!湖北武汉430074
@黄早文$华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室!湖北武汉430074
@向和军$华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室!湖北武汉430074为了满足 石油工业对抽油杆的批量要求,通过理论分析和实验研究,设计了一种异形抽油杆,并制定了Φ2 8.5mm抽油杆的镦锻成形工艺,同时设计出了一套结构简单、使用方便、寿命高的成形模具。 该抽油杆具有节省材料,安装方便的优点。使用该工艺加工抽油杆的材料利用率高,生产效率高, 精度高,使用寿命长。具有显著的社会效益和经济效益,对批量生产该异类形抽油杆,具有推广价 值。抽油杆;;镦锻;;模具;;设计<1>吕炎.锻造工艺学
.北京:机械工业出版社,1995.
<2>李尚健.锻造工艺及模具设计资料.北京:机械工业出版社,1991
<3>CeмeновE II,ЗиновbeвII C.HoвыйметодpacчeтaзaготовокпpигopячeйBblc aдки.Becтникмашиностроени,я1978,(11):55.1 ·03~1·05)d0d2=d1<(1·03~1·05)+(0·03~0·05)>以此 类推。(6)计算锥腔大底直径Dn,由文献<2>知:Dn=2L0ψ-(0·042ψ+m) n-dn式中n———镦锻工步顺序号(7)计算锥腔长度Ln,由文献<2>知:Ln=3·8 2μND2n+d2n+DndnD均=1·13VL锻式中L锻———锻件镦锻变形部分长度μ ———模膛不充满系数(按表1选取)按照这一方法计算,并根据前面分析加以优化,可以确定Φ 28·5mm异形抽油杆锻造工艺参数,如图3所示。在第1、第2、第3工步镦锻时,冲头型腔 由一段圆柱形和两段圆锥形组成,其优势为:(1)在型腔小底处采用圆柱形可以减小相对镦缩量 ,提高镦锻过程的稳定性,同时起到一定程度的导向作用,可以减小坯料在镦锻时的弯曲程度;( 2)在型腔大底处采用一个锥角较大圆锥形是为了保证整个型腔的锥角α不小于2°。4结论实际 生产证明,采用图3中的工艺参数设计的模具,能锻造出高质量的该异形抽油杆,锻件的合格率均在95%以上。图3抽油杆锻造工步图Fig·3Forging step drawing of sucker rod异形抽油杆镦锻模具设计@张志坤$华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室!湖北武汉430074
@黄早文$华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室!湖北武汉430074
@向和军$华中科技大学塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室!湖北武汉430074为了满足 石油工业对抽油杆的批量要求,通过理论分析和实验研究,设计了一种异形抽油杆,并制定了Φ28.5mm抽油杆的镦锻成形工艺,同时设计出
More abstracts about the 异形抽油杆镦锻模具设计