等壁厚螺桿鉆具定子電解加工技術研究

溫鋼柱，靳 堅，李 歐，龐志輝

（內蒙古北方重工業集團有限公司，內蒙古 包頭014033） ①

常規螺桿鉆具定子內孔的螺旋線是在鋼管光滑內壁用橡膠壓注而成。由于橡膠襯套的厚度不均勻及橡膠性能的局限，使鉆具在工作時存在輸出扭拒低、工作性能不穩定、熱應力大、壽命短等不足，極大地影響著鉆井的施工進度。世界各國都對此進行了研究。試驗證明：給橡膠加上金屬骨架，即定子外殼內孔加工成與轉子相匹配的螺旋曲面，使橡膠襯套成為等壁厚結構，就可以大幅度提高螺桿鉆具的性能及壽命。

20世紀末，美國［1］、德國研制成功了等壁厚金屬定子內螺旋線電解加工技術，使等壁厚螺桿鉆具從研制走向應用。國內從2005年開始研究等壁厚螺桿鉆具定子的加工方法，細長形內孔中的螺旋曲面是其加工難點。國內有關研究機構和企業大多采用金屬切削和一些常規的加工方法，即，試驗使用數控銑削、機械拉制、精密鑄造及外圓滾壓內部成型等加工方法。比較各種加工方法，電解加工方法最適合等壁厚螺桿鉆具定子的螺旋面加工。我國于2008年研制成功了定子內螺旋曲面的電解加工技術。經國內外油田使用證明，采用該技術加工的螺桿鉆具可與國外技術相媲美。

1 螺桿鉆具的定子結構

1.1 常規螺桿鉆具

常規螺桿鉆具定子的螺旋曲面是在鋼管內壁用橡膠壓注而成，截面結構如圖1。構成螺旋線的橡膠厚度相差很多，為非等壁厚結構。存在4個缺點：

1） 輸出扭矩低。由于橡膠的機械強度、硬度較低，鉆壓加大時橡膠會變形，導致鉆井液滲漏及馬達擊穿等問題，因此只能使用低壓鉆井。

2） 熱應力大、低壽命。由于橡膠厚度相差很多，定子工作時熱擴散率相差很大，造成局部過熱及不均勻變形，易出現橡膠掉塊、撕裂和脫膠，導致馬達過早失效。

3） 工作不穩定。由于橡膠壁厚不均勻，抗變形能力低，單級承壓小，磨損速度快，效率隨使用時間的增長而降低，工作穩定性差。

4） 橡膠襯套與殼體的粘合面積小，鉆具長度較長，使隨鉆測量儀（MWD）、隨鉆測井儀（LWD）的測量誤差較大。

圖1 常規螺桿鉆具定子截面

1.2 等壁厚螺桿鉆具

由于鉆井工程的需要，鉆井市場不僅需要用于普通定向井、中深井的螺桿鉆具，更需要在深井、高密度鉆井液井及小曲率半徑水平井中使用的鉆具［2］。在這些工程中需要解決的主要問題是提高鉆具的壽命和鉆具具有足夠的動力。但由于橡膠特性的局限，盡管使用增強、改性等方法來提高橡膠的性能，也很難達到要求。

等壁厚螺桿鉆具是一種新型螺桿鉆具，該鉆具是將馬達金屬定子內壁加工出與橡膠襯套相配合的螺旋曲面，使橡膠襯套成為等壁厚結構（如圖2），相當于為壓注在定子內的橡膠加上了金屬骨架。這一特殊結構使其克服和改進了常規螺桿鉆具的諸多缺陷，而且使鉆具壽命大幅度提高并具備了高輸出扭矩的特點，因此比常規鉆具更適合在復雜工況條件下工作。

圖2 等壁厚螺桿鉆具定子截面

2 電解加工原理

為了使定子內的橡膠內襯具有等壁厚，需在金屬定子的內表面加工出剖面為類梅花瓣形的螺旋曲面。金屬定子的長度為3～6 m，內徑為40～170 mm，螺旋曲面的加工深度為10～25 mm。國內試驗了數控銑削、機械拉制、精密鑄造及外圓滾壓內部成型等加工方法，成品的技術參數符合性差，難以滿足定子制造要求，使定子的壽命達不到設計指標。采用電解加工技術是目前最好的選擇。

電解加工是利用金屬陽極電化學溶解原理去除金屬材料的一種特種加工方法。電解加工時，工件連接于直流電源的正極，稱為陽極或工件陽極，工具連接于電源的負極，稱為陰極或工具陰極。在工件與陰極構成的小間隙之間有高壓、高速流動的電解液，在施加大電流的條件下進行電化學加工（如圖3），屬于非接觸的冷加工。

電解加工的優點是：

1） 加工范圍廣，不受金屬材料本身硬度、強度和韌性的限制，能夠勝任金屬切削機床不能承受的任務。

2） 表面質量好，加工出的產品不產生切削力所引起的殘余應力和變形，切削加工時不產生高溫所引起的熱應力，沒有刀具切削痕跡，沒有飛邊、毛刺。

3） 加工效率高，能以簡單的進給運動1次加工出各種形狀復雜的型腔和型孔，加工速度可以用電流密度、電解液壓力、流量等幾個工藝參數進行調節，且加工生產效率與加工精度和表面粗糙度沒有相互制約的關系，可使3項工藝指標同時得到提高。

4） 工具陰極損耗小，電解加工時，工具陰極導電部分與零件不直接接觸，也不發生溶解反應，在工藝參數控制得當，設備條件良好的情況下可重復使用。

電解加工技術出現以后，很快就被應用于槍炮管膛線、花鍵套及異形深孔的加工，部分產品如圖4，其中槍炮管膛線電解加工方法在國內外應用較多。

圖3 電解加工原理

圖4 電解加工的樣品

內蒙古北方重工業集團有限公司于2008年研制成功了等壁厚定子內螺旋線電解加工技術，應用于螺桿鉆具定子的加工，現可批量生產各種規格的等壁厚定子。如圖5～6。

圖5 電解加工的7T等壁厚定子

圖6 電解加工的8T等壁厚定子

3 電解加工設備

電解加工生產線主要由數控電解加工機床、電解加工電源（包括短路保護系統）、電解液系統（包括電解液輸送、加熱、冷卻、過濾）、工藝裝備以及相應的操作、控制系統及其軟件等組成。

3.1 數控電解加工機床的功能

1） 必須具備強大的電流傳送功能，能夠長時間地傳送大電流。

2） 抗化學腐蝕和電化學腐蝕性能要好。

3） 必須具有較強的靜態和動態剛性。

4） 進給速度穩定，無極調速范圍寬。

5） 機床定位及重復定位精度要高。

6） 需采用數控系統進行控制。

3.2 電解加工專用電源

可控硅直流電源是電解加工設備的核心部分。因電解加工的特殊性及等壁厚定子毛坯的金屬去除量大的特點，專用電源的輸出功率大，輸出電流20～30 k A，除工作可靠、穩定等性能外，還須具備短路保護功能。

3.3 電解液系統

電解液系統由電解液池（由沉淀池、工作池組成）、電解液輸送泵、加熱冷卻裝置、過濾裝置等組成。定子電解加工金屬去除量很大，因此需要大容量的電解液池，有利于加工過程中電解液的溫度、濃度、p H值等參數的穩定。

4 基本工藝要求

4.1 工藝流程

由于目前市場難以采購到相匹配的管材，現采用熱軋圓鋼外圓粗加工、鉆孔、熱處理、鏜孔、精加工制成電解加工前預制管，然后經電解加工及后加工制成成品。生產工藝流程：

熱軋棒材→校直→鉆孔→粗車外圓→熱處理→校直→磁力探傷→超聲波探傷→ 硬度檢測→粗精鏜內孔→桁磨內孔→粗精車外圓→硬度復驗→尺寸檢測→電解加工→尺寸檢測→清洗鈍化→切頭切尾→外觀檢測→包裝入庫。

4.2 定子用材料

按國外產品要求，定子選用鋼材牌號為785.91509 REV C 10－30－06 AISI4140鋼，該鋼材符合AISI 4140H鋼要求，化學成分如下（wB%）：

碳0.38～0.48，錳0.75～1.20，硅0.20～0.35，鉻 0.80～ 1.20，鉬 0.15～ 0.30，硫 ≤0.025，磷≤0.025。

經對有關鋼材篩選后，選取了國產石油鉆鋌專用熱軋鋼45Cr Mn Mo鋼，牌號4145H，其冶煉方法為：電爐＋真空脫氣冶煉。該鋼材化學成分完全符合美國AISI 4140鋼的要求。

4.3 材料的熱處理

按照產品技術要求，定子經熱處理后的力學性能為：硬度280～360 HB，屈服強度σs≥830 MPa，抗拉強度σb≥965 MPa，伸長率δ5≥15%，沖擊功AKV≥50 J。

4.4 對電解加工前預制管的要求

等壁厚定子電解加工屬于深孔加工，是在預制孔的基礎上進行的，需要機械加工來進行輔助。因電解加工設備的密封方式不同，預制管的要求也不同。電解加工前的預制管，長度為3 000～6 000 mm，內圓直徑要符合圖紙要求，粗糙度Rz0.8；直線度要求0.15 mm/m，同心度要求0.4～0.5 mm。

5 金屬定子電解加工用陰極研制

用電解加工的方法加工等壁厚金屬定子內螺旋線，其內螺旋面成型尺寸一致性及電解去除量大是必須解決的2個問題。內螺旋面尺寸的一致性與加工工藝有關，在生產工藝能夠保證的前提下，其關鍵技術是大去除量電解加工用工具陰極研制及工藝設計和工藝參數的合理匹配。由于電解速度與加工間隙、電流密度是非線性的，僅靠計算難以確定陰極各主要參數，還需要依據實際加工情況進行修正。因此，陰極結構選擇、加工間隙Δb的確定、陰極工作段大小端直徑確定、陰極工作段長度確定、前后導向段直徑確定、增液槽和增液孔的確定成為工具陰極設計的關鍵。

5.1 陰極結構選擇

采用移動式陰極電解加工內孔一般須1次成形，在加工過程中，因孔內有高壓電解液流過，加工過程無法現場查看，被加工的產品只有在加工結束后才能查看、測量。加工件的合格與否依賴于陰極的結構、尺寸精度和工藝參數。電解加工深孔工件一般采用2種形式的陰極，即圓柱形陰極和圓錐形陰極，如圖7。圖中Δc為預留間隙，δ為間隙增量。圓柱形陰極在整個加工過程中，間隙增量δ是逐漸擴大，最終加工間隙為Δc＋δ，流場呈擴散性，不易控制，只能用于加工量不大，精度要求不高的加工件。圓錐形陰極在整個加工過程中，只要電解加工工藝參數匹配得當，預留間隙可始終保持不變，即間隙增量δ＝0，可以實現恒間隙加工，最終加工間隙仍為Δc，流場穩定，可控性高。這就大幅提高了被加工零件的復制精度和表面質量。

圖7 圓柱形陰極與圓錐形陰極加工示意

等壁厚定子內腔的最終形狀和預制圓孔差別很大，電解加工1次成形，采用全錐拉式全面進給陰極最符合等壁厚定子內螺旋線電解加工，其陰極結構如圖8所示。陰極工作面為螺旋錐體，每一截面均為類梅花形，錐體從大端到小端，凸瓣R由大變小，凹瓣R由小變大。

圖8 陰極結構示意

5.2 加工間隙Δb確定

加工間隙Δb是電解加工的核心尺寸，是設計工具陰極的主要依據。它的狀態直接影響到加工精度、加工的穩定性和加工件的表面質量。加工間隙Δb受電場、流場、電化學特性等多種因素影響［3］。在電解加工中，電流會隨間隙的減小而增大，當間隙小到一定范圍時電流會顯著增加，產生一個突變，這個電流使工件處于該間隙的部位產生顯著的溶解速度。因此在加工工藝參數和電極加工段長度不變的情況下，加工間隙越小，加工電流密度越大，加工效率越高，表面粗糙度越低，形狀（復制精度）越好。在加工過程中電解產物依靠高速流動的電解液帶走，但較小的加工間隙不利于電解產物的沖刷和熱量、氣體的帶走，對電解液流場的要求高，容易導致加工過程的不穩定和不安全，因此要綜合考慮。特別是對于大去除量工件的電解加工，不宜采用較小的加工間隙，要綜合考慮各種因素后再采用相適應的間隙。首先，采用由極間電壓、法拉第定律、歐姆定律推導出的平衡間隙計算公式，計算出平衡間隙數值，然后再將工件的電解加工形狀以及與加工間隙有關各因素的影響統籌考慮后，用經驗數據將計算結果進行調整，最終將等壁厚定子的電解加工間隙確定為Δb。

式中：Δp為平衡間隙，mm；U為加工電壓，V；δE為分解電壓，V，即兩級間的電位差，鋼鐵零件在NaCl電解液中加工，δE一般取2 V；v為加工速度，mm/min；κ為電解液電導率，1/（Ω·cm）；η為電流效率；ω為體積電化當量，mm3/（A·min）。

5.3 陰極工作段大小端直徑的確定

加工間隙Δb確定后，即可得出陰極工作段大小端直徑為

式中：Dd為陰極加工段大端直徑，mm；Dx為陰極加工段小端直徑，mm；DT為等壁厚定子內螺旋線凸瓣直徑，mm；DA為等壁厚定子內螺旋線凹瓣直徑，mm。

5.4 陰極工作段長度確定

陰極工作段大小端直徑確定后，其大、小端工作段外徑同樣也已確定，因此工作段的導電面積由式（5）確定。

由式（5）可看出，（Ddl＋Dxl）/2 為一常數，工作段導電面積S的大小只能由陰極體工作段長度L來決定。而L的長度主要取決于既定電流密度i（A/cm2）的大小。

式中：I為工作電流，A；i為電流密度，A/cm2；S為陰極工作段表面積，cm2；L為陰極工作段長度，cm；Ddl為陰極工作段大端外輪廓線長度，cm；Dxl為陰極工作段小端外輪廓線長度，cm。

工作電流I可根據法拉第定律求得，它與被加工零件的金屬去除量和陰極進給速度有關。從式（6）可知，當工作電流I確定后，選取的電流密度i越小，工作段的長度越長，加工效率越高。但工作段的長度又受到直流加工電源容量、導電環節，特別是電解液流場好壞的限制，工作段長度越長，電解液流程也越長，流場越差。工作段長度過小，則加工時電流密度i過大，工作電壓升高，加工區域熱量增加快，影響加工質量。因此要綜合考慮，計算加經驗值最終確定陰極工作段長度L。

5.5 前后導向段直徑確定

陰極前后導向主要是對陰極起導向和定心作用，它們必須分別與工件加工前后的孔徑相配合，前導向還有密封電解液的作用。前后導向用絕緣材料制造。通常，電解加工陰極前后導向段的直徑應與內孔保持0.05 mm的配合間隙。等壁厚定子內螺旋線電解加工去除量大，工作電流大，產生的電阻熱亦很大，工件溫升較高。較高的工件溫度可使制造前導向的絕緣材料產生較大的膨脹，在間隙選擇不合適時，易發生因配合過緊而產生的跳動和卡死現象。同時，等壁厚定子內螺旋線電解加工需要的電解液供液量大，為盡量減小電解液流動阻力，應增大前后導向段與工件的間隙。但前后導向段間隙的加大對加工產品的同心度將造成一定的影響，綜合考慮后將間隙設計為0.08～0.12 mm。

5.6 增液槽和增液孔確定

由于陰極的工作段凸瓣從小端到大端是逐漸增大的，當增大到一定數值時，從小端進入的電解液流量就供不上電解加工需要，不補充電解液就會燒毀工件和陰極，因此必須逐段補充電解液的流量。通過在陰極的工作段長度上開設增液槽，補充電解液的流量，使各段流量相等，可解決這一問題。根據等壁厚定子尺寸的大小，將相應陰極的工作部分分為4～7段，增液槽全部開在凸瓣上，如圖8所示。在增液槽底部鉆3～8個增液孔，孔徑大小要適宜。孔徑大，由增液孔流出的電解液壓力減小，易出現渦流現象，容易因流場不均造成短路；孔徑小，出液量少，滿足不了工藝要求。將孔徑定為1 mm，每一段的開孔數須通過計算過液面積得出。由于增液槽在陰極上的位置、增液槽過液面積都符合等比極數，因此可通過計算得出。但增液槽的計算推導公式十分繁雜且篇幅較大，這里不再贅述。

6 影響加工質量的參數

6.1 電解液

在電解加工過程中，電解液的主要作用是導電，使工件在電場作用下進行電化學反應并不斷溶解。此外，電解液還起著破壞工件表面上形成的極化薄膜，使電解加工穩定進行，同時又以高速流動的液流把反應產物從被加工表面帶走，并通過電解液的不斷更新，對被加工區域起冷卻作用。因此，電解液對電解加工件的加工質量和生產效率有很大影響，應具備6方面基本性質［4］：

1） 應是溶解度大的強電解質，以具備高的導電率，獲得高的生產效率。

2） 能在電場的作用下對陽極金屬材料產生陽極溶解，不生成難溶性鈍化膜，確保加工過程正常、穩定進行。

3） 電解液中的陽離子不應在工具陰極表面發生放電沉積，以免改變陰極的尺寸和形狀，陰極反應應是氣體的析出。

4） 集中蝕除能力強，散蝕能力弱。

5） 陽極反應產物可與電解液分離，以便使電解液循環使用。

6） 價廉易得，使用壽命長，安全穩定。

由于對電解液的要求是多方面，難于找到一種電解液能滿足所有要求，因而只有針對性地根據被加工工件的材料成分、精度要求、去除量大小的不同有所側重。NaCl、NaNO3和NaClO3的水溶液是目前常用電解液，性能大部分符合上述要求。針對等壁厚定子所用材料、精度要求、去除量等項加工特性，比較分析幾種電解液的性能，NaCl電解液具有對等壁厚定子所用材料蝕除電流效率高、加工速度快、成型精度能符合圖紙要求、在加工過程中損耗小、加工過程安全穩定、可以低濃度使用等優勢，因此確定使用14%～16%NaCl電解液，30℃時該電解液的電導率κ為0.199～0.213（Ω·cm）－1。

6.2 電解液溫度

在電解加工中電解液溫度對電導率、電解液流速和加工件表面質量有很大影響。

電解液溫度高時：

1） 電導率加大，電加工能力提高，加工件表面質量提高。

2） 電解液黏度降低、流速提高，排除電解產物的能力提高。

電解液溫度過高時：

1） 工件表面形成的鹽膜和氧化膜粘附力下降，可產生不均勻溶解使零件加工表面質量下降。

2） 陰極非金屬絕緣體在高溫下熱膨脹加劇，加工中可能出現爬行或卡死現象。

電解液溫度低時：

電導率下降，電加工能力降低。

根據已定濃度的NaCl電解液在不同溫度下的電導率κ，及陰極非金屬絕緣體在高溫下的熱膨脹特性，將電解液使用溫度控制在25～40℃。

6.3 電流密度

電流密度i是重要的加工參數，與工件材料、電解液流速、陰極結構形式等有關，直接影響加工效率、表面質量，也間接影響到加工精度。根據法拉第定律及歐姆定律可導出電流密度i為

在大多數的情況下，加工件的表面質量隨電流密度的增加而改善。在一定的電壓和電導率條件下，電流密度i越大，Δb越小，加工精度越高；但當i增加到一定程度，極間電解產物大量增加，發熱量增加，當電解液流速跟不上需求，帶不走電解產物及產生的熱量，就會出現短路等故障，使加工中斷。經計算及試驗確定電流密度i為15～30 A/cm2。

6.4 電解液壓力

流速u0是保證電解加工過程得以穩定進行的主要流場參數，與電流密度i關系密切，確定電解液流速，主要考慮3個因素：

1） 液流應是紊流狀態，起到足夠攪拌溶液的作用，滿足在電極間隙內消除濃差極化的要求。

2） 能及時的排除電解加工過程中產生的電解產物，使電解液更新。

3） 滿足加工區散熱的要求，及時帶走在加工間隙內由于歐姆壓降而產生的熱量。

電解液流速亦不是愈高愈好，在一定的電流密度i下，電解液流速u0滿足上述3個要求時，如果再提高流速，加工區的流場會趨于不穩定，甚至可能產生氣穴現象，使加工質量惡化。

電解液流速的計算涉及到雷諾數Re；電解液運動粘性系數υ0及水力直徑Dh等眾多參數，計算公式復雜，并且在加工過程中測量難度較大。為了避免復雜計算及難于測量，用確定電解液壓力p的方法代替電解液流速u0的確定。因進口壓力是保證電解液流速u0的必要條件。根據等壁厚定子的形狀、電加工時工件進出口面積的大小，經計算與經驗結合，確定電解液壓力為p＝1.70～2.0 MPa。

6.5 加工速度

加工速度v的快慢關系到生產效率的高低，其實質是電解加工時，在小間隙、大電流作用下，陽極

由式（9）可看出：加工速度v與電流效率η、體積電化當量ω、電導率κ、外加電壓（U－δE）成正比，與加工間隙Δb成反比關系。因此，加工間隙越小，工件的蝕除速度越快，加工速度v將越大。但是，過小的極間間隙極易引起火花放電和短路。另外，蝕除速度增加到一定程度，再增加時其結果與電流密度i增加相同。因此，確定加工速度v時，要對計算結果進行試驗驗證，并給予調整。經計算及試驗，對于不同規格尺寸的等壁厚定子，其電解加工速度v＝5～20 mm/min。

7 結論

在高速流動的電解液中的電化學溶解速度的大小。根據法拉第定律及歐姆定律可導出加工速度為

1） 等壁厚螺桿鉆具定子的內螺旋曲面是加工難點。比較幾種加工工藝，電解加工工藝在生產效率和產品質量方面具有明顯優勢。

2） 采用全錐拉式陰極結構。加工間隙、工作部分長度、前后引導段的直徑、增液槽和孔的尺寸是設計陰極的關鍵參數，可以通過計算及試驗得到。

3） 影響加工質量的因素有電解液的成分、溫度、壓力、電流密度、加工速度，應把這些工藝參數嚴格控制在允許范圍內。

4） 等壁厚螺桿鉆具的技術水平先進，使用壽命長。先進國家在鉆井中采用的等壁厚螺桿鉆具約占全部螺桿鉆具的50%。我國在等壁厚螺桿鉆具研究方面起步較晚，但市場前景廣闊。深入研究等壁厚螺桿鉆具的加工方法有積極的現實意義。

［1］ Terry Lievestro，John Reynulds，Tom Chamberlain.Progressive Cavtty Pump/Motor Stator，And Apparatus And Method To Manufacture Same By Electrochemical Machining：United States：US，2005/0079083 A1［P］.2005－04－14.

［2］ 苗同勇，劉永旺，趙 偉，等.等壁厚螺桿鉆具及應用［J］.石油礦場機械，2011，40（10）：72－76.

［3］ 王建業，徐家文.電解加工原理及應用 ［M］.北京：國防工業出版社，2001.

［4］ 范植堅，王天成.電解加工技術及其研究方法［M］.北京：國防工業出版社，2004.