油田射孔彈彈體壓制模具設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

張銀玲， 項(xiàng)偉， 李柏男， 胡祥

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

油田射孔彈彈體壓制模具設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)研究

張銀玲1， 項(xiàng)偉2， 李柏男2， 胡祥2

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

油田射孔彈主要用來(lái)開(kāi)采石油。文中通過(guò)研究彈體制造工藝流程，總結(jié)出各項(xiàng)工藝對(duì)彈體性能及其它工藝影響的一般規(guī)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(zhàn)略能源之一，我國(guó)現(xiàn)階段的工業(yè)與經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展仍離不開(kāi)它，雖然我國(guó)的石油儲(chǔ)備處于在世界前十行列，但是我國(guó)目前石油消耗主要仍靠進(jìn)口補(bǔ)給，中國(guó)也即將超越美國(guó)成為世界第一大石油進(jìn)口國(guó)，造成此現(xiàn)象的主要原因之一在于我國(guó)主動(dòng)開(kāi)采石油的技術(shù)仍不成熟。

我國(guó)目前采用的石油開(kāi)采技術(shù)仍以開(kāi)井為主，因?yàn)樾屡d技術(shù)射孔彈技術(shù)尚有許多問(wèn)題尚未得到解決。油田射孔彈是石油開(kāi)采作業(yè)時(shí)用于擴(kuò)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(qiáng)，同時(shí)當(dāng)射孔彈穿透的孔徑越粗時(shí)，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(chǎn)量并且降低作業(yè)成本。

1 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)構(gòu)，彈體的盲孔深度為56 mm，內(nèi)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(lái)制造彈體存在一定難度，即使成型也很難保證彈體各點(diǎn)密度是否均勻。所以，初壓時(shí)采用組合模具，陰模和芯棒浮動(dòng)的雙向壓制成型方式來(lái)壓制初坯的方法比較合適。復(fù)壓時(shí)采用簡(jiǎn)單模具，內(nèi)孔反壓量遠(yuǎn)大于上沖壓下量的雙向壓制成型方式，對(duì)初燒后的初坯進(jìn)行復(fù)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(duì)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(qiáng)度與壓制方式有較大聯(lián)系。壓制成型過(guò)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(dòng)并導(dǎo)致其產(chǎn)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(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥宰冃危鋸椥院笮б仓饾u增大。壓力撤除后，如果彈性后效過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致壓件變形或產(chǎn)生裂紋嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致分層斷裂。圖2是粉末移動(dòng)與等密度分布線的變化情況。

圖1 射孔彈彈體結(jié)構(gòu)圖

圖2 粉末移動(dòng)與等密度分布線的變化情況

如果零件存在臺(tái)階，壁厚不均勻時(shí)，粉末移動(dòng)就不易進(jìn)行，這將導(dǎo)致壓坯局部形成高密度差，產(chǎn)生應(yīng)力集中，變形、裂紋或斷裂也就更容易產(chǎn)生。圖3是壓坯各點(diǎn)密度分布情況。

圖3 壓坯各點(diǎn)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(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是粉末移動(dòng)和各部分壓縮比不一致，當(dāng)上沖2向下移動(dòng)時(shí)，就會(huì)迫使其下部粉末向下和向右移動(dòng)，A處和B處的粉末就會(huì)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(tài)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(jié)構(gòu)有關(guān)，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(jié)構(gòu)屬于楔形結(jié)構(gòu)，不利于粉末移動(dòng)，并且由于下沖的截面積較小，而芯棒的壓制接觸面積又過(guò)大，當(dāng)下沖和芯棒向上移動(dòng)時(shí)，對(duì)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(duì)壓坯致密度的影響

選擇400 MPa、500 MPa、600 MPa作為初壓壓力進(jìn)行初壓工藝試驗(yàn)。為了有利于對(duì)比，初壓壓坯密度的選擇與材料試驗(yàn)相一致，分別為6.2 g/cm3、6.4 g/cm3、6.6 g/cm3。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可以知：在選定的3種壓力下測(cè)得的壓坯密度都比材料試樣所測(cè)得的壓坯密度低。主要原因是材料試樣和實(shí)際樣件結(jié)構(gòu)不同，若實(shí)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(dá)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(qiáng)度低，而且壓坯高度較高，會(huì)增大復(fù)壓壓下量，對(duì)復(fù)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(qiáng)度較高，密度分布比較均勻。但密度為6.6 g/cm3的樣件，在復(fù)壓時(shí)需要較高的壓力才能壓到尺寸，也不利于復(fù)壓。因此，實(shí)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(fù)壓。

表1 初壓壓力對(duì)壓坯致密度的影響規(guī)律

1.4 復(fù)壓壓力對(duì)壓坯致密度的影響

表2 復(fù)壓壓力對(duì)壓坯致密度的影響規(guī)律

試驗(yàn)選擇700 MPa、800 MPa、900 MPa作為單位復(fù)壓壓力進(jìn)行復(fù)壓工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)：在相同的單位復(fù)壓壓力下，工藝樣件復(fù)壓密度比材料試樣復(fù)壓密度略低，這也是結(jié)構(gòu)不同造成的。要提高復(fù)壓密度，必須提高單位復(fù)壓壓力。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，單位復(fù)壓壓力取840 MPa較合適。

1.5 整形工藝對(duì)尺寸精度的影響

整形工藝試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 整形工藝參數(shù)表

油田射孔彈彈體的尺寸精度等級(jí)為6 IT。因?yàn)闃蛹Y(jié)后會(huì)產(chǎn)生收縮和變形，這會(huì)導(dǎo)致其尺寸公差和表面粗糙度達(dá)不到技術(shù)要求，所以就必須進(jìn)行機(jī)械加工。采用全封閉整形的方式來(lái)提高尺寸精度、表面粗糙度和底部強(qiáng)度不但可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo),也可以增加產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性較為合適。全封閉整形時(shí)由于樣件在內(nèi)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(tài)，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?yàn)樵诟叨确较虻撞苛粲休^大的整形余量，所以提高了底部密度和強(qiáng)度。

2 結(jié)語(yǔ)

文中主要研究和探討了模具結(jié)構(gòu)、初壓參數(shù)、復(fù)壓參數(shù)及整形參數(shù)對(duì)射孔彈彈體性能的影響規(guī)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(jī)械加工工序，降低生產(chǎn)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(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（201611276052X）；南京工程學(xué)院大學(xué)生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目（TB201702015，TB201702025）

（編輯立 明）

張銀玲（1986—），女，工程師，從事機(jī)械工程技術(shù)工作；

項(xiàng)偉（1996—），男，本科生，研究方向?yàn)榉勰┮苯稹?/p>

2017-02-23