空心抽油桿內螺紋桿頭兩次成形技術研究

韓軍，傅作均，張建民，張永軍

（吐哈油田公司機械廠，新疆 哈密 839000）

空心抽油桿是配套電加熱開采稠油、泵上摻稀采稠油、螺桿泵采油等鉆采工藝而開發(fā)的一種抽油桿產(chǎn)品。直接連接鐓鍛式空心抽油桿的內螺紋桿頭是在毛坯管一端直接鐓鍛成形，但是，空心抽油桿端部的變形長度長，鐓鍛過程中易發(fā)生塑性失穩(wěn)而產(chǎn)生折疊缺陷。因此，國內的鐓鍛工藝一般采用較小的鐓鍛比多次鐓鍛，一般需三次或三次以上成形。

減少成形次數(shù)將提高生產(chǎn)效率，尤其對于液壓鐓鍛成形工藝，減少成形次數(shù)將減少反復加熱的次數(shù)，不但提高了生產(chǎn)效率，同時降低了材料因反復加熱而出現(xiàn)問題的概率。國內對空心抽油桿外螺紋桿頭研究的報道較多，且對鐓鍛過程的研究很少有報道，筆者通過FEA 軟件對φ36×6 空心抽油桿內螺紋桿頭的鐓鍛過程進行研究。

1 空心抽油桿熱洗有限元模型

1.1 模型建立

圖1 所示為空心抽油桿內螺紋桿頭的結構，內腔為臺階孔，外徑有兩處變徑和六方結構，總體積182435mm3。

毛坯料為φ36×6 的無縫鋼管，按照橫向鐓鍛比2.0，設計了第一次變形的成形圖，見圖2。

計算得所需坯料長度為310mm，分別建立1/6 毛坯、凹模、凸模的3D 模型，分別劃分網(wǎng)格，毛坯網(wǎng)格數(shù)量84354 個。

圖1 內螺紋桿頭結構圖

圖2 第一次變形成形圖

1.2 邊界條件

鐓鍛工藝的流程主要是以下幾步，首先進行加熱，然后進行一次鐓鍛，再進行加熱。

在第二次沖壓中，使用現(xiàn)有的沖壓技術和操作設備進行三步操作。首先，在進入設備之前，加熱的鋼坯在轉移過程中轉移到對流熱交換設備中，這需要8 秒鐘。其次，在預成型坯進入設備后，在預成型坯和模具之間發(fā)生熱傳導，同時，未與模具接觸的零件仍與空氣進行對流換熱。這個過程是2s。最后在鐓鍛的過程中。工件材料為20CrMoA，初始溫度設置為1180℃。模具材料為H13 鋼，環(huán)境溫度為20℃，正常的模具制造溫度約為200℃。

2 計算結果與討論

利用以上因素和條件，對兩次鐓鍛過程進行分析和計算，算出各個階段的數(shù)據(jù)，并得出鐓鍛過程的規(guī)律性。

2.1 第一次成形

圖3 顯示了對流傳熱和熱導率的第一和第二階段后工件內部溫度場的分布。

圖3 鐓鍛前溫度場分布圖

從圖中可以看出，在工件和模具之間進行對流傳熱和導熱后，內部溫度為914 ～1110℃，并且在模具的固定部分觀察到最低溫度。另一個低溫區(qū)域是終點。由于大面積的對流換熱，溫度約為1050℃。

圖4 是表示變形時的夾緊力的變化曲線圖。金屬的最后形成部分靠近具有減小的外徑的內孔的深度，從而形成環(huán)形凹槽。這是第一類鐓鍛中最難的部分。在生產(chǎn)過程中對于此種問題也難以避免，是比較常見的問題。

圖4 變形過程鐓擠力曲線

圖5 表明，此時，基體的擠壓力為8.16×104N 噸，成型時的擠壓力為2.01×105N 噸，這表明缺陷的主要原因是擠壓力不足。成型后，擠出力急劇增加到最大。

鐓鍛沉淀后，金屬的內部溫度保持在約1100℃，內外表面逐漸與模具接觸。溫度迅速下降，但兩個溫度均保持在850℃附近。最低溫度出現(xiàn)在夾緊位置。在第一個沖壓過程中，沒有因沖壓系數(shù)過大而引起的不穩(wěn)定性。

2.2 第二次成形

圖5 表示出了在對流傳熱和熱傳導的第一和第二階段后第二次沉淀后工件的內部溫度場的分布。

從圖中可以看出，在工件與模具之間進行對流傳熱和導熱后，內部溫度在995 ～1130℃之間，最低溫度出現(xiàn)在模具的固定部位。

在第二次鍛造過程中，金屬的最后形成部分是靠近夾緊端的六角形邊緣處的過渡點，這可能導致填充不足的缺陷。這部分是第二種疾病中最難形成的部分，會出現(xiàn)填充不足的缺陷。這種缺陷在生產(chǎn)現(xiàn)場也很常見。從圖6 可以看出，此時，基體的夾緊力為2.23×105N，而按壓力為2.54×105N，這表明缺陷的主要原因是夾緊力不足。

圖5 第二次鐓鍛前溫度場分布圖

圖6 第二次變形過程鐓擠力曲線

圖7 最終成形溫度場分布

鐓鍛后，金屬的內部溫度保持在700 ～880℃，內外表面的溫度迅速下降，但兩者均保持在500 ～600℃的水平。在鐓鍛過程中，未檢測到由于過度鐓鍛粗比深度而產(chǎn)生的缺陷。

第二次沖切中的成形析出力比第一次沖切中的稍大，這表明，如果第一次沖切不充分，則在內壁上會產(chǎn)生環(huán)形槽缺陷。在第二次沖壓中，當在第一次沖壓時夾緊力超過沖壓力時，將消除由第一次沖壓產(chǎn)生的環(huán)形槽缺陷。

3 現(xiàn)場試驗

按照設計在現(xiàn)場進行試驗，通過兩次鐓鍛，獲得了合格的鍛件，見圖8，生產(chǎn)效率提高了1/3。

圖8 合格內螺紋桿頭鍛件

4 結語

（1）模擬計算了內螺紋桿頭兩次鐓鍛成形過程，變形過程均未發(fā)生折疊缺陷，材料內部溫度場在鐓鍛溫度范圍內。采用FEA 計算的方法較現(xiàn)場試驗法，節(jié)約成本，降低風險。

（2）按照FEA 優(yōu)化設計，在現(xiàn)場獲得了合格的鍛件，生產(chǎn)效率提高1/3。