石油鉆具零件塑性流動與精密成形技術(shù)研究.pdf

1、隨著全球能源需求增加，能源緊缺，以石油為代表的一次能源的開采難度增加，對鉆具的技術(shù)要求也隨之增高。石油鉆具屬于易耗型工業(yè)產(chǎn)品，工作環(huán)境惡劣，受力條件復(fù)雜，受到扭曲、拉伸、沖擊等復(fù)合力的作用，對材料及其加工技術(shù)的要求較高。
　　本文以石油鉆具中的典型零件鉆桿接頭為研究對象，接頭的材料為37CrMnMo中碳低合金鋼。接頭是鉆桿的重要連接部件，在鉆井過程中要經(jīng)常拆卸，受到大鉗絞合力的作用，受力條件復(fù)雜。傳統(tǒng)的成形工藝為半自由鍛成形，尺寸

2、精度低、材料消耗大、能源消耗高，內(nèi)部金屬流線容易受到破壞。以溫擠壓為代表的精密塑性成形是一種少無切削的塑性成形方法，零件精度高，可以部分去除后道切削加工工序，且有利于改善金屬內(nèi)部流線分布狀態(tài)，鍛件質(zhì)量和力學(xué)性能顯著提高。本文采用精密塑性成形技術(shù)，可提高鍛件尺寸精度和材料利用率，改善鍛件質(zhì)量，降低能源消耗。
　　通過熱物理實驗，分析石油鉆桿接頭用鋼材料在高溫時的流變性能，得出變形溫度（T）及應(yīng)變速率（??）對金屬流變應(yīng)力（?）的影響

3、規(guī)律，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)Arrhenius方程及對熱壓縮數(shù)據(jù)的分析，得應(yīng)力指數(shù)n=6.56091642以及熱激活能Q=284.039529KJ/mol，建立了37CrMnMo鋼高溫流動時的應(yīng)力本構(gòu)方程。
　　對石油鉆桿接頭成形工藝進(jìn)行分析，確定分模面、加工余量、公差、拔模斜度及關(guān)鍵成形部位的圓角半徑，建立合適的物理模型。從預(yù)制坯形狀及連皮位置關(guān)鍵參數(shù)入手，以解決鍛件充不足，金屬流動阻力大，鍛件內(nèi)部溫度分布不均的問題。從變形溫度（T）

4、、擠壓速度（V）、臺階處圓角半徑（r）入手，以獲得鍛件成形規(guī)律，提高鍛件質(zhì)量，降低成形載荷。
　　基于剛粘塑性有限元法，對石油鉆桿接頭精密塑性成形過程進(jìn)行模擬。分析不同預(yù)制坯形狀及連皮位置對鍛件的溫度場、應(yīng)力及應(yīng)變場、載荷情況、金屬流動情況、金屬內(nèi)部流線分布的影響，綜合得出最優(yōu)預(yù)制坯形狀及連皮位置。研究石油鉆桿接頭精密塑性成形過程中工藝參數(shù)因素對鍛件質(zhì)量的影響。采用正交試驗，分析了零件成形溫度（T）、壓力機速度（V）、臺階處圓角半

5、徑（r）等工藝參數(shù)對最大等效應(yīng)力、載荷及溫度場的影響。通過極差分析及綜合平衡分析，獲得了石油鉆桿接頭37CrMnMo鋼溫擠壓精密成形中各參數(shù)的影響顯著性，得到了最優(yōu)工藝參數(shù)組合：溫度為780℃，擠壓速度為30mm/s，臺階處圓角半徑為4mm。將最優(yōu)條件下的模擬結(jié)果進(jìn)行分析并應(yīng)用于實際生產(chǎn)中，對分析結(jié)果進(jìn)行實驗驗證，結(jié)果表明，該條件下生產(chǎn)的制件符合實際要求。
　　本文對石油鉆桿接頭實際生產(chǎn)中的工藝優(yōu)化及鍛件質(zhì)量問題的研究，對于提高鍛