W系列鉆井泵液缸閥座孔加工工藝分析
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摘要：在石油鉆機(jī)循環(huán)系統(tǒng)中，鉆井泵發(fā)揮著重要作用。液缸屬于鉆井泵的關(guān)鍵零件之一，其閥座錐孔的加工質(zhì)量又直接決定了液缸的性能和使用壽命。為此，本文將對W系列鉆井泵液缸閥座孔的加工工藝進(jìn)行研究，旨在提升液缸閥座孔加工質(zhì)量。
關(guān)鍵詞：鉆井泵；液缸；滾壓；閥座孔加工；加工工藝
引言
W系列鉆井泵液缸內(nèi)孔尺寸小，閥座孔精度要求高，因此在進(jìn)行液缸閥座孔加工時，必須根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備和條件，合理制定加工工藝，才能控制加工質(zhì)量。下面將聯(lián)系實(shí)際，就液缸閥座孔的質(zhì)控要點(diǎn)、加工工藝及相關(guān)參數(shù)做簡要分析。
1W系列鉆井泵液缸閥座孔質(zhì)控要點(diǎn)與加工工藝
1.1質(zhì)控要點(diǎn)分析
首先，液缸閥座孔和閥總成中的閥座外錐面的配合為面接觸，在工作過程中，液缸不同腔室會受到高壓鉆井液的作用。在此情況下，如果液缸閥座孔與閥座外錐面不能緊密接觸，連續(xù)環(huán)形接觸面積達(dá)不到60%的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，就有可能造成閥座孔損壞甚至液缸報(bào)廢[1]。其次，為盡可能減少閥座孔的受損幾率，還需要提高閥座孔表面的硬度以及耐磨性，避免出現(xiàn)因硬度不足而導(dǎo)致閥座孔拉傷的情況。因此，在加工液缸閥座孔時，必須保證錐孔的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度以及提高表面硬度，才能保證閥座孔與閥體的環(huán)形接觸面積達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而提高液缸整體質(zhì)量和性能。
1.2加工工藝
錐孔在機(jī)械零件中比較常見，一般是在車床上進(jìn)行加工[2]，精度要求高的錐孔還需要進(jìn)行鉸制、磨削或者滾壓加工。如圖1所示，W系列鉆井泵液缸閥座孔尺寸小，錐面光潔度要求非常高，形位公差要求也很嚴(yán)格，加工難度大。因此，可將液缸閥座錐孔的加工分為兩大工序，一是車削工序，二是滾壓加工工序。首先，W系列鉆井泵液缸外形尺寸小，可利用臥車進(jìn)行車削加工，根據(jù)液缸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制作臥車專用的夾具工裝，對于位置靠里的錐孔，還需要制作加長刀桿進(jìn)行車削。車削工序要分粗、精加工，尤其精加工時要嚴(yán)格按照閥座孔圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求對錐孔的各項(xiàng)加工精度進(jìn)行控制，同時還應(yīng)預(yù)留出足夠的滾壓加工余量，以保證最終加工質(zhì)量。其次是滾壓工序，滾壓加工是一種對機(jī)械零件表面進(jìn)行光整和強(qiáng)化加工的工藝，在車床上應(yīng)用滾壓工具在工件表面上作相對滾動，施加一定壓力強(qiáng)行滾壓，使金屬表層產(chǎn)生塑性變形，修正工件表面的微觀幾何形狀，降低表面粗糙度值，同時可提高工件的表面硬度、耐磨性和抗疲勞強(qiáng)度[3]。對液缸閥座孔進(jìn)行滾壓，除滾壓參數(shù)外，主要是制作臥車專用的多柱行星式滾壓工具，如圖2所示。利用專用工具對錐面進(jìn)行滾壓加工，其滾壓頭可以對閥座孔錐面進(jìn)行多點(diǎn)式徑向均勻碾壓，使閥座孔圓周晶粒變形一致，內(nèi)孔受力均勻，能在一定程度上提高閥座孔表面質(zhì)量和表面硬度，從而使閥座孔表面加工質(zhì)量得到優(yōu)化[1]，錐孔的精度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。
2影響液缸閥座孔滾壓質(zhì)量的因素
在實(shí)際加工過程中，影響液缸閥座孔滾壓表面質(zhì)量的主要因素有：滾柱的制造精度、閥座孔滾壓前的車削精度和滾壓初始表面粗糙度以及滾壓參數(shù)的選擇。
2.1滾柱的制造精度
滾柱的制造精度越高，滾壓后工件的質(zhì)量越好。為了提高滾柱精度，多柱式滾壓頭可由專業(yè)滾壓工具制造廠家生產(chǎn)，將滾柱的表面粗糙度值控制在0.4μm以下，同時與自加工的刀桿組裝后保證同軸度在極小值范圍內(nèi)，就能保證滾壓后的錐孔形位精度合格。
2.2閥座孔滾壓前的車削精度和滾壓初始表面粗糙度
在利用臥車加工W系列液缸閥座孔時，由于液缸外形尺寸小，制作長度合適的刀桿，可在一次裝夾中完成內(nèi)孔和前后兩個錐孔的精加工，保證內(nèi)孔和錐孔的形位精度。在保證錐孔車削精度的前提下，閥座孔滾壓前的粗糙度值越低，滾壓后的表面質(zhì)量越好，因此在車削加工時，采用專業(yè)優(yōu)質(zhì)的機(jī)夾車刀，調(diào)整好加工參數(shù)，將滾壓前液缸閥座孔表面粗糙度值控制在1.6μm左右，滾壓后可獲得較好的滾壓表面質(zhì)量。
2.3滾壓參數(shù)的選擇
2.3.1滾壓力和滾壓深度所謂滾壓力，是指滾壓過程中，液缸閥座孔表面與滾輪表面之間產(chǎn)生的力。滾壓深度，是指滾壓時滾柱壓入工件半徑的變化值。二者成正比，滾壓力越大，滾壓深度越深，反之則一樣。相關(guān)實(shí)踐表明，液缸閥座孔在使用過程中之所以會出現(xiàn)表面變形損壞情況，主要是因?yàn)樵谶M(jìn)行滾壓加工時存在滾壓力不足或過大情況，導(dǎo)致滾壓后液缸閥座孔表面的硬化程度、粗糙度均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，最終導(dǎo)致閥座孔在使用過程中發(fā)生變形并損壞。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在滾壓加工過程中如果滾壓力較小，則滾壓深度也較小，將導(dǎo)致閥座孔表面塑性變形不充分，表面各缺陷難以完全消除；而當(dāng)滾壓力過大時，滾壓深度也會偏大，會導(dǎo)致液缸閥座孔錐面受力過大而受到損壞，同樣會影響液缸閥座孔的正常使用。同時還必須正確認(rèn)識到，滾壓力與滾壓時的各項(xiàng)參數(shù)都有密切聯(lián)系，當(dāng)滾壓前液缸閥座孔表面的粗糙度值越大時，所需的滾壓力也就越大。但如果實(shí)際滾壓力嚴(yán)重超出標(biāo)準(zhǔn)范圍，那么不僅不利于液缸閥座孔表面質(zhì)量的提高，反而會使錐孔表面出現(xiàn)起皮現(xiàn)象。因此，要想確定最佳的滾壓力數(shù)值，就必須經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，通過不斷的試驗(yàn)與調(diào)整得到最佳數(shù)值。相關(guān)研究表明，當(dāng)實(shí)際滾壓力處于200~250N時，液缸閥座孔表面的滾壓效果相對理想[1]。
2.3.2滾壓余量在滾壓加工中，材料性能會對實(shí)際滾壓余量產(chǎn)生直接影響。也就是說，液缸閥座孔被滾壓面半徑方向上的彈性變形量與液缸閥座孔的塑性變形量有關(guān)。當(dāng)液缸閥座孔材料的彈塑性較好時，滾壓余量會相對較大；如果液缸閥座孔材料的彈塑性較差，液壓余量也要相應(yīng)減少。不同的液缸材料，要想進(jìn)一步提升加工效果，需要通過反復(fù)試驗(yàn)才能確定出最佳的滾壓余量。相關(guān)研究認(rèn)為，不同材料的滾壓余量一般選擇為0.05~0.25mm時滾壓效果較好，W系列鉆井泵液缸材質(zhì)為鍛件35CrMo，調(diào)質(zhì)硬度為285~325HBW，通過實(shí)踐表明，液缸閥座孔滾壓余量設(shè)定為0.05mm（閥座孔單邊孔徑余量）時，滾壓后的表面粗糙度值可提高到0.4μm，可獲得相對理想的表面加工效果[4]。
2.3.3進(jìn)給量和滾壓次數(shù)在加工過程中，實(shí)際進(jìn)給量數(shù)值也會對液缸閥座孔表面的硬度、粗糙度產(chǎn)生直接影響。在一般情況下，進(jìn)給量較小時，錐孔表面加工效果會相對理想，但如果進(jìn)給量過小，則閥座孔表面可能會因?yàn)橹貜?fù)滾壓產(chǎn)生疲勞裂紋而降低滾壓質(zhì)量，影響液缸閥座孔加工效果。在實(shí)際加工中，W系列液缸閥座孔在臥車上進(jìn)行滾壓加工，結(jié)合機(jī)床本身特性，通過反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)給量參數(shù)選用0.1mm/r時，同時將滾壓次數(shù)控制在1~2次，能使?jié)L壓后的閥座孔表面獲得較為理想的加工效果。
2.3.4其它滾壓參數(shù)除以上幾項(xiàng)重要參數(shù)外，合理的滾壓速度、合適的滾壓潤滑液以及滾壓部位的清潔度等因素，都會對滾壓質(zhì)量產(chǎn)生影響。因此，在滾壓加工中，必須重視和選擇合理的滾壓參數(shù)，才能獲得良好的滾壓質(zhì)量。
3結(jié)語
綜上所述，W系列鉆井泵液缸閥座孔加工質(zhì)量直接影響到液缸的使用性能與使用壽命。因此在進(jìn)行液缸閥座孔加工時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙、工藝要求，科學(xué)制定各項(xiàng)工藝參數(shù)并嚴(yán)格執(zhí)行，才能全面提升液缸閥座孔加工質(zhì)量，從而最終提高鉆井泵的整機(jī)質(zhì)量。
參考文獻(xiàn)：
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作者：黃偉 單位：河北華北石油榮盛機(jī)械制造有限公司
