螺桿鉆具萬向軸彎殼體管料煨彎加工工藝改進(jìn)

曲 哲，王慶彬，柳明義

（中國石油渤海石油裝備鉆井裝備分公司，天津 300280）

0 引言

螺桿鉆具是石油鉆井廣泛使用的井下動(dòng)力鉆具，在鉆井作業(yè)中需要定向、造斜、穩(wěn)斜時(shí)，就要求井下動(dòng)力鉆具的殼體帶有彎角。隨著定向井、水平井等大量的應(yīng)用，直殼體螺桿已經(jīng)被彎殼體螺桿取代，彎殼體螺桿鉆具在提供動(dòng)力的同時(shí)也能夠控制井眼的軌跡。彎殼體是萬向軸總成外部帶有彎角的殼體，外螺紋與定子內(nèi)螺紋連接，內(nèi)螺紋與傳動(dòng)軸殼體外螺紋連接。

隨著螺桿鉆具在直井、定向井水平井的大量應(yīng)用，萬向軸彎殼體的需求量逐步上升。為了縮短萬向軸彎殼體的的加工工藝提高效率、節(jié)省生產(chǎn)成本，需要一種更加方便高效、成本低廉的萬向軸彎殼體加工新工藝。

1 萬向軸彎殼體結(jié)構(gòu)簡介

萬向軸彎殼體是螺桿鉆具萬向軸部分的外部殼體，依靠螺紋與上、下殼體連接，其殼體上部為直臂，下部為彎臂，彎臂與直臂有一定夾角。萬向軸彎殼體中部內(nèi)孔為大空腔，保證內(nèi)部萬向軸總成在旋轉(zhuǎn)運(yùn)行過程中不與殼體發(fā)生干涉，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 螺桿鉆具萬向軸彎殼體

2 原萬向軸彎殼體加工工藝

（1）下料：原萬向軸彎殼體加工工藝的下料為下棒料，要求棒料外徑比彎殼體的成品外徑尺寸大30 mm，目的是給彎角處留量，便于加工最終的彎角。

（2）粗車：粗車外徑，直臂端留5～6 mm 余量，彎臂端加工成大臺階留20 mm 左右余量；鏜床粗鏜內(nèi)孔后車床加工，直臂端內(nèi)孔留5～6 mm 余量，彎臂端保持粗鏜尺寸，為彎角加工留量（圖2）。

（3）熱處理調(diào)質(zhì)：將萬向軸彎殼體粗車件進(jìn)行熱處理調(diào)質(zhì)，硬度和機(jī)械性能要滿足《螺桿鉆具萬向軸殼體半成品采購技術(shù)要求》的機(jī)械性能（表1）。

表1 機(jī)械性能要求

（4）外徑、內(nèi)孔精車：工件進(jìn)行熱處理后在普通車床上精車直臂端外徑至成品尺寸，彎臂端將熱處理黑皮車掉，留20 mm 左右余量。精車直臂端內(nèi)孔至成品尺寸，彎臂端內(nèi)孔保持鏜孔尺寸。

（5）精車直臂端外螺紋：數(shù)控機(jī)床夾緊大端，車小端，精車萬向軸彎殼體外螺紋。

（6）精車彎臂端外徑及內(nèi)螺紋：管螺紋機(jī)床上，工件裝卡車彎角工裝，調(diào)整管螺紋車床前后卡盤的夾緊位置來調(diào)整工件的彎角角度，完畢后加工彎臂端外徑、內(nèi)孔，并精車內(nèi)螺紋。

從以上加工工藝可以看出，萬向軸彎殼體要保證彎角和內(nèi)螺紋的加工需要，就要求在彎角部位的外圓和內(nèi)孔留有足夠的余量，外圓內(nèi)孔余量均在20 mm 左右。因此，彎殼體加工工藝要求下足夠大的棒料，同時(shí)增加了無彎角端的切削量，原材料和刀具浪費(fèi)較大。內(nèi)孔粗鏜，增加了工序加工成本。

隨著螺桿鉆具萬向軸彎殼體的需求量不斷增大，原有的加工工藝已經(jīng)無法滿足螺桿鉆具的整體供應(yīng)，且成本居高不下，為降低螺桿鉆具彎殼體整體成本、提高加工效率，需要一種全新的彎殼體加工工藝。

3 萬向軸彎殼體管料煨彎加工工藝

（1）下料：該工藝下料選用成型管料，要求管料外徑較萬向軸彎殼體成品尺寸大8～10 mm，管料內(nèi)孔較最小內(nèi)孔小8～10 mm。

（2）粗車：下管料后在機(jī)加工車間對外徑和內(nèi)孔進(jìn)行粗加工，留5～8 mm 的加工余量。

（3）預(yù)煨角度：將粗車后的管料在彎點(diǎn)處經(jīng)過加熱預(yù)煨出彎殼體的角度；將管料通過卡盤和煨彎工裝固定在普通車床上，利用加熱裝置對管料的彎點(diǎn)處加熱，預(yù)煨出彎殼體的角度（圖3）。

圖3 煨彎簡圖

（4）熱處理調(diào)質(zhì)：將煨彎后萬向軸彎殼體進(jìn)行熱處理調(diào)質(zhì)，硬度和機(jī)械性能要滿足《螺桿鉆具萬向軸殼體半成品采購技術(shù)要求》的機(jī)械性能（表1）。為使煨彎后的萬向軸彎殼體熱處理后能夠滿足性能要求，前期選用兩套試件進(jìn)行性能測試，試樣選取位置如圖4 所示。

圖4 試樣選取位置

兩套試驗(yàn)萬向軸彎殼體熱處理后選取部位的機(jī)械性能見表2、表3。

表2 試件1 機(jī)械性能

表3 試件2 機(jī)械性能

試件均滿足《螺桿鉆具萬向軸殼體半成品采購技術(shù)要求》，并優(yōu)于螺桿鉆具行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，其中的關(guān)注點(diǎn)——母扣煨彎處的機(jī)械性能同樣滿足要求，因此可以判斷，萬向軸彎殼體的熱處理性能不受熱煨彎的影響。

（5）外徑、內(nèi)孔精車：在普通機(jī)床上加工帶有彎角殼體的直臂端外徑、內(nèi)孔及外螺紋，在加工時(shí)調(diào)整彎臂端的裝卡使其處于偏心狀態(tài)，且偏心的大小隨角度的變化可調(diào)，使得直臂端在加工時(shí)處于回轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且可以加工不同彎角角度的彎殼體。該步驟解決了普通車床加工不同心殼體的問題，要求在加工直臂端時(shí)直臂端處于回轉(zhuǎn)狀態(tài)，彎臂端的裝卡保證處于偏心狀態(tài)，且偏心的大小可調(diào)，這樣就可以加工不同角度的彎殼體了。

具體方法為：在彎臂端裝卡采用三爪卡盤夾持四爪卡盤，調(diào)整四爪卡盤對應(yīng)彎殼體高低點(diǎn)的一對開盤爪的位置來找正直臂端的外徑，找正完畢便可進(jìn)行直臂端的外徑、內(nèi)孔及外螺紋的加工。利用中心架將直臂端徑向限位，在彎臂端裝卡采用三爪卡盤夾持四爪卡盤，調(diào)整四爪卡盤對應(yīng)彎殼體高低點(diǎn)的一對開盤爪的位置來找正直臂端的外徑，使得四爪卡盤對應(yīng)彎殼體高低點(diǎn)的一對開盤爪之間的垂直距離為直臂端的外徑，然后利用刀片進(jìn)行彎殼體直臂端的外徑、內(nèi)孔及外螺紋的加工（圖5）。

圖5 外徑、內(nèi)孔及外螺紋加工簡圖

（6）精車彎臂端外徑及內(nèi)螺紋。將加工好直臂端的彎殼體輔助加長，使其有足夠的長度在空心車床的前后卡盤上裝卡。具體方法為：將加長桿上的內(nèi)螺紋與彎殼體加工好的外螺紋連接，使其有足夠的長度在空心車床的前后兩卡盤上裝卡。根據(jù)要求角度及彎殼體的高點(diǎn)調(diào)整前后卡盤，最后進(jìn)行彎臂端的外徑、內(nèi)孔及內(nèi)螺紋的加工（圖6）。在加長桿上安裝后卡盤，在彎殼體的直臂端安裝前卡盤。根據(jù)彎殼體的直臂端的兩端卡盤間距D 和萬向軸彎殼體彎度B 計(jì)算出彎殼體尾部（加長桿端）偏移量e=D×tanB。先將后卡盤軸心調(diào)整到偏心e，前卡盤以大外圓臺肩處的外圓圓心E 點(diǎn)找正，然后在大外圓端面的圓心F 點(diǎn)位置找偏心，偏心計(jì)算方法同上。反復(fù)調(diào)整前、后卡盤，直至E 點(diǎn)與主軸同軸，F(xiàn) 點(diǎn)達(dá)到彎度B 時(shí)的偏心量。最后利用刀片來進(jìn)行彎殼體的彎臂端的外徑、內(nèi)孔及內(nèi)螺紋的加工。

圖6 外徑、內(nèi)孔及外螺紋加工簡圖

實(shí)際加工過程中，由于對工藝不熟悉會(huì)導(dǎo)致效率不高，影響產(chǎn)品的交貨期。通過與操作人員的交流探討，不斷總結(jié)、改進(jìn)加工技術(shù)，目前該萬向軸彎殼體的新加工工藝已經(jīng)相當(dāng)成熟，生產(chǎn)效率增加，能夠形成一套常規(guī)的產(chǎn)品工藝。

4 降本增效

（1）降本。前期已經(jīng)投產(chǎn)的172 mm 型新煨彎工藝的萬向軸彎殼體，經(jīng)過原材料和加工工時(shí)的核算，每根成本降低近千元，降幅達(dá)20.9%，降本效果明顯。目前累計(jì)投產(chǎn)的172 mm 型萬向軸彎殼體有百余件，共計(jì)降本數(shù)十萬元。待該套工藝后續(xù)全面鋪開推廣，隨著螺桿鉆具需求的增加，預(yù)計(jì)能降低成本超百萬元。

（2）增效。以172 mm 型螺桿鉆具萬向軸彎殼體為例，目前新煨彎工藝彎殼體所需加工工時(shí)為18 h 30 min，比原工藝的23 h 45 min 縮短了5 h 15 min，降低工時(shí)成本22%左右，大大提高了生產(chǎn)效率。新工藝為螺桿鉆具的市場保供創(chuàng)造了有利條件，解決了生產(chǎn)的排產(chǎn)難題。

5 市場應(yīng)用

全新工藝的萬向軸彎殼體已經(jīng)進(jìn)入市場進(jìn)行驗(yàn)證。通過前期的使用跟蹤，目前市場沒有反饋因?yàn)槿f向軸彎殼體導(dǎo)致外部市場出現(xiàn)質(zhì)量問題，因此說明該套加工工藝成熟可靠，目前已有172 mm 和135 mm 型的萬向軸彎殼體投入到市場應(yīng)用，今后將進(jìn)行系列化推廣，逐步擴(kuò)展到95 mm、197 mm、216 mm、244 mm 等型號。

6 總結(jié)

用管料煨彎的方法加工萬向軸彎殼體是一種全新的加工工藝，解決了現(xiàn)有螺桿鉆具彎殼體生產(chǎn)種存在的運(yùn)行工序長、加工成本高，原材料浪費(fèi)等問題。通過前期試加工和驗(yàn)證，在工藝編排合理性、技術(shù)難題攻關(guān)、整體力學(xué)性能穩(wěn)定性以及市場使用等方面，都達(dá)到了預(yù)期的效果。工藝定型后，將全面推廣管料煨彎加工萬向軸彎殼體的方法。