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鍵零件之一，其閥座錐孔的加工質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行研究，旨在提升液缸閥座孔加工質量。
關鍵詞：鉆井泵；液缸；滾壓；閥座孔加工；加工工藝
引言
W系列鉆井泵液缸內孔尺寸小，閥座孔精度要求高，因此在進行液缸閥座孔加工時，必須根據(jù)現(xiàn)有設備和條件，合理制定加工工藝，才能控制加工質量。下面將聯(lián)系實際，就液缸閥座孔的質控要點、加工工藝及相關參數(shù)做簡要分析。
1W系列鉆井泵液缸閥座孔質控要點與加工工藝
1.1質控要點分析
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)形接觸面積達不到60%的設計標準，就有可能造成閥座孔損壞甚至液缸報廢[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)形接觸面積達到設計標準，從而提高液缸整體質量和性能。
1.2加工工藝
錐孔在機械零件中比較常見，一般是在車床上進行加工[2]，精度要求高的錐孔還需要進行鉸制、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，可利用臥車進行車削加工，根據(jù)液缸的結構特點，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行車削。車削工序要分粗、精加工，尤其精加工時要嚴格按照閥座孔圖紙設計要求對錐孔的各項加工精度進行控制，同時還應預留出足夠的滾壓加工余量，以保證最終加工質量。其次是滾壓工序，滾壓加工是一種對機械零件表面進行光整和強化加工的工藝，在車床上應用滾壓工具在工件表面上作相對滾動，施加一定壓力強行滾壓，使金屬表層產生塑性變形，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、耐磨性和抗疲勞強度[3]。對液缸閥座孔進行滾壓，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行滾壓加工，其滾壓頭可以對閥座孔錐面進行多點式徑向均勻碾壓，使閥座孔圓周晶粒變形一致，內孔受力均勻，能在一定程度上提高閥座孔表面質量和表面硬度，從而使閥座孔表面加工質量得到優(yōu)化[1]，錐孔的精度達到設計標準。
2影響液缸閥座孔滾壓質量的因素
在實際加工過程中，影響液缸閥座孔滾壓表面質量的主要因素有：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，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，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孔和前后兩個錐孔的精加工，保證內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，滾壓后的表面質量越好，因此在車削加工時，采用專業(yè)優(yōu)質的機夾車刀，調整好加工參數(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。相關實踐表明，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，主要是因為在進行滾壓加工時存在滾壓力不足或過大情況，導致滾壓后液缸閥座孔表面的硬化程度、粗糙度均未達到設計要求，最終導致閥座孔在使用過程中發(fā)生變形并損壞。經研究發(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；而當滾壓力過大時，滾壓深度也會偏大，會導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。同時還必須正確認識到，滾壓力與滾壓時的各項參數(shù)都有密切聯(lián)系，當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。但如果實際滾壓力嚴重超出標準范圍，那么不僅不利于液缸閥座孔表面質量的提高，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，就必須經過反復試驗，通過不斷的試驗與調整得到最佳數(shù)值。相關研究表明，當實際滾壓力處于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，材料性能會對實際滾壓余量產生直接影響。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。當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，液壓余量也要相應減少。不同的液缸材料，要想進一步提升加工效果，需要通過反復試驗才能確定出最佳的滾壓余量。相關研究認為，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為鍛件35CrMo，調質硬度為285~325HBW，通過實踐表明，液缸閥座孔滾壓余量設定為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進給量和滾壓次數(shù)在加工過程中，實際進給量數(shù)值也會對液缸閥座孔表面的硬度、粗糙度產生直接影響。在一般情況下，進給量較小時，錐孔表面加工效果會相對理想，但如果進給量過小，則閥座孔表面可能會因為重復滾壓產生疲勞裂紋而降低滾壓質量，影響液缸閥座孔加工效果。在實際加工中，W系列液缸閥座孔在臥車上進行滾壓加工，結合機床本身特性，通過反復試驗驗證，進給量參數(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，都會對滾壓質量產生影響。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量。
3結語
綜上所述，W系列鉆井泵液缸閥座孔加工質量直接影響到液缸的使用性能與使用壽命。因此在進行液缸閥座孔加工時，應根據(jù)設計圖紙、工藝要求，科學制定各項工藝參數(shù)并嚴格執(zhí)行，才能全面提升液缸閥座孔加工質量，從而最終提高鉆井泵的整機質量。
參考文獻：
[1]王振德，周曉軍，雷振軍，羅震，邊小玲.鉆井泵液缸閥座孔加工工藝的研究[J].機械制造，2017，55（12）：80-81，94.
[2]郭德橋.高精度錐孔的數(shù)控加工及檢測策略研究[J].組合機床及自動化加工技術，2013，6（06）：130-132.
[3]成宏鈞.實用機械加工工藝手冊[M].機械工業(yè)出版社，2003：1069-1070.
[4]孫麗麗.F系列鉆井泵液缸內孔的加工技術[J].內蒙古石油化工，2019，45（04）：84-85.
作者：黃偉 單位：河北華北石油榮盛機械制造有限公司
