圆柱筋条式抽油杆镦锻模具设计

zhang50300

1引言
多年来，许多国家都在不断研究、改进和提高抽油杆的使用性能，增加抽油杆的强度、耐磨性、耐腐蚀能力，提高抽油杆的使用可靠性，一些新型抽油机在开采稠袖、冷凝油、高含气油等方面做出了卓越的贡献。现有标准中的抽油杆如图la所示，由杆体、凸缘、扳手方、大圆台和螺纹连接部分组成。左端凸缘和右端大圆台之间的扳手方为方形，截面变化较大，凸缘在承受吊拄以及大圆台在支承接箍时易发生断裂，而如图1b所示的圆柱筋条式抽油杆就是一种抗疲劳强度好且拆卸方便的新型抽汕杆。我们将原来的方形截面改成圆形截面并增设四根筋条，在拆卸时可以不受扳手90°转角限制，且能防止液压钳滑动。同时将原来凸缘处的圆弧过渡改为平台过渡，以增加抽油杆的抗拉强度，本文通过理论分析，制定了该抽油杆的徽锻工艺并设计出模具，而且通过有限元模拟软件和实践验证了该工艺和模具的合理可行性。
2工艺分析
4 _, H9 Z8 X) c: F" M: @考虑到抽油杆的特点，其头部有多个台阶，且形状复杂，不易充满，只适合用可分凹模镦锻，因此生产中采用平锻机镦锻成形。根据局部镦锻的基本原则，当坯料上需要镦锻部分长度1o。与直径do之比值ψ≤2.5时，可将坯料一次镦锻到任意尺寸而不会引起坯料弯曲，但抽油杆属于细长杆件，变形量大，镦锻部分长径比ψ最小的抽油杆，其值也在14以上，且需多次聚料，镦锻时，极易发生弯曲，因此采用锥形凸模聚料方式镦锻。锥形模膛聚料具有如下优点:(1)锥形模膛有利于金属充填;(2)锥形模膛带有斜度，坯料压缩后脱落的氧化皮可由凸模的锥形斜面滑出;(3)锥形坯料端面平整无毛刺，给下道工步创造了有利条件，以保证锻件质量。
  B' }3 U2 ^% P圆柱筋条式抽油杆锻件相对于普通抽油杆锻件在镦锻时具有以下两个难点:
(1)要在圆柱截面上压出4根1 mm高筋条，因此，需先在预锻时成形圆柱面，再在终锻时将圆柱面挤压出筋条。由于筋条为挤压变形，当两半凹模合模时，锻件的圆柱部分几乎只是单向受压，容易压成椭圆形，如图2a所示，另外在受挤压时金属流动情况复杂，有可能沿水平方向流动过多，沿高度方向流动较少，导致筋条两边角充不满，如图2b所示，也有小部分金属会沿着轴向流动，因此预锻的圆柱形毛坯截面应稍大于锻件相应处的截面积。
& g* Z& w4 L+ S1 g 为避免上述情况，预锻时，将锻件直径锻到Φ38 mm，终锻时，当圆截面被压至Φ36 mm后，保证有足够的金属坯料充填筋条，同时将此4根筋条采用如图3所示凹模分两步来完成。首先成形对立面的两根筋条，然后在同一凹模内将锻件旋转90°成形另两根筋条。这里，在两半凹模的分模面处将Φ36 mm的圆柱面加圆角为R18，一方面可以保证先压出的两根筋条在转动90°之后不与模具发生干涉，另一方面可以避免在第一次挤压筋条时坯料沿轴向流动过多，导致在成形剩下两根筋条时坯料不足。
5 H5 l) B5 ~" Y (2)如图la所示，API抽油杆的凸缘为圆弧过渡，而圆柱筋条式抽油杆为平台过渡，且平台宽达8 mm，如图1所示。
0 }8 D* Y; d5 c# Q2 |: F圆弧过渡易于充填，而改成圆柱形平台后，不利于成形，易出现尖角处充不满，且在成形工步第二次挤压另两根筋条时不易将工件放入型槽等情况，而模具尖角处加工困难，容易引起应力集中，降低模具寿命。针对此情况，将锻件在原有5m。宽平台上加一圆弧R变成圆弧过渡，如图4所示。在后续的机加工时切削掉圆弧部分，使之符合设计要求。另根据预锻工步设计原则，为保证充满镦锻模膛，应使设计的预锻坯料在终锻模膛内尽可能是镦粗成形，而对于不易充满的部分，应在预锻工步首先成形，因此，将此处放在预锻时成形。
0 q4 e& v3 l4 ?% s4 L+ { 3工艺参数确定
( W; Q2 `) b9 O3 ^& \经过上述分析，最终确定圆柱筋条式抽油杆的锻件图，如图5所示。
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  u% `) E5 b4 E  H 4结论
通过工艺分析，依照图5所示各个工步相关的变形参数如镦锻比、压下量等，同时，根据实际镦锻情况设定模拟时的摩擦、润滑、传热等相关参数，建立了相应工步的三维模型。使用DEFORM-3D有限元模拟软件对该抽油杆的镦锻过程进行了模拟。模拟过程中发现平台过渡区圆弧处充填不是很好，圆弧表面不平整，而筋条处则基本能达到锻件要求。根据图5中工艺参数设计的模具投产使用后，已锻造出完全合格的锻件，证明了上述镦锻模具设计合理可行。
! G$ v0 f, |* J: s1 x; \0 n# X% B文章关键词： 锻造、模具设计