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摘要：本文根据环件轧制的工艺及原理，对石油钻井用特殊小环件的轧制成形工艺进行了研究和验证，并分析了该工艺的特点及所带来的经济效益。用于海上石油钻井的小环件，是钻井工作的常耗品，用量非常大。产品外形属于高度尺寸相对较大的薄小孔径环形件。目前有两种规格： 其一外圈尺寸为566 mm×453mm ×218 mm; 其二内圈尺寸为546 mm ×453 mm×187 mm。产品材质接近20 Mn2 ，但有一定改进。下面以难度最大的内圈为例，进行具体介绍。
一、工艺分析
1. 自由锻
该产品过去多采用自由锻马架扩孔成形的方法，但环件尺寸波动大，加工余量大，表面质量不好，材料利用率仅为40 %，生产率也不高，且综合力学性能较差。
2. 模锻工艺
采用模锻工艺成形，难度极大，材料利用率也不高，因此实际中很少采用。主要原因是环件具有高度尺寸相对外径较大、壁厚较小及小孔径等外形特点，造成锻模型腔深度较大，而宽度较小的弊病，从而导致环件在成形时出现如图1 所示金属充填型腔困难，在局部易形成折叠等缺陷。另外，切边、冲孔时定位困难，需增加定位凸台，也使材料消耗有所增加，模锻工艺的材料利用率仅为35 % 左右。 （图片） 3. 轧制工艺
( 1) 轧制工艺的特点 轧制需先在压力机上镦粗坯料并冲孔，然后进入径轴向环轧机轧制。特点是坯料旋转，变形连续，压下量小，具有表面变形特征。因此，轧制是局部变形积累达到整体成形的连续变形技术。
( 2) 轧制工艺分析 该产品若采用轧制成形工艺，既节约原材料，减少机加工工时，又能使产品金属流线成封闭的环形分布，从而大大提高了零件的综合力学性能。但具体到此环件，高度尺寸为187mm，相对于高度而言，环件外径仅为546mm ( 内径为453mm) ，壁厚只有46. 5 mm，比较薄，高宽比达到4. 02 ，大大增加了轧制成形和轧制毛坯制坯的难度。
二、环件交货图的绘制
根据零件图绘制环件交货图( 见图2) 。由于是首次试轧，根据外形及轧制工艺的特点，我们略增加了环件余量和公差。（图片） 三、轧制毛坯设计
由于该产品外形特殊，不能像普通轧制那样顺利成形。经验表明，在外径<600mm 的情况下，对高宽比>2.5 的环件，按常规方式制坯再轧制，将产生严重的轧制缺陷———上下外交角无法充满。因此，为轧制提供合理的毛坯形状和尺寸，是轧制成形工艺的关键。传统的冲孔方式是坯料先镦粗，后在下冲头上压痕，再用上冲头打下冲块。该冲孔方式具有以下特点：
( 1) 由于脱模需要，上下冲头均设计为具有一定斜度的特殊形状。
( 2) 冲块厚度控制在20 ～40mm，压痕深度较深。
( 3) 冲孔坯形鼓形大且偏向一边。
所以，此环件按该方法制坯，坯形如图3 所示。为使坯形更好地满足轧制需要，必须设计新的冲孔方式。新的冲孔方式采用坯料先镦粗( 镦粗量控制在50mm 左右) ，再用压痕器压痕( 大小： 110mm×20 ～40mm) 。压痕的目的是为穿孔器定中心，穿孔器放入压痕位置，用上模板或上冲头压穿孔器一次或两次打通坯料完成穿孔( 孔径110mm) 。坯料高度设计为205mm，按照体积不变定律计算毛坯外径，画坯形图( 见图4) 。（图片） 四、轧制模具设计
由于本环件轧制的特殊性和复杂性，所以与常规轧制存在极大区别。需专门设计的模具主要有以下几种，分别为压痕器、穿孔器、平冲盘以及轧机芯辊和主辊。根据10000kN 水压机的特点以及锻件形状和工艺要求，冲孔结构示意图见图5 。为保证穿孔时坯料下部不出舌头( 凸台) ，冲盘孔设计为只比穿孔器大8mm，所以要求水压机定心要准，不能有较大偏心，否则穿孔将无法顺利完成。
根据毛坯内孔尺寸设计芯辊，为使毛坯顺利套入，芯辊直径一般比毛坯内孔小10mm。芯辊如图6 所示。由于D53K—800 环件轧机在常规条件下( 芯辊直径为180mm、主辊直径为800mm) 能轧制的最小极限壁厚约为40mm，如果小于最小极限值主辊底座与芯辊底座就会碰撞造成轧制时芯辊无法进给而不能扩径。本环件终轧壁厚为46. 5mm，在芯辊直径减少为100mm 的情况下，为避免出现上述现象，主辊直径应相应加大为880mm( 见图7) 。为保证轧制中模具基本无变形且达到一定的使用寿命，模具应具有足够的强度，特规定主辊的热处理硬度必须达到40 ～50HRC，芯辊必须>42HRC。（图片） 五、环件的轧制工艺
1. 轧制工艺过程
试制中采用新的冲孔方式并结合我厂设备状况，该环件的轧制工艺为: 室式炉加热→10000kN 水压机制坯→D53K—800 环件轧机轧制成形。
2. 轧制工艺验证
在进行工艺探索的过程中，最初使用了传统的制坯方式，但出现了严重的上下外交角充不满的现象，主要原因为坯料鼓形严重，呈上大下小的形状( 见图3) 。在轧制扩径量不足190mm 的小扩径量的情况下，金属来不及向环件上下外交角处流动，所以根本不可能充满。经分析发现: 这主要是由于上下冲头的特殊形状及压痕太深造成坯形差，从而无法满足轧制需要。另外，外径及轧制比偏小也是轧制不成形的原因。要增大轧制比，只能减小毛坯的孔径尺寸。
新冲孔方式的冲孔直径为110mm，比常规条件小80mm，使扩径量增大。根据经验，此类产品轧制压下率在8 % 左右比较合理，经计算毛坯高度约205mm。热收缩系数取1. 5% ，终轧热控制尺寸为554mm×460mm×190mm，加热温度1220 ～1240 ℃，加热时间2. 5h，所有参数确定后进入实际轧制验证。试验时共投料15件，投料重量127kg 。15 件全部制坯并完成轧制，除3件因制坯高度太矮外侧面有沟( 凹陷) 外，其余全部轧制成形，而且外观良好，无未充( 塌角) 及显见折叠。为确认轧制环件的质量情况，选择其中4 件进行表面全加工，表面加工掉3 ～4mm 仍未发现其他缺陷。可见，此毛坯可以保证加工出合格的成品环件。
六、新工艺的特点
( 1) 材料利用率显著提高 由自由锻改为轧制后，毛坯重量减少到107kg ，材料利用率提高到60 % 。
( 2) 环件综合力学性能好 用自由锻或模锻生产时，环件金属变形不连续，各部位变形量及压缩比相差也较大，导致零件强度和抗疲劳等性能下降。而采用轧制工艺后，环件金属流线呈封闭连续的环形分布，将使零件综合力学性能和使用寿命显著提高。配以适当的轧后热处理，- 18 ℃的冲击功≥21J。
( 3) 投入少、效益好 采用新工艺并不增加模具，只需对部分模具改进即可，与常规生产相比基本不增加多少投入; 虽然水压机制坯要求有所提高，但整个轧制生产工序操作仍较简易，顺利时可达150 ～200 件/ 班。海上石油钻井环件轧制工艺的成功，既节省了材料，缩短了用户的冷加工工时，同时从根本上提高了产品质量。因该产品需求量较大，平均每月1000 ～2000套。因此，每月即可为我厂增加收益300 多万元，利润约60 万元。
七、结语
经实践证明，本轧制成形工艺方案可靠，模具设计和工艺路线安排合理，既能保证锻件质量，又能节约材料。特别是对新冲孔方式的尝试，从根本上确保了轧制的顺利完成，对其他回转体薄壁、超高环件制定轧制成形工艺具有极大的参考价值。
3/23/2008
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