（材料加工工程专业论文）一种新型抽油杆的镦锻工艺及其数值模拟.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 近年来随着石油工业的发展，我国抽油杆锻造技术不断提高。为满足各种高难 度油井采油的需要，许多新型抽油杆相继被研发出来并应用于实际生产当中，取得 了良好的社会效益和经济效益。这些新型抽油杆与普通抽油杆相比较，分别采用了 新技术、新工艺或者新的结构形式，各种性能指标均有所提高，大大延长了其服役 周期。本课题所研究的插接式扭矩杆就是最近开发的一种结构形式新颖的抽油杆。 它在杆的两端分别设计了斜槽和凸楔，工作时在用接箍连接的同时还实现了插接连 接，从而防止了杆与杆之间的相对转动，避免了连接处松动、偏磨、断脱等情况的 产生。 本文首先介绍了抽油杆的研发及应用现状和金属塑性成形的模拟方法，并具体 阐述了抽油杆镦锻工艺分析和模具设计所依据的基本原理和准则。 采用数值模拟和实验研究相结合的方法，对插接式扭矩杆精锻成形工艺及其关 键技术进行了深入研究。通过对插接式扭矩杆镦锻工艺的分析，拟定了两种工艺方 案。分别对该两种方案制定工艺步骤，调整工艺参数，设计镦锻成形的工步图。根 据拟定的工步图对插接式扭矩杆锻件及其成形模具进行三维实体建模。设定合适的 前处理参数，运用有限元模拟软件d e f o r m - 3 d 对两种工艺的镦锻成形过程分别进行数 值模拟。通过分析对比模拟结果，我们可以获得成形过程中的应力、应变、温度、 载荷等关键参数的分布情况，并能预测分析工件可能产生的主要缺陷的形式、部位 和原因。掌握了插接式扭矩杆塑性成形的金属流动规律，同时考虑模具的制造成本 和成形稳定性，就能确定插接式扭矩杆的最终成形工艺方案。 根据模拟结果，对所设计的工艺及模具进行优化，并对抽油杆模锻成形的工艺 设计及数值模拟方面需要进一步深入研究和改进的地方提出自己的观点和看法。目 前，由该工艺设计的模具已经成功的应用于插接式扭矩杆端部镦锻成形的生产制造 中，取得了良好效益。 关键词：插接式扭矩杆 塑性成形 工艺分析 数值模拟 模锻 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i i abstract in recently years, with the development of petroleum industry, the upset forging technology of sucker rod has been constantly improved in our country. we have developed many new types of sucker rods to meet the need of different oil wells. they are applied in actual production and obtain good social benefits and economic benefits. different from traditional sucker rods, they adopt new materials, new technology and new structures, so they have high property and long service period. the plug- in torque rod is a new kind of sucker rod which has a skewed slot and convex wedge at its two ends. the plug- in joint model can solve relative rotation between the sucker rods, avoiding the eccentric wear and break- off. at first, the development and application of sucker rod and the metal plastic simulation method are introduced briefly. besides, the basic principle of process analysis and die design for sucker rod is expounded concretely. by means of numerical simulation and experimental study, this article makes a deep research on the precision forging process of plug- in torque rod and its key process technology. by analyzing the forging process of the plug- in torque rod, two forming process schemes are drafted and their process parameters are adjusted. according to the forming process, three dimensional entity models of the sucker rod and its forging die are set up. after choosing appropriate process parameters, the whole forging procedure are analyzed and simulated with finite element analysis software deform- 3d. the results indicate the inner stress field, strain field, temperature field and forging travel- load curve during the forming procedure. the forming statuses, causation of defect of workpiece are also predicted. when grasping the metal flowing law, meanwhile, considering the die manufacturing cost and the forming stability, this thesis finally determines the optimum forming process scheme. the process parameters have been properly adjusted to make the forming process and upset forging die more reasonable. for further research on upset forging process and fem simulation, some opinions and suggestions are put forward. at present, the die has been successfully used in the production of plug- in torque rod and achieved good social and 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i i i economic benefits. keywords: plug- in torque rod plastic forming process analysis numerical simulation die forging 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在_年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪 论 1.1 课题的研究背景及意义 本课题是华中科技大学与山东九环石油机械有限公司基于一种新型抽油杆的工 艺设计及模具开发的技术合作项目。 石油是重要的战略物资，是国家工业的血液。20 世纪以来随着全球经济的迅猛 发展，各国对石油资源的需求迅速增加，极大的推动了石油开采业的发展。我国是 新兴经济体中发展最快的国家之一。石油机械行业是我国工业发展的引擎，石油装 备随着我国工业的飞速发展提高到了一个新的水平1。 抽油杆是采油三抽设备中的关 键部件之一，属于有杆泵抽油装置中的重要组成部分。通过接箍将一段段的抽油杆 连接成抽油杆柱，它上面接光杆，下面接深井泵活塞，起到传动作用，工作时将抽 油机的动力传递给井下抽油泵。 抽油杆是关键部件且使用量大，但却是公认的采油设备中最为薄弱的环节，经 常由于各种缺陷的存在以及恶劣的工况条件，达到疲劳极限而引起断裂。抽油杆的 服役周期和疲劳强度在一定程度上决定了整套抽油设备的最大下井深度和使用寿 命。抽油杆工作时，在持续的震动力、轴向力以及径向扭矩的作用下，不可避免的 要发生偏磨、松脱、断脱等失效现象。为了解决上述难题，在一定程度上提高抽油 杆的使用寿命，一种新型防脱抽油杆插接式扭矩杆应运而生。它的设计突破了 传统抽油杆的结构模式，通过在杆头两端分别设计斜槽和凸楔，使其在由接箍连接 的同时，实现了杆与杆的插接式对接，防止了杆与杆之间的相互转动，有效的解决 了上述问题。其具体结构将会在下文中进行详细介绍。这种插接式扭矩杆比普通抽 油杆服役周期长，从而能够使石油钻采公司降低生产成本，提高生产效率，带来一 定的经济效益。 要想使这种性能优良的新型抽油杆大规模的投入到生产当中，进行批量生产， 因而开发出插接式扭矩杆镦锻成形的工艺及模具具有重要的现实意义。本文即对此 课题进行了深入的探讨和研究。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 1.2 简要介绍金属塑性成形过程模拟方法 金属塑性成形是利用金属的塑性，通过模具或其他工具使形状简单的毛坯成形 为所需工件的技术。其成形过程是一个非常复杂的变形过程，影响因素众多，其中 材料的塑性变形规律、模具与工件之间的摩擦现象、材料中温度和微观组织的变化 及其对锻件质量的影响等等都是值得深入研究的问题。这使得成形工艺及模具设计 缺乏精准的、系统的理论分析手段，而是主要依靠工程师长期积累的经验。一些关 键性的设计参数要在模具制造出来之后，通过反复的调试、修改才能确定；对于成 形复杂件的工艺及模具，设计质量很难得到保证。大量的物力、人力和时间被浪费 掉。而借助塑性成形模拟方法，则能使人们较为准确的把握塑性成形的规律，在较 短的时间内以较小的代价找到最优的或可行的设计方案。 随着实验和理论分析的发展，塑性成形过程模拟已被广泛应用于科学研究和生 产实践。模拟就是针对某个现象或过程的原型，建立一个与该现象或过程具有相似 性并且能便于人们进行控制和观测的模型，通过研究该模型在各条件下的响应来推 测原型在相应条件下的响应，从而得到对原型规律性的认识。金属塑性成形模拟可 分为物理模拟和数值模拟两大类2。 物理模拟即采用物理模型通过实验进行模拟。金属塑性成形过程的物理模拟方 法有密栅云纹法等3、网格法等，该方法以实测数据为分析基础，虽然较为可靠，但 其很难简明并直接的得出各因素在塑性成形过程中所起的作用及其相互关系，不利 于工艺参数的优化，同时物理模拟方法周期长、耗资大，已难以满足分析和研究的 需求。 数值模拟即采用一组数学方程和定解条件将实际过程抽象成理论模型，应用计 算机求得此模型不同条件下的数值解，以此来推测相同条件下所发生的实际过程， 例如有限元法4 、有限差分法等。随着计算机运算技术水平的提高和塑性力学理论 的发展，数值模拟越来越显示出其巨大的优越性。首先，数值模拟不需要建造物理 模型，从而可节省大量的人力、物力及时间。其次，数值模拟能提供工件和模具中 各物理量（如应力、应变、温度、缺陷等）分布的详尽数据，使人们对实际过程进 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 行深入、全面的了解5 6。并且数值模拟能够比较全面的考虑多种因素对塑性成形过 程的影响，如材料特性、变形速度及摩擦润滑条件等，模拟成形全过程还可反复演 示和优化，从而得到最优方案，在保证工件质量的前提下，节省了试模成本，减少 了材料损耗，缩短了工艺设计和模具开发的周期7 8。 数值模拟方法是在塑性成形力学分析的基础上建立起来的。分析成型过程可以 预测工件的几何形状是否满足产品要求的尺寸精度，是否表面会产生缺陷；可以预 测工件的内部质量 ，是否存在破裂等；能够预测模具的磨损及受力情况；最后根据 预测到的这些情况可以选取适当的材料、工艺及模具参数。因此成形过程的准确分 析具有重要的实际意义。总的来说，数值分析方法包括有限元法、有限差分法和边 界元法。这类分析方法都能用于金属塑性成形过程中的温度、应力、应变分布以及 成形缺陷等详尽的数值解，可用于分析十分复杂的成形过程。本文所应用的 deform- 3d数值模拟软件采用的是有限元法。 下面简要介绍一下有限元法的基本思 想。 有限元法起源于40年代提出的结构力学中的矩阵算法，起初只是作为一种力学 分析的数值方法，后来逐步发展成为求解偏微分方程初值、边值问题的一种离散化 方法。其基本思想是把连续体视为离散单元的集合体来考虑。在用有限元法分析问 题时，首先将连续体分解为有限个性态比较简单的单元，对这些单元分别进行分析， 然后再将各个单元重新组合为原来的连续体的简化了的模型，通过求解这个模型得 到问题的基本未知量（例如位移）在若干离散点上的数值解，最后根据得到的数值 解再回到各个单元中计算其他的物理量（例如应变、应力） 。 1.3 抽油杆研制及应用现状 从美国人于 1894 年发明第一根抽油杆到现在，生产和使用抽油杆已经有 100 多 年的历史。随着采油工业的发展，抽油杆的种类不断增多，其性能也越来越优，能 够满足不同工况下的作业需求。抽油杆的寿命及强度直接影响着抽油装置能力的发 挥，国内外对其进行了深入的研究，开发出了多种抽油杆，推动了抽油杆行业的发 展。抽油杆总体来说可以分为两大类别9。一类是常规抽油杆，主要是钢制实心杆， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 其中 c、d、k 级抽油杆应用最为广泛。普通抽油杆的基本构造如图 11 所示，是 一种两端镦粗的细长杆件，镦粗部分由连接螺纹、台肩、扳手方和凸缘等截面大小 不一的复杂结构组成。还有一类是特殊用途抽油杆，主要有重量轻、寿命长且防腐 蚀的玻璃纤维抽油杆，有能强有力的防止电化学腐蚀的铝合金抽油杆，有中心可注 入防腐蚀剂及抗粘剂的空心抽油杆，还有连续抽油、电热抽油杆和柔性抽油杆等等 10。 图 1 1 普通抽油杆 多年来许多国家都在致力于提高抽油杆的使用性能，增强其强度、耐腐蚀、耐 磨损能力等方面的研究，取得了较突出的成果。美国在 1935 年时生产的抽油杆仅有 90 天的使用寿命，50 年代后，新材料的应用以及新热处理工艺技术的开发，使抽油 杆的寿命提高到了 7 年之久。1983 年以后，美国陆续研制出了许多新型抽油杆。目 前已经有 70 多种规格的抽油杆，技术处于世界领先地位。俄罗斯抽油杆的生产起步 较晚，但发展迅速，1980 年以后，通过抽油杆选材和强化处理工艺等方面的研究与 开发， 俄罗斯已基本形成了自己的抽油杆体系11。 此外， 加拿大还研制出了一种 corod 抽油杆，已在美国、德国、阿根廷、委内瑞拉等国家进行了大面积的推广使用，下 井深度能达到 3500 多米，取得了良好的使用效果12。近年来，世界将抽油杆的研发 主要集中在两方面：一方面是采用新的强化处理和热处理工艺以及采用新型材料来 制造抽油杆，另一方面是各种各样新型抽油杆的开发、研制及应用。新型抽油杆在 高含气油井、严重结蜡油井、冷凝油井等的石油开采中具有普通抽油杆不可替代的 优势。 在 1980 年，我国仅有两家抽油杆生产厂，年产能力只有 200 万 m，当时生产技 术水平也远远落后于发达国家。随着 20 多年来的不断探索和研究，对国外先进技术 的引进、消化和再创新，我国的抽油杆制造行业在应用材料、生产工艺、质量控制、 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 新型抽油杆柱设计上取得了丰硕的成果13。在普通抽油杆、异形抽油杆、空心抽油 杆和超高强度抽油杆的工艺研制和模具开发方面，华中科技大学材料成型及模具技 术国家重点实验室的黄早文教授做出了突出贡献，运用新的生产工艺将锻造成品率 由原来的 70%提高到了 95%以上，模具使用寿命也提高了 3 倍。此外山东大学和北 京化工大学等单位还研制出了碳纤维抽油杆。目前我国已研制出了 d 级、k 级、kd 级、hy 型、hl 型、空心、电加热、玻璃钢、螺杆泵专用、涂层防腐、刚连续、碳 纤维复合材料的 12 种性能优良的抽油杆，共获得抽油杆研制成果 28 项，其中 17 项 已达国际先进水平。我国的抽油杆产量已跃居世界第一位，自主生产的抽油杆及其 接箍现已出口到 25 个国家14。 1.4 拟定本课题的研究任务 插接式扭矩杆是一种新型抽油杆，其结构如图 1 2 所示，该抽油杆突破了传统 抽油杆的结构模式。它改变了原来杆与杆之间仅靠接箍锁紧的连接模式，杆头对接 处增加插销，在用接箍连接的同时还实现了插接连接，从而防止了杆与杆之间的相 对转动，从结构层面上解决了连接处松动、偏磨、断脱等常见问题，提高了抽油杆 的使用寿命。由于插接式扭矩杆工作状况稳定、服役期长，减少了因抽油杆失效而 造成的采油生产中的停产检修，大大提高了生产效率。 图 1 2 插接式扭矩杆 此新型抽油杆两端结构并不对称，因而需要两套模具对其两端分别进行镦锻成 形，本课题主要任务是对插接式扭矩杆左端，即结构复杂一端的镦锻成形工艺进行 分析，选出合适的成形模锻设备，完成成形工艺及模具设计，并通过在工厂试模， 进一步验证该工艺的可行性和模具设计的合理性。本课题所做的主要工作有： 查阅了大量关于抽油杆精密模锻及金属塑性成型过程模拟方面的文献资料， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 简要介绍了国内外抽油杆的研发及应用现状和金属塑性成形有限元模拟的基本理 论，具体阐述了抽油杆镦锻工艺分析和模具设计所依据的基本原理和准则。 本课题设定了两套成形工艺方案：方案一、插接式扭矩杆在模锻工艺中不设 计端部斜槽，斜槽由后续工序机加工做出。方案二、该锻件在模锻工艺中设计端部 斜槽。两种方案的终锻件如图1 3所示。分别对该两套方案制定工艺步骤，调整工艺 参数。根据拟定的工步图对插接式扭矩杆锻件及其成形模具进行三维实体建模，并 用d e f o r m - 3 d 软件对其镦锻成形过程进行多次模拟。 分析模拟结果，研究影响塑性变形的主要工艺参数，研究镦锻过程中锻件的 应力、应变、应变速率、温度、缺陷等的分布情况，研究插接式扭矩杆镦锻成形的 金属流动规律，从而根据规律确定插接式扭矩杆的最终成形工艺方案。根据模拟结 果，对所设计的工艺及模具进行优化，并通过实地试模来检验该插接式扭矩杆镦锻 工艺的可行性和模具结构的合理性。 （a）方案一锻件图 （b）方案二锻件图 图1 3 两种方案的锻件图 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 2 插接式扭矩杆成形工艺及其锻模设计 2.1 金属塑性成形过程中的一些基本问题 2.1.1 塑性成形中的金属流动方向 塑性成形时金属流动方向是一个关键问题。早期，古布金曾提出“最小阻力定 律”，认为如果物体在变形过程中其质点有向各个方向移动的可能性时，则物体内 各个质点就会向阻力最小的方向移动。后来大量试验结果表明，除了摩擦系数，坯 料尺寸的相对比例（例如棒料的长径比及方料的长宽比）和“一次压下量”等对金 属的流动方向均有重要影响。金属的塑性变形问题不同于刚体的移动，应该从微体 的塑性变形和位移出发进行研究，变形体内任一质点的流动方向不但与该点应力应 变状态有关，还与相邻质点对该点的流动方向有较大关系，质点的流动方向取决于 整个变形体的应力场情况。假设从整个变形体中抽取出一个六面体微元，取主轴l 、 m 、n 为坐标轴，如果该微元某一时刻在n 方向受很小的压缩变形，微元变形前后在l m 平面上的投影如图2 1 所示。 图21 微元变形前后在lm平面上的投影 a点在微元变形后到 a 点位置， aa即为 a点在 l m平面上位移的大小和方 向，用 adu 表示，它在 l 和 m 轴上的投影分别为 aldu 和 amdu ，于是有： adu=aldu+amdu (21) 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 adu 的方位由下式确定： al am du tg du = (22) 因为 all dudl=， amm dudm= 所以 all amm dudl tg dudm = (23) 式(23)说明质点的位移方向是变形程度和位移的函数，即： ( ,) lm tgfl m = (24) 同理可证明，质点在空间的位移方向与应变和位置也存在同样关系，即 , (, , ) lmn tgfl m n= (25) 在非均匀应力场中，沿 l 和 m方向各质点的应力及应变状态均是变化的，经过 推导可得 a 点的位移方向为： a a l l o m m o dl tg dm = (26) 因而非均匀应力场中定量确定质点的位移方向是较为复杂的，但依据金属塑性成型 理论，经过一定程度的近似简化，能够定性的确定质点的位移方向。 塑性变形时，在主轴方向上金属质点是沿主应力增大（指代数值，下同）方向 发生位移的。在空间，金属质点沿三位移合成方向流动；在 12 平面上金属质点主 要向着最大主应力增大的方向流动；如所研究平面仅有中间主应力和最小主应力， 那么金属质点主要沿较大主应力的增大方向流动。对于均匀应力场，以几何对称轴 为坐标轴时，金属质点主要在最大主应力 1 的方向背离坐标轴（ 2 轴）流动。因为 绝大多数锻造工序均属三向压应力情况，可进行适当简化，这时最大主应力也是压 应力，若把此压应力理解为金属流动时受到的工具和相邻金属受到的阻力，则最大 主应力的增大方向就是最小阻力的方向，即三向压应力情况下金属坯料主要主要沿 着最小阻力的方向流动。由于金属流动方向不仅取决于本身的应力状态和应力顺序， 还与相邻金属质点的应力状态和应力顺序有关。在实际变形过程中由于受各种因素 影响，多数工序应力场是不均匀的，但是除个别情况外，应力场都是连续的。所以 对复杂应力场就应该按应力应变顺序是否相同来分区进行研究，在每个区域内各点 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 虽然偏离程度有差异，其主要流动方向大致还是相近的，可以对工艺问题进行定性 的分析。 2.1.2 塑性成形中的变形抗力 塑性成形时，使金属发生塑性变形的外力称为变形力，而金属抵抗变形的力则 称为变形抗力。变形抗力和变形力方向相反，数值相等，通常用单位面积上的平均 变形力作为度量。影响变形抗力大小的因素包括金属的内部结构和外部条件两方面。 化学成分 由于原子间相互作用的特性不同，各种纯金属都有其不同的变形抗力。合金元 素（或杂质）溶入固溶体后可引起晶体点阵发生畸变，从而使变形抗力提高, 合金元 素加入还可能造成组织的多相性，形成第二相固溶体或第二相化合物，从而提高变 形抗力。合金元素通常可使再结晶速度降低，再结晶温度提高，从而增加金属硬化 的倾向性。 组织结构 金属与合金的性质取决于组织结构，组织不同，原子间的结合及原子在空间的 配合情况就不同，从而导致变形抗力也有很大差别。金属和合金的晶粒大小对变形 抗力影响较大。实验证明，许多金属的屈服强度和晶粒大小间的关系满足下式，此 公式称为霍尔配奇关系式： 1 2 si kd =+ (27) 式中 i 常数，相当钢单晶时的强度（mpa） ； k 常数，与材料性质有关； d 晶粒的平均直径（mm） 。 变形温度 所有金属与合金的变形抗力都随变形温度的升高而降低，尽管在温升过程中发 生了物理化学变化或相变，变形抗力有起伏现象，但其总的趋势是随温度的升高而 降低。这是因为温度升高后，原子动能增大，原子间结合力减弱，使得临界切应力 降低。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 0 变形程度 不管在室温还是在较高的温度条件下，只要回复和再结晶来不及进行，则随着 变形程度的增加必然产生加工硬化现象，致使变形抗力增加。当变形程度低于 3 0 时，变形抗力增加较明显，当变形程度较高时，变形抗力增加得越来越缓慢。对于 同一金属或合金，室温下冷变形时，影响变形抗力的主要因素就是变形程度；热变 形时，影响变形抗力的因素则为变形温度、变形速度和变形程度。 冷变形时静态变形抗力可表示为： 0 n s a=+ (28) 式中 0 材料在完全退火状态下的屈服极限； a，n与材料性质有关的常数； 变形程度。 热变形时变形抗力的表达式为： k tnm s ae = (29) 式中 a、n、m、取决于材料和变形条件的常数； k t 试验温度； 变形程度； 变形速度。 2.1.3 塑性成形中的失稳 塑性加工中的失稳问题对锻压成形有重要影响。失稳包含压缩失稳和拉伸失稳 两种，本课题所研究的抽油杆镦锻问题仅涉及到压缩失稳，因而此处只讲压缩失稳。 主要影响压缩失稳的因素是刚度系数，其主要表现是坯料的弯曲和起皱。在弹性和 塑性变形范围内均可发生压缩失稳现象。 弹性状态下， 压力 p 达到临界力 k p 时， 压杆就发生失稳而弯曲， 如图 22 所示， 此时压杆以曲线形状保持其平衡，杆内产生一个内力矩来平衡外力矩，即外力矩=内 力矩。平衡状态下的微分方程为： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 2 2 d y eipy dx = (210) 式中 e材料的弹性模数； i压杆的惯性矩； 将式(210)积分整理得到欧拉公式如下： 2 2 k ei p l = (211) 当坯料内压应力超过屈服极限而进入塑性状态时，式(211)就不再适用了。此时塑 性范围内的压缩失稳问题要进一步讨论。假如所研究材料的应力应变关系如图 2 3（a）所示，而且临界压力下在材料内引起的压应力 k 位于曲线上 a 点。弯曲后 受压的内侧压应力继续增加沿着 ad 线加载至 b 点， 而受拉的外侧拉应力沿着 ae 线卸 载至 c 点。此时材料截面内的应力分布如图 23（b）所示。 图 22 压杆的的受力和变形 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 2 ( a ) 材料的应力应变关系图 ( b ) 材料截面内应力分布图 图 23 临界压力下坯料截面内的应力分布状态 材料受拉外侧的边沿应力增量为 1 ，受压内侧的边沿上的应力增量为 2 ，可 表示如下： 1 1 t e = (212) 2 2 t f = (213) 依据塑性失稳条件，轴向压力的增量 dp=0，可以得到内力矩： 2 14 () ef m ef = + (214) 将 0 2 4 () ef e ef = + ， 2 2 1d y dx = 代入式(214)可得： 2 0 2 d y me i dx = (215) 由平衡时内外力矩相等得到临界状态下的微分方程： 2 0 2 k d y e ip y dx = (216) 积分并整理得： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 3 2 0 2 k e i p l = (217) 对比式(211)与式(217)可以看出，两者形式相同，只是弹性失稳临界压力公式中 的e值被塑性失稳临界压力公式中的 0 e 所取代。 0 e 为折减弹性模数，也可叫做相当 弹性模数。它体现弹性模数 e 和硬化模数 f 的综合效果。研究证明，塑性失稳在压 力达到 k p 值前就发生了，实际的临界压力比式(217)得到的还要低，为安全简便， 多用下式进行临界力的求解： 2 2 k fi p l = (218) 式中 f硬化模数（在研究压杆失稳时又称为切线模数） 对于直径为 d 的圆柱杆 4 32 d i =，代入式(218)中可得： 临界压力 22 2 ( ) 48 k dfd p l = (219) 临界压应力 2 2 ( ) 8 k fd l = (220) 由上面得到的临界压力及临界压应力公式可知材料的抗压缩失稳能力不仅与其 刚度性能参数 0 e 、f有关，还与压杆几何参数 d l 密切相关。当相对高度 l d 越大时， 也即长径比越大时，越容易发生失稳。实际生产中，为避免发生失稳弯曲，圆柱体 坯料在压缩时其长径比 l d 通常应小于 2.5 3 。失稳弯曲还会影响到坯料成形时一些 工序的极限变形程度15。 2.2 概述模锻成形工艺的特点及设计过程 2.2.1 模锻的特点及其分类 模锻属于锻造的一种，是在专用锻压设备上利用模具使毛坯成型而获得锻件的 锻造方法。模具装在特定的锻压设备上，工作时锻模在设备驱动下闭合，迫使坯料 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 4 发生塑性变形，最终充满整个模具型槽，形成形状与模具型槽完全相同的锻件。通 常一套模具仅生产一种锻件，且模具的投资较大，因而模锻适合进行批量生产。为 了使坯料完全充满型槽，减小锻模的应力，当生产形状较为复杂的锻件时，一般要 设计多个工步。 按照模锻中最后成形工步的不同成形方式，可将其分为开式模锻、闭式模锻、 挤压和顶镦4 类。掌握了各成形方法的金属流动规律和塑性成形特征，就能合理设计 工艺及模具，降低模锻变形力，以较低成本生产较高质量的锻件。 开式模锻在锻造时，上模和下模的间隙不断变化，变形结束时完全打靠，形成 横向飞边，飞边既可以帮助坯料充满模具型槽，也可放宽对毛坯体积的要求。飞边 是工艺废料，要在后续工序中切削掉。闭式模锻在锻造时，坯料在封闭的型槽中成 形，不产生横向飞边，多余的坯料形成纵向飞刺，飞刺也要在后续工序中切除掉。 挤压是坯料在三向压应力作用下，流入型槽内或从模孔中挤出以获得所需尺寸、形 状的零件的锻造过程。杆件局部镦粗的工艺过程称为顶镦，可在自由锻模、平锻机、 摩擦压力机、自动热镦机和自动冷镦机等设备上进行。由于顶镦工艺一般在平锻机 上进行，有时也称其为平锻工艺。顶镦依据锻模结构及坯料金属流动方式又可分为 闭式平锻和开式平锻两种。闭式平锻产生纵向飞刺，开式平锻产生横向飞边16。 本课题所研究的插接式扭矩杆的镦锻工艺即在平锻机上进行，属于平锻工艺。 为了放宽对坯料体积的严格要求并能使其完全充满模具型槽，选取开式平锻的方式 进行设计。 2.2.2 模锻件图的设计 模锻件图是工艺制定、锻模设计、锻模检测及锻模制造的依据，模锻件图是根 据产品图设计的，分为冷锻件图和热锻件图两种。冷锻件图用于校正模的设计和最 终锻件的检测。热锻件图则用于锻模设计和加工制造。热锻件图是在冷锻件图各尺 寸基础上相应加上热膨胀绘制的。设计锻件图的结构及尺寸时，针对不同的模锻设 备，要考虑各自的特点。由于本课题所研究的插接式扭矩杆是在平锻机上镦锻成形， 下面介绍一下平锻机上模锻件图的设计特征17。 平锻机由三部分组成， 具有两个分模面。 两半凹模之间的分模位置容易确定， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 5 一般设在纵轴剖面上。凹凸模之间的分模位置则须根据具体情况分别处理。对于采 用后挡板来定位的局部镦粗类锻件，因棒料尺寸精度会影响到其变形部分的金属体 积，大多采用开式模锻，分模面的位置选在锻件的最大轮廓处。 机械加工余量是在零件的形状上附加的一层金属，以保证锻件能够进行机械 加工，达到零件的尺寸精度和表面光洁度。加工余量的大小，取决于零件要求的表 面光洁度和精密模锻时发生的形状畸变以及锻件的表面缺陷。根据零件每一部分的 直径和该直径处相应的长度尺寸和设备吨位，参考有关手册并结合生产经验来选取 加工余量和公差。 平锻模具有两个分模面，有利于锻件出模，模锻斜度可小些，甚至个别部位 可不设斜度。其模锻斜度的大小及方式则视锻件形状尺寸和在型槽中的成形部位来 确定。当凹模中成形带凹挡的锻件时，为了保证冲头回程时不把锻件“拉毛”，凹 挡内模具能顺利取出需设计内斜度；当锻件在冲头内成形时，则须设计外斜度，具 体数值参考有关手册。 锻件上凡面与面相交的地方均不准有尖角，必须以适当半径的圆弧光华连 接，此半径称作圆角半径。合理的圆角半径有利于金属充型，并能方便起模和提高 锻模寿命。半径太小，模具热处理和锻造过程中易于产生裂纹和堆塌，金属也不易 充满型槽，还会在锻件中产生折纹和切断金属流线。外圆角半径太大，会减少圆角 处的余量以至于加工后仍留有黑皮；内圆角半径太大，则会扩大圆角处的余量，增 加金属的消耗。因此要参考相关手册设计合理大小的圆角半径。 2.2.3 模锻工艺过程 模锻工艺过程一般由下列基本工序构成： 备料工序。根据选定的规格下料，并将其加热到规定的温度范围。 模锻成形工序。将加热到所需锻造温度的坯料置于模具型槽内成形，经过聚 料、预锻、终锻工序后，要切除飞边或冲去连皮。 锻件后处理工序。锻好的工件首先进行热校正或热精压，然后打磨掉毛刺， 对其进行适当的热处理，去除掉氧化皮，再进行冷校正或冷精压。 质量检测工序。对生产好的锻件进行检测，看其组织、性能、形状、尺寸是 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 6 否达到所需要求 18。 2.3 插接式扭矩杆结构及成形工艺分析 2.3.1 插接式扭矩杆结构分析 普通抽油杆和插接式扭矩杆的零件图如图 2 4和图 2 5所示。从图示可以看 出，普通抽油杆和插接式扭矩杆的差异不是太大，都是由杆体、凸缘、扳手方、大 圆台和螺纹连接部分组成。一个明显的区别就是普通抽油杆端部是规则的圆台，而 插接式扭矩杆端部的圆台带有斜槽，它使原来杆与杆之间仅靠接箍锁紧的对接改为 插接模式，防止了杆与杆之间的相对转动。还有两者扳手方处的倒角方式不同。普 通抽油杆的倒角较小且与扳手方平面相切，而插接式扭矩杆倒角很大，且并不与扳 手方平面相切，是由4 4的圆柱和扳手方相割而得到。插接式扭矩杆端部杆头处比 普通抽油杆大，即变形量大，成形相对困难。从工艺角度来讲，规则圆台易于镦锻 成型，而加上斜槽以后，致使斜槽两侧形成一些小角度的工艺死角，此处金属难以 充分的随着模具内部型槽流动充型。因此，本课题设计了两种工艺方案: 方案一是按 常规抽油杆设计工艺，端部的斜槽由后续工序切削出来；方案二是模锻工艺中设计 出端部斜槽，工件直接锻造成型。第二套方案虽然免去了后续斜槽的加工，理论上 可以提高生产效率，但是根据生产经验预测，斜槽两侧的金属可能充不满型槽。首 先设计出这两种工艺方案的工步图，并分别进行三维实体建模，用 d e f o r m - 3 d对金 属塑性成形过程进行模拟，对两套方案进行分析和对比，选定最优工艺方案。 图 2 4 普通抽油杆 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 7 图 2 5 插接式扭矩杆 2.3.2 插接式扭矩杆工艺特点 通过深入观察和分析，可以得到插接式扭矩杆具有下述工艺特点： 长径比大。抽油杆一般长 79m，端部杆头镦锻的长径比在 1421 之间， 属长径比较大的细长杆件，且坯料刚度低，柔性大，易弯曲，镦锻过程中易变形， 所以难以在一个模具型槽内一次成形，需采用多工步成形工艺19。 截面变化复杂。抽油杆的推承面、外圆、台肩处的横截面积是杆体的 4 倍 左右，再加上必要的切削余量，能达到 4.55 倍，变形量大，其结构是长方体与圆 弧回转体相衔接的阶梯回转体， 变形量梯度很大， 因而成形较为困难且易产生缺陷。 端部有较深斜槽。斜槽的出现使得插接式扭矩杆在斜槽两侧的部位产生了 难以成形的小角度地带，加大了塑性成形的不稳定性，给工艺设计带来困难。 属于局部镦粗的开式模锻。选择开式模锻虽然会产生飞边，但却能帮助锻 件充满形状复杂的模具型槽，并且放宽了对毛坯体积的严格要求，在聚料工步中可 以视情况而补料，便于操作。 根据局部镦锻的基本原则，当坯料镦粗变形部分的长度 l0与直径 d0之比值 ? 2.5 时，坯料可被一次镦锻到任意尺寸，且不会产生弯曲现象。但插接式扭矩杆为变 形量相当大的细长杆，其镦锻部分的长径比 14，因而必须进行多工步聚料，按 照一定规则来逐次有序的成形20。在镦锻工艺中，圆棒坯料的聚集方式可分为三种： 自由聚集、凹模型槽内聚集及凸模锥形型槽内聚集。抽油杆的大长径比决定其不适 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 8 于自由聚集。平锻机的凹模由上下两部分组成，如在凹模内聚料，分模面处易产生 纵向飞边，此飞边在以后工步中容易形成折叠从而影响锻件表面质量。在凸模锥形 型槽内聚料，则可以避免上述缺陷的产生，利于金属较好的充满型槽，并且镦锻后 脱落的氧化皮可由锥形型槽的斜面滑出，不会压在锻件表面，从而可提高锻件质量， 所以采用凸模锥形型槽内聚料的方式进行工艺设计21。毛坯聚料时产生的弯曲是靠 模具型槽来限制的，但是型槽直径不可过大，否则也可能产生折叠。 2.4 确定两种方案的工艺参数并分别设计工步图 在插接式扭矩杆镦锻成形过程中，相对镦缩量、型槽不充满系数、凸模锥角、 锥形型槽小底直径是影响锻件成形质量的关键因素，这些工艺参数的合理选择是工 艺设计的核心。参数选取不当，就容易使锻件产生缺肉、折叠等缺陷。根据前人大 量的实验研究数据以及生产实践经验，设计抽油杆镦锻成形工艺时应注意下列要 点：一、在保证坯料金属能顺利进入型槽的前提下，锥形型槽小底端直径要设计的 尽量小些，可避免坯料端部滑动，从而减小镦锻过程中坯料的弯曲度； 二、在锥 形型槽小底端设计一定长度的圆柱型槽，这样既能缩小坯料变形部分的长径比，还 能使坯料进入型槽后进行镦锻时具有良好的导向； 三、在锥形型槽大底端应采用 较大的锥角，以防止镦锻时产生径向飞边；四、合理分配每一工步的相对镦缩量， 由于锻件的长径比较大，聚料工步中不可避免会产生弯曲，随着变形量的增加和温 度的降低，材料逐渐硬化，不利于坯料充型，因此镦缩量随着镦锻工步的进行应 逐次变小。 并且根据锥形模镦锻极限规则， 每一工步的镦缩量均不能大于3.5； 五、 要根据表 21 选择合理的不充满系数。圆棒坯料进行镦锻时会产生螺旋弯曲现 象，聚料工步中锥形型槽大底附近的坯料镦锻不足，螺旋凸面的高度随着的增大 而增大。如果过大，在下一工步成形时容易产生折叠；如果过小，在没有充满 型槽之前就会在分模面处挤出飞边， 易于形成飞边折叠。 因此应选择合理的值22。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 9 表 21 型槽不充满系数值选取范围 原 始 直 径 d0(mm) 工步序号 20 2040 4060 6080 80 1 1.06 1.08 1.10 1.12 1.14 2 1.04 1.06 1.07 1.08 1.10 3 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 4 1.01 1.02 1.03 1