房偉，魏書寶，李軍

（中國石油集團川慶鉆探工程有限公司井下作業(yè)公司，成都 610000）

0 引言

螺桿鉆具作為一種能將液壓能和機械動能進行轉(zhuǎn)換的容積式井下動力鉆具，廣泛用于油氣開發(fā)的鉆完井和開采作業(yè)過程中，其顯著降低了深井和水平井作業(yè)中鉆具組合對地面動力系統(tǒng)的依賴。它常常作為降磨減阻、定向鉆井、垂直鉆井、氣體鉆井、深井超深井提速提效和特殊油氣藏開采等工藝或者井下工具組合的關鍵功能單元。借助現(xiàn)代化加工裝備和方法，其產(chǎn)品系列在國內(nèi)已經(jīng)形成了產(chǎn)業(yè)化規(guī)模，但實際生產(chǎn)過程中現(xiàn)有加工技術仍然不能勝任油氣開發(fā)日益嚴峻復雜的工況挑戰(zhàn)[1]。尤其是作為螺桿鉆具必要零件的定子，由于作業(yè)環(huán)境高溫高壓和大排量鉆井液固相顆粒磨損，等壁厚橡膠襯套的定子壽命會急劇下降[2]，而全金屬常規(guī)加工方法存在加工成型困難、尺寸精度和表面質(zhì)量難以保證的問題。尤其是全金屬螺桿定子上述問題更加明顯。本文針對該生產(chǎn)難題，通過分析和優(yōu)選現(xiàn)有加工方法和優(yōu)化加工工藝，旨在提高現(xiàn)有螺桿定子加工質(zhì)量和壽命，促進能源開發(fā)及相關行業(yè)的應用。

1 金屬螺桿鉆具定子加工方法

如圖1所示，以單頭螺桿鉆具為例，螺桿鉆具主要包含轉(zhuǎn)子和定子，定子與轉(zhuǎn)子螺旋線數(shù)存在（n+1）:1的關系[3]。轉(zhuǎn)子外表面在定子的空腔內(nèi)表面周期性地往復嚙合，定子相對鉆具靜止，轉(zhuǎn)子相對鉆具運動。當動力是由轉(zhuǎn)子的機械動能轉(zhuǎn)化為液壓能時，螺桿鉆具作為一種泵使用；而動力由鉆井液的液壓能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)子的機械動能時，螺桿鉆具作為一種馬達使用。螺桿鉆具的定子加工相對于轉(zhuǎn)子的曲面復雜程度更高，材料損耗和加工時長更多，良品率更低。其常見加工方法有液壓成型法[4]、軋輥成型法[5]、曲面包絡銑削法[6]、曲 面包絡鏜削法[7]、電解加工法[8]等。

圖1 螺桿鉆具轉(zhuǎn)子和定子的示意圖

1.1 液壓成型法

液壓成型法基本原理是：成型模具中放入鋼管，并在模具與鋼管間的縫隙注入高壓液，鋼管在液壓作用下塑性變形，從而成為定子。根據(jù)壓力作用方向可分為外高壓成型和內(nèi)高壓成型。通常為了保證定子有更高精度的成型面，實現(xiàn)與模擬定子軌跡覆蓋的模具外表面貼合緊密和避免采用內(nèi)高壓成型脹壞薄壁管件等問題，采用外高壓成型法（如圖2）。基本步驟為：對原材料鋼管進行預彎扭成型以保證模具順利放入管件，對外加壓設備注入充足的液壓油可作為液壓傳遞介質(zhì)和潤滑劑，根據(jù)實際選用的鋼管塑性變形能力，施加合適的壓力，最大限度地促進鋼管產(chǎn)生塑形變形，成型結(jié)束后對表面進行硬化處理，以保證壽命。液壓成型法在汽車和航空等行業(yè)已廣泛應用，具有一次成型、加工效率和材料利用率高、適合批量化生產(chǎn)的優(yōu)點，但只適合屈服強度低和延展性好的薄壁管材。如要成型高強度定子，承壓設備需要相應提高壓力等級，而且加工成型的定子由于存在回彈現(xiàn)象而影響成型精度，缺乏性價比。

圖2 液壓成型原理

1.2 軋輥成型法

軋輥成型法與液壓成型法的相似之處在于將液壓力換成了數(shù)個均布的軋輥機械擠壓力，并且通常中心無模具。如圖3所示，鋼管作為軋件處于數(shù)個軋輥中心，軋制過程開始時，軋件與軋輥產(chǎn)生周期性的相對運動，軋件即鋼管沿其軸向直線進給，其運動速度為v。而與其緊密接觸的軋輥在其巨大的摩擦力的作用下都產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。最終發(fā)生塑形變形，得到最終的螺桿定子。根據(jù)其原理可知，軋輥成型法同樣具有塑形成型加工效率和材料利用率高的優(yōu)點，并且其施壓設備比液壓成型的設備簡單，對精度要求不高的批量化生產(chǎn)零件相當實用。但顯然由于軋制成型面是軋件的外表面，不屬于定子的工作面，作為內(nèi)壁的工作面僅僅是靠塑性變形成型的，存在較大的殘余應力，釋放后回彈變形導致尺寸精度更低。

圖3 軋輥成型原理

1.3 曲面包絡銑削法

包絡法作為復雜曲面加工的常用方法，理論分析刀具和工件無滑移嚙合滾動，借助數(shù)控技術和加工仿真技術在加工行業(yè)應用廣泛，大大地降低了人工計算和勞動強度。螺桿鉆具的定子包絡銑削通常步驟有：先模擬螺桿轉(zhuǎn)子和定子的運動軌跡和相對位移規(guī)律，采用內(nèi)滾包絡法分析得到需要定子模芯截面的輪廓線，根據(jù)定子模芯線型設計定子模芯的刀具參數(shù)，將設計的刀具利用加工仿真系統(tǒng)輸入合適的加工參數(shù)進行仿真分析，優(yōu)選刀具和模芯參數(shù)，最后進行加工成型。 如圖4所示，單頭螺桿鉆具定子加工中，O、O′分別為工件和銑刀刀架中心坐標原點，其中心軸分別為C和C′，兩軸保持偏心距e，同時軸C′與銑刀刀盤之間還存在一個偏心距e。為了模擬定轉(zhuǎn)子的相對運動，工件需要繞軸C作角速度為ωC的勻速轉(zhuǎn)動，刀架則需要繞軸C′以角速度ωC′轉(zhuǎn)動并且沿Z勻速直線進給，ωC與ωC′存在1∶2的關系。這樣的復合運動實現(xiàn)了定子內(nèi)螺旋曲面的成型。曲面包絡銑削法成型螺桿鉆具定子尺寸精度高、表面質(zhì)量好、對原材料力學性能影響小，是一種比較常用和優(yōu)先選用的加工方法。一系列持續(xù)的改進優(yōu)化（例如定轉(zhuǎn)子間隙量和泄漏量的控制、干摩擦表面質(zhì)量、接觸應力和壓力遞減等）也在研究中。

圖4 曲面包絡銑削

1.4 曲面包絡鏜削法

曲面包絡鏜削法同樣使用包絡法來分析嚙合軌跡和線型，并設計鏜刀參數(shù)和加工參數(shù)后加工成型，除了繼承包絡銑削的技術優(yōu)點，更適用于大長徑比內(nèi)螺旋曲面或者螺旋孔的加工。但在銑削過程中，為了提高加工效率和順利進刀，通常要增加多個必要的工步和工裝來實施加工（如圖5）：首先需要加工工件通孔直徑，該直徑需要為實際定轉(zhuǎn)子工作情況下轉(zhuǎn)子截面運動直徑留下加工余量；然后使用直柄鏜刀鏜削一半處于偏心的工件材料，保證通孔與刀柄相切，隨著加工量達到極限位置，計算出刀桿和刀尖尺寸；繼而模擬定子和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動嚙合動作鏜削剩余一半處于偏心的工件材料，最終精鏜削至成型尺寸。需要增加同步鏜削和鏜刀偏心工裝。

圖5 曲面包絡分步鏜削

1.5 電解加工法

電解加工法屬于電化學加工方法之一，其基本原理是利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解去除材料成型。對于高硬度高強度金屬材料、異形和薄壁零件的加工，電解加工法屬于應用最為廣泛的現(xiàn)代特種加工方法。如圖6所示，美國的Terry Lievestro、John Reynolds和Tom Chamberlain使用電解加工方法對螺桿鉆具進行加工。被加工件是一個管壁比較厚的圓管，且作為陽極通電。部件7為成型陰極，電解液從外部輸入，進入狹縫6流向?qū)б嚎?5，16為前導向塊進行粗加工，其對應的電解液環(huán)縫8。這種電解加工的方法是建立在范成原理基礎上的，只不過加工刀具換成了電解原理而已。電解法發(fā)展至今，在螺桿定子加工中，輔助工裝和加工工序相對簡單的優(yōu)點，減少了工作量，復雜曲面加工精度可0.05～0.20 mm，常見鋼材表面粗糙度可控到Ra1.6～0.4 μm，一些合金鋼甚至可達Ra0.1 μm。并且電解加工刀具（即電芯模具）進給運動形式簡單，工件可固定，控制電流密度方式簡單，一次加工成型曲面，由于無接觸作用力、無殘余應力，有利于曲面疲勞壽命控制。

圖6 電解加工螺桿鉆具

2 螺桿鉆具定子等壽命設計理論

螺桿鉆具定子的內(nèi)螺旋曲面在實際生產(chǎn)作業(yè)中面臨著高壓高溫及固相顆粒磨損等惡劣工況，同時還要承受與轉(zhuǎn)子反復周期嚙合的相互作用力，疲勞壽命受到嚴重挑戰(zhàn)。因此有必要引入等壽命的疲勞設計理論：狹義的等壽命設計指不同類型零部件壽命基本相等或者完全一致，而廣義的等壽命設計要求同類型的零部件設計要求其壽命呈梯度倍數(shù)關系，需要統(tǒng)籌兼顧整個產(chǎn)品或者系統(tǒng)的全生命周期[9]。對于本文的具體的定子內(nèi)螺旋曲面，等壽命設計的目的在于，螺旋曲面上任意無限劃分的每一微分區(qū)域Si與其它區(qū)域Sj應當在工作極限壽命T趨近于保持一致。即：

基于上述分析，從加工技術角度看，可以通過優(yōu)選加工方法和控制定轉(zhuǎn)子間隙來滿足等壽命設計要求。

2.1 內(nèi)螺旋曲面等壽命加工方法優(yōu)選

由前述金屬螺桿鉆具定子加工方法的分析可知，液壓成型法和軋輥成型法屬于塑形成型法，均存在殘余應力大、易回彈變形、精度低的問題，最終會成型內(nèi)外兩個螺旋曲面薄壁件，顯然不適合金屬螺桿鉆具精度和強度要求高的外圓柱面、內(nèi)螺旋面的定子；而包絡銑削法和曲面包絡鏜削法等屬于金屬切削方法，存在機床設備要求高、輔助工裝和工序復雜、材料利用率不高等問題，并且刀具切削與定子曲面加工過程中不能很好地控制切削力并保證殘余應力具有等壽命特征。而電解加工法作為復雜曲面和異形件首選加工方法，其不受金屬材料硬度和強度限制，殘余應力小且分布均勻，后期處理簡單。因此本研究采用電解法加工定子。電解加工螺桿定子機床總體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 電解加工螺桿定子機床總體示意圖

2.2 內(nèi)螺旋曲面等壽命加工定轉(zhuǎn)子間隙優(yōu)選

如圖8所示，由于螺桿鉆具實際加工存在不可消除的誤差，為了保證定子和轉(zhuǎn)子嚙合順利，兩者之間必須留有合適的間隙[10]。該間隙決定了每一級容腔向下一級的泄漏量和機械效率，并且影響定轉(zhuǎn)子之間的接觸應力，導致局部疲勞壽命相差甚遠。

圖8 金屬螺桿定子內(nèi)腔圖

研究表明，對于螺桿馬達把流體吸到排出端方向，沿著螺旋曲面任意一條母線L，壓力能量轉(zhuǎn)化為機械能，節(jié)流壓力ΔP逐級增大，流體儲存的能量減少，當常規(guī)加工方法控制定子和轉(zhuǎn)子的間隙值為一個常數(shù)δ時，越靠近排出口，定轉(zhuǎn)子相互作用力F越弱。造成定子吸入端疲勞壽命T入和排出口壽命T出存在較大區(qū)別，提前整體報廢。即有：

因此，提出采用兩種方法進行等壽命間隙值的控制：1）利用現(xiàn)代疲勞仿真設計軟件對定子內(nèi)螺旋曲面進行等壽命仿真設計；2）對具體某一種常用規(guī)格定子進行廠內(nèi)極限疲勞壽命破壞試驗，對試驗后的定子切分剖面微觀觀察表面破壞程度，進而調(diào)整間隙值δ（是一個隨著L變化而變化的值），最終保證全曲面區(qū)域的疲勞壽命一致。

3 螺桿鉆具定子等壽命加工步驟

1）采用電解加工，先選擇合適的機床：剛度足夠滿足深孔內(nèi)螺旋曲面加工承載力，進給陰極的傳動系統(tǒng)勻速運動精度高，自動化數(shù)控技術水平高，可進行模擬加工和反饋，再配套電壓適宜、穩(wěn)壓性能高、短路保護、抗干擾、防腐蝕、水冷密封等特點的電源和流量連續(xù)平穩(wěn)、壓力溫度適宜的純凈電解液系統(tǒng)，計算加工主軸頭承載、進給速度和電解液泵的流量與壓力等參數(shù)。加工完成使定子內(nèi)螺旋曲面與轉(zhuǎn)子之間有一個最小理論間隙δmin。2）根據(jù)等壽命疲勞設計或者大量的疲勞試驗數(shù)據(jù)設計出需要繼續(xù)精細加工的補償值Δδ，數(shù)控編程輸入電解加工機床的控制臺，加工出滿足全螺旋面區(qū)域等壽命要求的變量δ（L），完成型面定型。3）對其它未加工部位進行相應金屬切削，要求螺旋曲面更高的表面質(zhì)量和硬度時進行磨削、特殊表面技術處理或者熱處理等。4）與配套轉(zhuǎn)子裝配好，進行磨合試驗。

4 實施效果

圖9所示為本研究加工成型的多頭長壽命螺桿定子內(nèi)腔圖，成型尺寸公差控制在0.08 mm以內(nèi)，表面粗糙度為Ra1.6 μm，一次成型加工時間為5 h左右，經(jīng)過場內(nèi)磨合試驗，即使在未進行表面硬化處理的條件下，平均正常工作時間超過未優(yōu)化20%。磨合試驗結(jié)束進行微觀分析，其表面質(zhì)量得到了進一步提高，各部分磨損均勻。

5 結(jié)論

本文提出了定子的等壽命加工技術和具體實施步驟，基于對常規(guī)液壓成型法、軋輥成型法、曲面包絡銑削法、曲面包絡鏜削法、電解加工法各自的基本原理和優(yōu)缺點對比分析，借助現(xiàn)代數(shù)控裝備的結(jié)構(gòu)和動力仿真技術的發(fā)展成果，采用電解加工法避免刀具與工件接觸切削或者擠壓產(chǎn)生殘余應力，優(yōu)化定子和轉(zhuǎn)子間隙值為一個根據(jù)實際使用情況沿流體螺旋運動方向變化量，最終加工的金屬定子內(nèi)螺旋曲面具有以下優(yōu)點：1）全曲面區(qū)域疲勞壽命趨近于一致，使得定子整體壽命提高了至少20%；2）成型產(chǎn)品尺寸誤差在0.08 mm以內(nèi)，未經(jīng)后處理表面粗糙度低于Ra1.6 μm；3）加工工序少，刀具軌跡簡單，輔助工裝相對少，一次成型。