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采用ANSYS软件对钻杆端部成形性能影响的仿真分析

2020-05-23 416 上传者：管理员

摘要：钻杆的底端联接有钻头，钻头工作过程中，载荷会通过钻杆与钻头的联接部位传递到钻杆，这就要求钻杆与钻头的联接部位具有较高的强度，因而，钻杆生产过程中通常会将钻杆与钻头的联接部位即钻杆的底端部进行增粗处理，以提高其强度。钻杆端部增粗过程中的加热温度、挤压速度等参数是影响其成形质量的关键因素。采用ANSYS软件模拟分析不同工艺参数下的钻杆增粗过程中的变形规律，以此为工艺参数的优化提供依据。

关键词：
ANSYS
参数
地质勘探
增粗
温锻
钻杆
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引言

钻杆是一种联接钻机旋转动力头和钻头的中间联接结构，由于钻杆的底端联接有钻头，钻头工作过程的载荷会通过钻杆与钻头的联接部位传递到钻杆，这就要求钻杆与钻头的联接部位必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动，以避免钻孔过程中出现卡钻、脱钻现象。因而，钻杆生产过程中通常会将钻杆与钻头的联接部位，即钻杆的底端部进行增粗处理，以提高其强度，钻杆端部增粗过程中的加热温度、挤压速度等参数是影响其成形质量的关键因素。

1、钻杆的尺寸结构和增粗工艺特性

（1）钻杆尺寸结构

钻杆通常由钻杆管体与钻杆接头两部分组成，管体与接头用摩擦焊对焊在一起，钻杆接头的结构尺寸如图1所示。钻杆接头的整体长度为209mm，钻杆接头左端与钻杆管体进行一体化处理组成钻杆，钻杆接头的右端进行增粗处理并与钻头进行联接，钻杆接头的左端为小管径，其壁厚为9.5mm，内径为准93.2mm，内径长度为49.5mm；钻杆接头的右端为大管径，其内径为准73.6mm，内径长度为109.8mm，外径为准119.5mm，外径长度为77.mm；钻杆接头的中间部位为过渡部位，其中外径和内径均为圆锥形。

图1钻杆接头的结构尺寸

(2）钻杆材质参数

本文的钻杆材质选用37CrMnMo钢，经过调制热处理后具备良好的强韧性和低温冲击性能、抗疲劳性能，37CrMnMo钢的化学成分以及物理性能参数如表1、表2所示。

表137CrMnMo钢的化学成分（质量分数/%）

表237CrMnMo钢的物理性能

(3）钻杆端部的增粗工艺特性

对于钻杆端部的增粗工艺，通常采用圆筒状的坯料件局部加热后进行镦粗锻造以形成所述的增粗部位，因而，本文也采用常规的加热锻造模式对钻杆端部进行增粗处理，为了简化模具结构以及锻造工艺，需要在钻杆接头结构的基础上，将结构优化成锻造难度较低的锻件结构。由图1可知钻杆接头结构的过渡部分的内径和外径均为圆锥形结构，这部分是较难锻造部位，为了简化锻造过程，本文将钻杆接头的锻件结构设置为如图2所示的结构，其中，锻件的外表面为圆柱形，外径尺寸为准119.5mm，外径长度为209mm，内径尺寸和形状与图1相同。经过上述改造后，锻造过程中只需要保证内径的圆锥形结构成形即可，无需同时保证内径和外径的圆锥形的成形，极大地简化了锻造难度，同时，锻造成形件仅需后续的机加工工序即能成形所述的外径表面。

图2钻杆接头的锻件尺寸结构图

根据图2所选定的挤压锻造模具结构如图3所示，模具结构包括凸模、凹模和挡圈，其中将挡圈设置在凹模的底端，将坯料件设置在凹模的内侧，通过对凸模加压使凸模挤压坯料件在锻造腔室内填充并成形所述的锻造件。通过分析可知，锻件左端的变形量为0，锻件中部的变形量不大，而锻件右端的变形量最大。

图3钻杆接头增粗工艺的锻造模具结构图

2、工艺参数对钻杆端部的增粗成形质量的影响分析

本文采用ANSYS软件模拟钻杆接头的增粗锻造过程，由于锻造过程中需要对坯料件进行加热处理，而通过分析已知，锻件在右端的变形大，中部变形小，而左端不变形，因而，对坯料采用局部加热。为了保证既能实现坯料的流动性，又能保证坯料增粗过程中的稳定性而不发生皱折缺陷，需要设置合理的局部加热长度，钻杆接头坯料件结构如图4所示，为准119.5mm×准93.2mm×准407mm的圆筒，同时设定非加热区域位于钻杆接头的左端，长度为X1。

图4钻杆接头的坯料件结构图

在此基础上，根据工程经验初步拟定X1分别为40.5mm、81.5mm、122mm、163mm，相应地，加热长度分别为坯料件长度的90%、80%、70%和60%，同时，综合考虑锻件的结构尺寸、材质，拟定如下的工艺参数：坯料的初锻温度1180℃，模具材质为H13热作模具钢，坯料与模具的热交换系数为117.8W/（m2·K），模具与外部空气的热交换系数为32.5W/（m2·K），模具的初始预热温度为300℃，模具与坯料间的摩擦因数为0.25，凸模的挤压速率为20mm/s。不同加热长度下的锻件模拟结构云图如图5所示。

图5不同加热长度下的锻件模拟结构云图

分析图5可知，随着加热长度比率的变小，锻件过渡区域的斜度越来越大，而且出现了材料皱折的现象，从加热长度比率70%开始出现，特别是在加热长度比率60%时，皱折现象非常明显，而加热长度比率为80%和90%时，锻件的过渡区域完全没有出现材料皱折现象；随着加热长度比率的变小，加热区域越短，能流动的材料越少，导致低温区域的材料基本不变形，而高温区域的材料变形较大，上述过程中容易在低温材料区域出现材料折叠的现象。加热长度比率为80%及以上时均能获得表面良好的内钻杆内径表面过渡区域，因而，本文选取加热长度比率80%作为最佳的加热区域参数。

通过上述分析发现，不同的材料温度能影响材料的流动性，从而影响锻造质量，同样，锻造过程中的挤压速度是另一个影响材料流动性的参数，也是影响锻造质量的重要因素之一，因此，有必要研究最佳的锻造挤压速度来提高锻造成形质量。

在其他参数不变的情况下，选取挤压速度为20～60mm/s，所获取的不同挤压速度下的锻件最大等效应力分布规律如图6所示。从图6可以看出，当挤压速度逐步增大时，锻件的最大等效应力值呈现先处于稳定范围内，而后快速增大的趋势，当挤压速度为20～40mm/s时，锻件的最大等效应力值处于640～660MPa，其中当挤压速度为28～32mm/s时，锻件的最大等效应力值为最小值640MPa；当挤压速度为40～60mm/s时，锻件的最大等效应力值从655MPa以9.5MPa/（mm·s-1）的增速快速增大到845MPa。

图6不同挤压速度下的锻件最大等效应力分布规律

在其他参数不变的情况下，选取挤压速度为20～60mm/s，所获取的不同挤压速度下的锻件最大等效应变分布规律如图7所示。从图7可以看出，当挤压速度逐步增大时，锻件的最大等效应变值呈现先处于稳定范围内，而后快速增大，最后缓慢上升的趋势，当挤压速度为20～30mm/s时，锻件的最大等效应变值处于0.59～0.61；当挤压速度为30～46mm/s时，锻件的最大等效应变值从0.61快速增大到0.82；当挤压速度为46～60mm/s时，锻件的最大等效应变值从0.82快速增大到0.88。通过上述分析可知，30mm/s是最佳的挤压速度。

在最佳参数下所得的钻杆接头填充完成时的应力、应变分布云图如图8所示。由图8(a）可知锻件左端的应力最大，达到640MPa，锻件右端的应力最小，应力值从锻件左端到锻件右端逐步减小，经过分析可知，锻件左端初始时温度较低而且其本身不产生变形，即锻件左端部分的材料流动困难，相应地，变形抗力大，等效应力较大；由图8(b）可以看出，应变值从锻件左端到锻件右端逐步增大，锻件左端由于变形量为0，因而其应变值为0，而分析各部分的应变值可知，锻件中间过渡段的应变值最大，达到0.610，即锻件中间过渡段的应变值要大于锻件右端的应变值，这说明，材料先填充加厚端，而后向远离增粗端的部位填充。

图7不同挤压速度下的锻件最大等效应变分布规律

图8钻杆接头填充完成时的应力、应变分布云图

3、结语

(1）通过上述分析可知，随着加热长度比率的变小，加热区域越短，能流动的材料越少，导致低温区域的材料基本不变形，而高温区域的材料变形较大，上述过程中容易在低温材料区域出现材料折叠的现象，加热长度比率80%为最佳的加热区域参数；

(2）在模具优化过程中分析发现，当挤压速度为28～32mm/s时，锻件的最大等效应力值为最小值640MPa；当挤压速度为20～30mm/s时，锻件的最大等效应变值处于0.59～0.61。通过上述分析可知，30mm/s是最佳的挤压速度。

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