CN102847770B - 智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法，该方法采用片状钛合金毛坯材料进行加工，对毛坯料边磨削边冷却得到高光泽度的钛合金薄片，对该薄片采用线切割落料和上下双向复合拉伸模拉伸得到钛合金薄片弹簧，经热处理后达到所需强度。与现有的钛合金薄片弹簧制作工艺相比，采用本发明所述的制作方法加工出的智能钻杆用钛合金薄片弹簧表面光泽度高，无暗藏的表面裂纹，不会发生疲劳断裂，经久耐用；通过数控线切割落料，提高了弹簧的尺寸精度，保证足够的抗拉强度；通过双向复合拉伸模一次成型，可以将弹簧的变形系数降到极小的范围内，极大提高弹簧的成品优良率，便于批量生产，生产效率显著提升。

Description

智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法

技术领域

本发明涉及一种弹簧的制作方法，尤其是智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法。

背景技术

高强度的钛合金薄片弹簧主要用于大口径“垂直钻井系统”中的智能钻杆，智能钻杆由多节钻杆连接而成，其通信电缆与电源线分开单独布线，每节钻杆两端采用磁感应式钻杆接头，钻杆接头由钻杆槽、铁氧体磁感应环、钛合金薄片弹簧和线圈构成，钻杆槽为在钻杆内、外壁之间开出的凹形槽，铁氧体磁感应环也为凹形槽状，磁感应环放在钻杆槽中，钛合金薄片弹簧放在铁氧体磁感应环中，线圈置于钛合金薄片弹簧上并与钻杆上的通信电缆相连接，这样，每两节钻杆通信电缆之间就可通过电磁感应实现“软连接”，这种非接触传输方式解决了有线传输中对通信电缆的磨损问题。钻杆不工作时通信电缆为“断开”状态，钻杆工作转动时，各节钻杆接头相互紧扣，通过电磁感应实现各节钻杆间的信号连通，通信电缆为“开通”状态。如果感应环内的钛合金薄片弹簧因强度不够发生了松弛或蠕变，通过电磁感应实现自动“通、断”的“软连接”目的就不能达到，而弹簧的强度与材料特性及制作工艺密切相关。

钛合金材料强度高，密度小，钛合金弹簧目前一般采用丝状钛合金材料卷制加工而成，工作强度高，耐热强度高，表面抗蚀性好，低温性能好。但是，满足智能钻杆的更高强度钛合金薄片弹簧的制作存在如下技术难题：第一，高表面光泽度要求难以满足。用于制作弹簧的钛合金薄片要求表面粗糙度≤0.6μm，平面度＜0.05mm，厚度公差≤0.05mm。第二，磨削温度高，加工变形系数大。由于钛合金的导热系数很小，只有45号钢的1/5～1/7，磨削面的接触长度极短，磨削时产生的热不易传出，集中在磨削区附近的较小范围内，磨削温度很高，磨削温度比磨削45号钢时高出一倍以上。在如此高的磨削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮，去除外皮非常困难；同时磨削过程中的塑性变形会造成表面硬化，降低薄片弹簧的抗疲劳强度。第三，砂轮易磨损，磨削表面精度低。由于钛合金对砂轮材料的化学亲和性强，在磨削温度高和单位面积上磨削力大的情况下，砂轮很容易产生粘结磨损；同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时容易产生弯曲变形，加剧砂轮磨损，影响磨削表面精度。

发明内容

本发明的目的是为克服采用目前材料和工艺制得的钛合金弹簧表面光泽度低及变形严重从而影响弹簧工作强度的缺点，提供一种智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法，该方法采用片状钛合金毛坯材料进行加工，对毛坯料边磨削边冷却得到高光泽度的钛合金薄片，对该薄片采用线切割落料和上下双向复合拉伸模拉伸得到钛合金薄片弹簧，经热处理后达到所需强度。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

一种智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法，包括如下步骤：

（1）对钛合金毛坯片进行磨削，通过冷却液冷却磨削面，制得表面粗糙度≤0.6μm，平面度＜0.05mm，厚度公差≤0.05mm的钛合金薄片；

（2）对所述钛合金薄片进行线切割落料，形成上螺旋切割区域和下螺旋切割区域；

（3）采用上下双向复合拉伸模对所述钛合金薄片上的上螺旋切割区域和下螺旋切割区域同时进行拉伸，形成上螺旋部和下螺旋部，制得钛合金薄片弹簧；上下双向复合拉伸模包括相对设置的上凹凸模和下凹凸模，上凹凸模上设有用于对下螺旋切割区域进行拉伸的拉伸凸头，下凹凸模设有用于对上螺旋切割区域进行拉伸的拉伸凸头。           

（4）对钛合金薄片弹簧进行热处理，包括β相热处理、淬火处理和时效处理，其中β相热处理将钛合金薄片弹簧加热到（α+β）/β相变点以下120～200℃，然后进行保温处理。

与现有的钛合金薄片弹簧制作工艺相比，采用本发明所述的制作方法加工出的智能钻杆用钛合金薄片弹簧表面光泽度高，无暗藏的表面裂纹，不会发生疲劳断裂，经久耐用；通过数控线切割落料，提高了弹簧的尺寸精度，保证足够的抗拉强度；通过双向复合拉伸模一次成型，可以将弹簧的变形系数降到极小的范围内，极大提高弹簧的成品优良率，便于批量生产，生产效率显著提升。

附图说明

图1为本发明所述钛合金薄片弹簧的制作流程图。

图2为本发明所述钛合金薄片弹簧的俯视示意图。

图3为本发明所述钛合金薄片弹簧的主视示意图。

图4为本发明所述线切割落料示意图。

图5为图4的侧视图。

图6为本发明所述的拉伸成型剖视图。

图中：1钛合金薄片，2上螺旋部，3下螺旋部，4上螺旋切割区域，5下螺旋切割区域，6上凹凸模，7下凹凸模，8上下拉伸模面，9、10拉伸凸头。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明所提供的智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法包括如下各个步骤：

第一，对钛合金毛坯片进行磨削，磨削时，可通过改变砂轮材料、砂轮结构和装夹方法，来减小在平面上滑动摩擦的路程，降低磨损。磨削的同时通过冷却液冷却磨削面，将磨削中产生的热量用冷却液带走，磨削面温度基本控制在室温左右，并使得最终加工后的材料表面在50倍的放大下无明显的加工过渡痕迹，制得表面粗糙度≤0.6μm，平面度＜0.05mm，厚度公差≤0.05mm的钛合金薄片1。

第二，通过线切割工艺在钛合金薄片1上切割形成上螺旋切割区域4和下螺旋切割区域5。

如图4所示，沿阿基米德螺线的轨迹，将左右双向连体的钛合金薄片1按尺寸要求进行线切割落料。

第三，采用上下双向复合拉伸模对钛合金薄片1上的上螺旋切割区域4和下螺旋切割区域5进行同时拉伸，形成上螺旋部2和下螺旋部3，制得钛合金薄片弹簧。

由于薄片弹簧的螺旋线方向为一左一右，支承结构上呈相反方向为一上一下，很难一次成型，如果不一次成型务必会增加弹簧的变形而达不到技术要求，造成废品。

如图6所示，本发明采用了上下双向复合拉伸膜，即凹凸复合拉伸模，包括相对设置的上凹凸模6和下凹凸模7，上凹凸模6和下凹凸模7接触面为上下拉伸模面8，上凹凸模6设有用于对下螺旋切割区域5进行拉伸的拉伸凸头9，下凹凸模7设有用于对上螺旋切割区域4进行拉伸的拉伸凸头10，利用双向定位、两面拉伸的成型工艺，根据阿基米德螺线原理，对左右双向连体的钛合金薄片1的下螺旋切割区域5和上螺旋切割区域4同时拉伸，从而一次成型制作成功。

第四，对上述成型的钛合金薄片弹簧进行热处理。

为满足钛合金薄片弹簧的特殊要求，使回弹工作应力≥1200mpa， 在最高工作温度500℃，最低温度-60℃时，工作回弹载荷＞400N且保持10年不变，没有蠕变，弹簧松弛率＜1%，工艺上需采取β相热处理。β相热处理是为了消除或减少加工过程中产生的残余应力，防止或减少变形，提高塑性和组织稳定性，以获得较好的综合性能。通常α相钛合金和（α＋β）相钛合金的β相热处理温度选在（α＋β）/β相变点以下120～200℃，将成型的钛合金薄片弹簧加热到该温度进行96小时恒温处理；此外，还进行公知的淬火处理和时效处理，淬火处理是从高温区快冷,以得到马氏体α′相和亚稳定的β相，达到使合金强化的目的，通常(α＋β)相钛合金的淬火在(α＋β)/β相变点以下40～100℃进行，亚稳定β相钛合金淬火在(α＋β)β相变点以上40～80℃进行；时效处理温度一般为450～650℃，然后从该温度下自然冷却。淬火处理是为了获得好的韧性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和组织的稳定性，时效处理是为了提高其强度。

Claims (3)

1.一种智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）对钛合金毛坯片进行磨削，通过冷却液冷却磨削面，制得表面粗糙度≤0.6μm，平面度＜0.05mm，厚度公差≤0.05mm的钛合金薄片；

（2）对所述钛合金薄片进行线切割落料，形成上螺旋切割区域和下螺旋切割区域；

（3）采用上下双向复合拉伸模对所述钛合金薄片上的上螺旋切割区域和下螺旋切割区域同时进行拉伸，形成上螺旋部和下螺旋部，制得钛合金薄片弹簧；其中上下双向复合拉伸模包括相对设置的上凹凸模和下凹凸模，上凹凸模上设有用于对所述下螺旋切割区域进行拉伸的拉伸凸头，下凹凸模设有用于对所述上螺旋切割区域进行拉伸的拉伸凸头；

（4）对钛合金薄片弹簧进行热处理，包括β相热处理、淬火处理和时效处理，其中β相热处理将钛合金薄片弹簧加热到（α+β）/β相变点以下120～200℃，然后进行保温处理。

2.如权利要求1所述的智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法，其特征在于所述步骤（2）中线切割轨迹为阿基米德螺线。

3.如权利要求1所述的智能钻杆用钛合金薄片弹簧的制作方法，其特征在于所述步骤（4）中保温时间为96小时。

Images