CN108555107B - 等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体內压复合成形加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种石油、天然气钻井用的等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体內压复合成形加工方法。其技术方案是：等壁厚金属定子衬套螺杆马达由定子壳体、等壁厚金属定子衬套、粘结夹层和转子组成；定子壳体为内壁光滑的直管，在定子壳体内壁与等壁厚金属定子衬套外壁之间注入一层橡胶作为粘结夹层，粘结夹层起连接与支撑作用，转子与等壁厚金属定子衬套通过配合形成密封腔；等壁厚金属定子衬套利用模具机械外挤压与流体内高压复合成形加工方法将管件加工成壁厚均匀的螺旋曲面结构；本发明具有耐高温、加工效率高等特点，可以提高螺杆钻具寿命和工作效率，降低等壁厚螺杆钻具定子加工难度和成本，具有重要的工程应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种石油、天然气钻井领域中应用的螺杆钻具定子，特别是一种等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体內压复合成形加工方法。
背景技术
螺杆钻具是石油、天然气钻井工程中常用的井下动力钻具。常规螺杆马达定子由定子壳体和橡胶衬套构成，工作过程中，在转子周期性的挤压和定转子密封腔压差作用下，由于橡胶衬套壁厚不等，导致橡胶衬套的散热不均，热滞后现象严重，使橡胶极易老化和撕裂，降低其使用寿命。而在等壁厚螺杆钻具马达定子中，由于定子橡胶衬套的壁厚基本相同，受力后变形均匀，抵抗变形能力强，且散热性能和密封性能得到改善，提高了螺杆钻具的工作效率和使用寿命，对于等壁厚定子壳体表面的连续内螺旋曲面，国外采用切削、热轧制螺旋钢管等方法进行加工，但存在加工成本较高、加工精度较低等缺点。国内采用二次浇铸和无瞬心包络镗削等方法加工连续内螺旋曲面，解决了加工成本问题，但依然存在加工效率低、加工精度低、刚度差等缺点。
随着高温深井作业工况增多，橡胶承受高温和挤压的能力有限，限制了螺杆钻具的使用条件。因此，研究加工工艺简单、加工成本较低、工作效率高及使用寿命长的金属螺杆钻具具有重要的工程应用价值。
发明内容
本发明的目的是为了解决常规螺杆钻具定子工作效率低、使用寿命短，以及等壁厚螺杆钻具定子加工难度大且成本高的难题，特提供等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体內压复合成形加工方法。
本加工方法采用的技术思路是：由于外高压成形使管件向内收缩，从而使壁厚增加，不会出现壁厚减薄严重和破裂现象，但等壁厚金属定子衬套属于大长径比管件，外高压成形后不利于模具拆卸，甚至会破坏管件成形质量；而内高压成形方法有利于模具拆卸，但等壁厚金属衬套为螺旋形曲面结构，不利于进行轴向进给补料作用，使得成形管件出现壁厚严重减薄甚至破裂现象。
依据上述技术思路，本发明解决此技术问题所采用的技术方案是：等壁厚金属定子衬套螺杆马达是由定子壳体、粘结夹层、等壁厚金属定子衬套和转子组成；定子壳体为内壁光环的直管，在定子壳体内壁与等壁厚金属定子衬套外壁之间硫化一层橡胶作为粘结夹层，粘结夹层起连接与支撑作用，转子安装在等壁厚金属定子衬套内孔中；等壁厚金属定子衬套内外表面为左旋螺旋曲面的结构；所述等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体內压复合成形加工方法的特征在于：机械外挤与流体內压复合成形设备主要由定子成形模具、支架、密封推头、压力液流道和液压泵组成；定子成形模具安装在外部设备上，将管件放置于定子成形模具内腔中，用支架和密封推头将管件固定；通过液压泵向压力液流道注入低压液体排气，并保持管件内腔压力在5～20MPa以内，再由外部设备推动定子成形模具向内挤压管件直到完成合模；合模之后通过压力液流道注入高压液体，高压液体使管件胀大变形，定子成形模具内壁与管件外壁间的多余气体由排气孔排出，最后，管件胀形至外壁与定子成形模具内壁紧密贴合，形成等壁厚金属定子衬套；打开定子成形模具，拆下密封推头和支架即可取出等壁厚金属衬套；在等壁厚金属定子衬套外部安装定子壳体，向定子壳体内壁与等壁厚金属定子衬套外壁之间的间隙内注入橡胶形成粘结夹层，注胶完成后，将转子安装在等壁厚金属定子衬套内孔中，与等壁厚金属衬套配合形成密封腔。
定子成形模具数量由等壁厚金属定子衬套头数决定，本发明所述的等壁厚金属定子衬套螺杆马达定子头数为六头，因此定子成形模具由六瓣等尺寸部件组成，通过六瓣定子成形模具对管件的挤压作用来提供材料补偿，且便于拆卸定子成形模具，方便取出成形后的等壁厚金属定子衬套。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：(1)等壁厚金属定子衬套螺杆马达采用机械外挤与流体內压复合成形加工方法，避免了外高压成形难以拆卸模具的缺点；改善了内高压成形中螺旋形模具材料补偿难，导致成形管件壁厚减薄严重甚至破裂的缺陷；提高了金属螺杆钻具马达的机械强度和加工精度，同时还降低了大长径比定子内腔螺旋曲面的加工难度和加工成本；(2)等壁厚金属定子衬套螺杆马达采用等壁厚金属定子衬套与金属转子相配合，避免了橡胶工作中的热老化现象，提高了螺杆钻具的耐高温能力，增加了螺杆钻具的使用寿命；(3)定子壳体和等壁厚金属定子衬套之间靠橡胶形成粘结夹层，粘结夹层在螺杆钻具马达工作过程中起到缓冲转子离心力的作用，从而延长了金属螺杆钻具马达的使用寿命。
附图说明
图1是本发明等壁厚金属定子衬套螺杆马达的截面结构示意图；
图2是本发明等壁厚金属定子衬套螺杆马达定子的三维结构示意图；
图3是本发明等壁厚金属定子衬套螺杆马达加工方法的合模前示意图，剖面图表示定子成形模具与管件刚接触时的状态；
图4是本发明等壁厚金属定子衬套螺杆马达加工方法的合模示意图，剖面图表示定子成形模具完全合模状态；
图中：1.定子壳体，2.粘结夹层，3.等壁厚金属定子衬套，4.转子，5.密封推头，6.密封推头流道，7.支架，8.定子成形模具，9.管件，10.排气孔，11.压力液流道，12、液压泵。
具体实施方式
等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体內压复合成形加工方法，所述等壁厚金属定子衬套螺杆马达是由定子壳体1、粘结夹层2、等壁厚金属定子衬套3和转子4组成；定子壳体1为内壁光滑的直管，在定子壳体1内壁与等壁厚金属定子衬套3外壁之间硫化一层橡胶作为粘结夹层2，粘结夹层2起连接与支撑作用，转子4安装在等壁厚金属定子衬套3内孔中；等壁厚金属定子衬套3内外表面为左旋螺旋曲面的结构；所述等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体內压复合成形加工方法的特征在于：机械外挤与流体內压复合成形设备主要由定子成形模具8、支架7、密封推头5、压力液流道11和液压泵12组成；定子成形模具8安装在外部设备上，将管件9放置于定子成形模具8内腔中，用支架7和密封推头5将管件9固定；通过液压泵12向压力液流道11注入低压液体排气，并保持管件9内腔压力在5～20MPa以内，再由外部设备推动定子成形模具8向内挤压管件9直到完成合模；合模之后通过压力液流道11注入高压液体，高压液体使管件9胀大变形，定子成形模具8内壁与管件9外壁间的多余气体由排气孔10排出，最后，管件9胀形至外壁与定子成形模具8内壁紧密贴合，形成等壁厚金属定子衬套3；打开定子成形模具8，拆下密封推头5和支架7即可取出等壁厚金属定子衬套3；在等壁厚金属定子衬套3外部安装定子壳体1，向定子壳体1内壁与等壁厚金属定子衬套3外壁之间的间隙内注入橡胶形成粘结夹层2，注胶完成后，将转子4安装在等壁厚金属定子衬套3内孔中，与等壁厚金属定子衬套3配合形成密封腔。
定子成形模具8数量由等壁厚金属定子衬套3头数决定，本发明所述的等壁厚金属定子衬套螺杆马达定子头数为六头，因此定子成形模具8由六瓣等尺寸部件组成，通过六瓣定子成形模具8对管件9的挤压作用来提供材料补偿，且便于拆卸定子成形模具8，方便取出成形后的等壁厚金属定子衬套3。
本发明等壁厚金属定子衬套螺杆马达的等壁厚金属定子衬套内腔与转子直接配合，避免了橡胶衬套热老化现象，提高了螺杆钻具马达的耐高温性能和使用寿命，而且采用机械外挤与流体內压复合成形加工方法加工的金属螺杆钻具马达，能提高螺杆钻具马达的机械强度和加工精度，同时还降低了大长径比定子内腔螺旋曲面的加工难度和加工成本。
Claims (2)
1.等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体内压复合成形加工方法，所述等壁厚金属定子衬套螺杆马达是由定子壳体(1)、粘结夹层(2)、等壁厚金属定子衬套(3)和转子(4)组成；定子壳体(1)为内壁光滑的直管，在定子壳体(1)内壁与等壁厚金属定子衬套(3)外壁之间硫化一层橡胶作为粘结夹层(2)，粘结夹层(2)起连接与支撑作用，转子(4)安装在等壁厚金属定子衬套(3)内孔中；等壁厚金属定子衬套(3)内外表面为左旋螺旋曲面的结构；所述等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体内压复合成形加工方法的特征在于：机械外挤与流体内压复合成形设备主要由定子成形模具(8)、支架(7)、密封推头(5)、压力液流道(11)和液压泵(12)组成；定子成形模具(8)安装在外部设备上，将管件(9)放置于定子成形模具(8)内腔中，用支架(7)和密封推头(5)将管件(9)固定；通过液压泵(12)向压力液流道(11)注入低压液体排气，并保持管件(9)内腔压力在5～20MPa以内，再由外部设备推动定子成形模具(8)向内挤压管件(9)直到完成合模；合模之后通过压力液流道(11)注入高压液体，高压液体使管件(9)胀大变形，定子成形模具(8)内壁与管件(9)外壁间的多余气体由排气孔(10)排出，最后，管件(9)胀形至外壁与定子成形模具(8)内壁紧密贴合，形成等壁厚金属定子衬套(3)；打开定子成形模具(8)，拆下密封推头(5)和支架(7)即可取出等壁厚金属定子衬套(3)；在等壁厚金属定子衬套(3)外部安装定子壳体(1)，向定子壳体(1)内壁与等壁厚金属定子衬套(3)外壁之间的间隙内注入橡胶形成粘结夹层(2)，注胶完成后，将转子(4)安装在等壁厚金属定子衬套(3)内孔中，与等壁厚金属定子衬套(3)配合形成密封腔。
2.根据权利要求1所述的等壁厚金属定子衬套机械外挤与流体内压复合成形加工方法，其特征在于：定子成形模具(8)数量由等壁厚金属定子衬套(3)头数决定，所述的等壁厚金属定子衬套螺杆马达定子头数为六头，因此定子成形模具(8)由六瓣部件组成，通过六瓣定子成形模具(8)对管件(9)的挤压作用来提供材料补偿，且便于拆卸定子成形模具(8)，方便取出成形后的等壁厚金属定子衬套(3)。
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