CN110640414B - 定向钻杆的加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定向钻杆的加工方法，包括下料、毛坯件机加工及热处理、焊接、钻杆热处理及机加工、表面处理，所述下料包括公接头下料、钢管下料和母接头下料；所述毛坯件机加工及热处理包括接头锻造、粗车、调质及半精车，钢管机加工及校直；所述焊接为摩擦焊；所述钻杆热处理及机加工包括焊缝回火、车焊疤和数车螺纹；所述表面处理包括磷化及喷漆。本发明简化了定向钻杆加工工艺流程、加工方便、钻杆使用寿命长、安全可靠，该加工方法无需镦粗设备、无整体调质、校直、探伤、整体加工两端螺纹等工序，且特殊设备投入少、钻杆加工快捷、产品质量稳定可靠，解决了钻杆加工周期长、生产成本高、质量问题频发等疑难技术缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及矿用钻具加工技术领域，具体涉及一种定向钻杆的加工方法。
背景技术
定向钻杆组件是煤矿钻探设备中最重要的钻进工具之一，其质量优劣直接取决于定向钻杆的加工工艺。定向钻杆组件关键件即定向钻杆一直外购，钢管下料后采用镦管机对钢管分2-3次感应加热后镦粗、探伤、整体调质、再次探伤、整体校直及数车螺纹完成定向钻杆的加工。
该工艺路线因镦粗时间较长、加热时间难以掌握，加热温度不便控制，且加热过程中杂质增加，这些都直接影响定向钻杆镦粗质量，尤其是杂质的增加，使其在镦粗的过程中极易发生管体变形及开裂，有时会出现壁厚不均、偏心、褶皱等缺陷，镦粗质量难以保证，时常发生退货现象。整体调质使用井式淬火炉淬火，热处理介质选择不合理会直接影响钻杆硬度及加工进度计划，且整体调质质量不宜控制。
原工艺路线有如下缺陷：
(1)定向钻杆外购，加工周期较长，管理难度大。
(2)生产成本偏高。
(3)加工效率低下。
(4)产品质量不稳。
因此，为解决以上问题，需要一种新的定向钻杆加工方法，简化加工流程并且加工方便、钻杆使用寿命长、安全可靠，该加工方法无需镦粗设备、无整体调质、校直、探伤、整体加工两端螺纹工序，更重要的是特殊设备投入少、钻杆加工方便、可靠性较高，解决了定向钻杆加工周期长、生产成本高、质量问题频发等疑难技术缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术的不足，提供新的定向钻杆加工方法，发明一种加工方便、钻杆使用寿命长、安全可靠的摩擦焊接型定向钻杆加工工艺。该加工方法无需镦粗设备、无整体调质、校直、探伤、整体加工两端螺纹工序且特殊设备投入少、钻杆加工方便、可靠性较高，解决了钻杆加工周期长、生产成本高、质量问题频发等技术缺陷，并且具备以下优点：减少了现有外协加工镦粗及加热设备投入，减轻了工人劳动强度，提高了管体的成形效率，一次摩擦焊接即可达到设计强度，加工周期缩短，工艺路线简便。留有数车加工总长余量，为后续数车母接头，保证定向钻杆总长提供了可靠保障；回火工序简单宜行，通过设定合理的回火参数即可对摩擦焊接焊缝消除焊接内应力，稳定了产品质量；精车内外焊疤将摩擦焊接产生的焊环去除，为后续正常装配提供保障，提高了钻杆美观度；数车母接头工序保证了钻杆总长要求，加工内孔、挡圈槽及螺纹，保证了螺纹精度、同轴度及粗糙度要求，为后续水压试验提供了可靠保证，降低了生产成本及产品质量事故率；磷化工序，采用中温或高温磷化钻杆螺纹，避免使用出现螺纹磨损、毛刺、咬扣等现象，提高了定向钻杆整体使用寿命。
本发明的定向钻杆的加工方法，包括下料、毛坯件机加工及热处理、焊接、钻杆热处理及机加工、表面处理，所述下料包括公接头下料、钢管下料和母接头下料；所述毛坯件机加工及热处理包括接头锻造、粗车、调质及半精车，钢管机加工及校直；所述焊接为摩擦焊；所述钻杆热处理及机加工包括焊缝回火、车焊疤和数车螺纹；所述表面处理包括磷化及喷漆。
具体包括以下步骤：
b.下料：
a1.公接头下料，通过锯床对圆钢下料达工艺设计尺寸，并预留锻造、车削及摩擦焊余量；
a2.钢管下料，通过锯床对无缝调质钢管下料达工艺设计尺寸，并预留车削及摩擦焊余量；
a3.母接头下料，通过锯床对圆钢下料达工艺设计尺寸，并预留锻造、车削及摩擦焊余量；
b.毛坯件机加工及热处理：
b1.将公接头根据设计尺寸依次进行：锻造，使用相应模具将所述a1的下料精锻出指定的设计形状；粗车，根据粗车图纸设计要求对锻造毛坯件进行车削并达到设计要求；调质，所述a1下料的材料牌号为某合金结构钢，采用井式炉先淬火后回火处理，淬火温度820℃-880℃，介质为油淬,回火温度580℃-620℃；半精车，使用车床完成公接头的外形尺寸加工，预留精车余量，为数控加工公扣螺纹留下余量空间；数车，采用数控车床精车公接头外螺纹并达到图纸设计要求；
b2.将钢管根据设计尺寸依次进行：车端面，使用车床将钢管两端面车光车平，并且达到设计的表面粗糙度及垂直度要求；校直，通过液压力机校直，采用压力机进行点式校直，达到设计的直线度要求；
b3.将母接头根据设计尺寸依次进行：锻造，使用相应模具将所述a3的下料精锻出指定的设计形状；粗车，根据粗车图纸设计要求对锻造毛坯件进行车削并达到设计要求；调质，所述a3下料的材料牌号为某合金结构钢，采用井式炉先淬火后回火处理，淬火温度820℃-880℃，介质为油淬,回火温度580℃-620℃；半精车，使用车床完成母接头的外形尺寸加工，预留精车余量，为数控加工母扣螺纹留下余量空间；
c.焊接：使用C63A摩擦焊机将公接头、钢管及母接头焊接成整体，焊缝焊接温度为1070℃-1085℃，单头焊缝缩短量为10mm，钻杆直线度公差≦0.50mm/m；
d.钻杆整体热处理及机加工：
d1.钻杆整体进行回火处理，回火温度在600-620℃之间，直流电压420±20V，加热时间为35s，加热长度20mm；
d2.数车，钻杆总长及内螺纹加工，车削钻杆端面，保证总长尺寸，同时使用定制螺纹成形刀片加工内螺纹，最后加工配合孔及挡圈槽达尺寸；
e.表面处理：
e1.磷化，将钻杆先除油、除锈后整体浸入磷化液(由Fe(H2PO4)2、Mn(H2PO4)2、Zn(H2PO4)2组成的酸性稀水溶液，PH值为1.8-2.2，溶液相对密度为1.08-1.30)对螺纹进行中温(50℃-75℃)磷化处理；
e2.喷漆，对钻杆外表面需要防锈的部分进行喷漆处理；
f.加工完成，钻杆外管入库待装。
进一步，所述步骤b1中公接头锻造毛坯件经过调质处理之后进行硬度检测及金相分析，采用的检测设备为洛氏硬度计及金相分析仪。
进一步，所述步骤b3中母接头锻造毛坯件经过调质处理之后进行硬度检测及金相分析，采用的检测设备为洛氏硬度计及金相分析仪。
进一步，所述步骤d1中，经过回火处理之后的钻杆进行精车加工去除焊接留下的内外疤痕及毛刺。
进一步，对焊接后的钻杆进行检测，其检测方法包括：用扭矩检测设备对焊接后的Ф70定向钻杆进行抗扭能力检测，要求破坏扭矩＞12000N.m；同时对焊接后的钻杆进行拉伸试验，要求试样拉伸屈服强度≥850MPa；冲击试验，要求试样平均值AKv2≥16.3J及超声波无损探伤。
进一步，所述步骤d2中的钻杆内螺纹加工完成后，用锥度塞规、螺纹塞规检测其锥度、螺距、紧密距和牙形角并达到设计要求：螺纹螺距平均值误差为±0.025mm，螺纹全长误差公差值不大于0.1mm。
本发明的有益效果是：本发明公开的一种定向钻杆的加工方法与传统的加工方法相比具有以下优点：
1)本工艺采用摩擦焊接公母接头，相比镦粗工艺简单宜行，接头质量得到可靠保证，灵活性及适应性大大增强，简化了加工工艺，降低了加工设备要求，避免了因镦粗壁厚不均、褶皱、偏心、夹渣等质量缺陷。
2)本工艺中车削两端螺纹采用数控车床车制螺纹，螺纹螺距平均值误差为±0.025mm，小于公差值要求，在螺纹全长内的误差也低于公差值0.1mm，紧密距易控制，精度高，螺纹表面粗糙度也达到国家标准。
3)本工艺采用井式炉作为淬火工序中的加热设备，加热速度快，不会出现内冷外热、冷热不均的现象，有效控制了加热时间和杂质的增加，极大的提高了效率及质量。
4)例如
定向钻杆外管摩擦焊缝综合力学性能试验结果整体优良：拉伸试验，屈服强度≥850MPa；冲击试验，试样平均值AKv2≥16.3J；扭矩试验，静扭强度≥12000N.m。
5)螺纹磷化处理后钻杆螺纹旋合寿命≥500次。
6)缩减了加工周期，定向钻杆加工效率提升40％以上。
7)降低了定向钻杆加工成本35％以上。
8)提高了产品质量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的定向钻杆结构示意图；
图2为图1的工艺流程图。
其中：1.第一O形密封圈；2.弹簧连接座；3.第二O形密封圈；4.电缆连接头；5.调整垫；6.支撑环；7.挡圈；8.第三O形密封圈；9.护芯管；10.电缆芯棒；11.三翼支撑；12.弹簧固定座；13.弹簧；14.电缆连接座；15.定向钻杆
具体实施方式
图1为本发明的定向钻杆结构示意图，图2为图1的工艺流程图，如图所示，本实施例中的定向钻杆的加工方法包括下料、毛坯件机加工及热处理、焊接、钻杆焊缝热处理及机加工、表面处理，所述下料包括公接头下料、钢管下料和母接头下料；所述毛坯件机加工及热处理包括锻造、车削和调质；所述焊接为摩擦焊；所述钻杆焊缝热处理及机加工包括回火和数车；所述表面处理包括磷化及喷漆；
具体包括以下步骤：
c.下料：
a1.公接头下料，通过锯床对圆钢下料达设计尺寸，并预留锻造、车削及摩擦焊余量；
a2.钢管下料，通过锯床对无缝调质钢管下料达设计尺寸，并预留车削及摩擦焊余量，对下料的钢管进行化学及力学性能检测；
a3.母接头下料，通过锯床对圆钢下料达设计尺寸，并预留锻造、车削及摩擦焊余量；
b.毛坯件机加工及热处理：
b1.将公接头根据设计尺寸依次进行：锻造，使用相应模具将所述a1的下料精锻出指定的设计形状，使其钻杆公接头组织结构更精密，综合力学性能更好；粗车，根据粗车图纸设计要求对锻造毛坯件进行车削并达到设计要求；调质，所述a1下料的材料牌号为某合金结构钢，采用井式炉先淬火后回火处理，淬火温度820℃-880℃，介质为油淬,回火温度580℃-620℃，通过热处理提高公接头的硬度及金相组织，其中淬火采用井式炉加热，加热快，不会出现内冷外热、冷热不均的现象，有效控制了加热时间和杂质的增加，提高了加工效率，改善钻杆整体的力学性能，使其具有较强的硬度和良好的塑性、韧性；半精车，使用车床完成公接头的外形尺寸加工，预留精车余量，为数控加工公扣螺纹留下空间，便于下一工序的加工；数车，采用数控车床精车公接头外螺纹并达到图纸设计要求，采用数控车床，提高了加工精度，使用定制的螺纹成形刀片加工螺纹，并用锥度环规、螺纹环规检测其锥度、螺距、紧密距和牙形角以满足高精度的加工要求；
b2.将钢管根据设计尺寸依次进行：车端面，使用车床将钢管两端面车光车平，并且达到设计的表面粗糙度及垂直度要求；校直，通过液压力机校直，采用压力机进行点式校直，达到设计的直线度要求，因钢管为调质管，直线度较差，通过液压力机校直。采用压力机进行点式校直，保证摩擦焊接的直线度要求，减小摩擦焊接错位，提高钻杆直线度及同轴度要求；
b3.将母接头根据设计尺寸依次进行：锻造，使用相应模具将所述a3的下料精锻出指定的设计形状，使其钻杆母接头组织结构更精密，综合力学性能更好；粗车，根据粗车图纸设计要求对锻造毛坯件进行车削并达到设计要求；调质，所述a3下料的材料牌号为某合金结构钢，采用井式炉先淬火后回火处理，淬火温度820℃-880℃，介质为油淬,回火温度580℃-620℃，通过热处理提高母接头的硬度及金相组织，其中淬火可采用井式炉加热，加热速度快，不会出现内冷外热、冷热不均的现象，有效控制了加热时间和杂质的增加，提高了加工效率，改善钻杆整体的力学性能，使其具有较强的硬度和良好的塑性、韧性；半精车，使用车床完成母接头的外形尺寸加工，预留精车余量，为数控加工母扣螺纹留下余量空间；
c.焊接：使用C63A摩擦焊机将公接头、钢管及母接头焊接为一整体，焊缝焊接温度为1070℃-1085℃，单头焊缝缩短量为10mm，钻杆直线度公差≦0.50mm/m，该工序方便快捷、效率及焊接强度较高；
d.钻杆整体热处理及机加工：
d1.钻杆焊缝进行回火处理，回火温度在600-620℃之间，直流电压420±20V，加热时间为35s，加热长度20mm，钻杆焊接后会产生焊接内应力，通过回火将钻杆焊缝内应力消除，维持钻杆内应力平衡，消除条状分布的马氏体，获得均匀的回火索氏体组织，具有良好的韧性和塑性，保证了钻杆焊缝金相组织的稳定性；
d2.数车，钻杆总长及内螺纹加工，使用定制的螺纹成形刀片加工出内螺纹，并用锥度塞规、螺纹塞规检测其锥度、螺距、紧密距和牙形角，最后加工配合孔及挡圈槽达尺寸；
e.表面处理：
e1.磷化，将钻杆先除油、除锈后整体浸入磷化液(由Fe(H2PO4)2、Mn(H2PO4)2、Zn(H2PO4)2组成的酸性稀水溶液，PH值为1.8-2.2，溶液相对密度为1.08-1.30)对螺纹进行中温(50℃-75℃)磷化处理，避免钻杆出现螺纹磨损、毛刺、咬扣现象发生，螺纹整体使用寿命、强度及耐磨性也大大提高；
e2.喷漆，对钻杆外表面需要防锈的部分进行喷漆处理，提高钻杆整体美观程度，装饰性和防锈能力，防止管体生锈；
f.加工完成，钻杆外管入库待装。
本实施例中，所述步骤b1中锻造公接头毛坯件经过调质处理之后进行硬度检测及金相分析，采用的检测设备为洛氏硬度计及金相分析仪，使用洛氏硬度检测硬度操作简单，测量迅速，可从百分表或光学投影屏或显示屏上直接读数，其使用方法简单在此不再赘述；现有技术中的金相分析仪已经进入全自动化的模式，从金相前处理的全自动切割、全自动研磨、全自动抛光、自动镶嵌机，自动镶嵌机还分为冷镶嵌和热镶嵌和最关键的金相自动分析软件，大大减少了人为因素造成的误差和提高了金相制样的标准度精确度，作为现有技术为本发明服务，在此不再赘述。
本实施例中，所述步骤b3中锻造母接头毛坯件经过调质处理之后进行硬度检测及金相分析，采用的检测设备为洛氏硬度计及金相分析仪，使用洛氏硬度检测硬度操作简单，测量迅速，可从百分表或光学投影屏或显示屏上直接读数，其使用方法简单在此不再赘述；现有技术中的金相分析仪已经进入全自动化的模式，从金相前处理的全自动切割、全自动研磨、全自动抛光、自动镶嵌机，自动镶嵌机还分为冷镶嵌和热镶嵌和最关键的金相自动分析软件，大大减少了人为因素造成的误差和提高了金相制样的标准度精确度，作为现有技术为本发明服务，在此不再赘述。
本实施例中，所述步骤d1中，经过回火处理之后的钻杆进行精车加工去除焊接留下的内外疤痕及毛刺，将钻杆内外焊疤精加工去除，以便装配钻杆内部零件，提高钻杆外管的美观。
本实施例中，对焊接后的钻杆进行检测，其检测方法包括：用扭矩检测设备对焊接后的Ф70定向钻杆进行抗扭能力检测，要求破坏扭矩＞12000N.m；同时对焊接后的焊缝试样进行拉伸试验，要求拉伸屈服强度≥850MPa；冲击试验，要求试样平均值AKv2≥16.3J及超声波无损探伤。
本实施例中，所述步骤d2中的钻杆内螺纹加工完成后，用锥度塞规、螺纹塞规检测其锥度、螺距、紧密距和牙形角并达到设计要求：螺纹螺距平均值误差为±0.025mm，螺纹全长误差公差值不大于0.1mm，紧密距易控制，精度高，螺纹表面粗糙度也达到国家标准。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种定向钻杆的加工方法，其特征在于：包括下料、毛坯件机加工及热处理、焊接、钻杆热处理及机加工、表面处理，所述下料包括公接头下料、钢管下料和母接头下料；所述毛坯件机加工及热处理包括接头锻造、粗车、调质及半精车，钢管机加工及校直；所述焊接为摩擦焊；所述钻杆热处理及机加工包括焊缝回火、车焊疤和数车螺纹；所述表面处理包括磷化及喷漆,
具体包括以下步骤：
下料：
a1.公接头下料，通过锯床对圆钢下料达工艺尺寸，并预留锻造、车削及摩擦焊余量；
a2.钢管下料，通过锯床对无缝调质钢管下料达工艺尺寸，并预留车削及摩擦焊余量；
a3.母接头下料，通过锯床对圆钢下料达工艺尺寸，并预留锻造、车削及摩擦焊余量；
b．毛坯件机加工及热处理：
b1.将公接头根据设计尺寸依次进行：锻造，使用相应模具将所述a1的下料精锻出指定的尺寸形状；粗车，根据粗车图纸要求对锻造毛坯件进行车削并达到工艺设计要求；调质，所述a1下料的材料牌号为某合金结构钢，先淬火后回火处理，淬火温度820℃-880℃，介质为油淬,回火温度580℃-620℃；半精车，使用车床完成公接头的外形尺寸加工，预留精车余量，为数控加工公扣螺纹留下余量空间；数车，采用数控车床精车公接头外螺纹并达到图纸设计要求；
b2.将钢管根据设计尺寸依次进行：车端面，使用车床将钢管两端面车光车平，并且达到设计的表面粗糙度及垂直度要求；校直，通过液压力机校直，采用压力机进行点式校直，达到设计的直线度要求；
b3.将母接头根据设计尺寸依次进行：锻造，使用相应模具将所述a3的下料精锻出指定的尺寸形状；粗车，根据粗车图纸设计要求对锻造毛坯件进行车削并达到工艺设计要求；调质，所述a3下料的材料牌号为某合金结构钢，先淬火后回火处理，淬火温度820℃-880℃，介质为油淬,回火温度580℃-620℃；半精车，使用车床完成母接头的外形尺寸加工，预留精车余量，为数控加工母扣螺纹留下余量空间；
c.焊接：使用C63A摩擦焊机将公接头、钢管及母接头焊接为一整体，焊缝焊接温度为1070℃-1085℃，单头焊缝缩短量为10mm，钻杆直线度公差≦0.50mm/m；
d．钻杆整体热处理及机加工：
d1.钻杆整体进行回火处理，回火温度在600-620℃之间，直流电压420±20V，加热时间为35s，加热长度20mm；
d2.数车，钻杆总长及内螺纹加工，车削钻杆端面，保证总长尺寸，同时使用定制螺纹成形刀片加工内螺纹，最后加工配合孔及挡圈槽达尺寸；
e．表面处理：
e1.磷化，将钻杆先除油、除锈后整体浸入磷化液对螺纹进行中温磷化处理；所述磷化液为由Fe(H2PO4)2、 Mn(H2PO4)2、 Zn(H2PO4)2 组成的酸性稀水溶液，PH值为1.8-2.2，溶液相对密度为1.08-1.30，其中中温磷化的温度为50℃-75℃；
e2.喷漆，对钻杆外表面需要防锈的部分进行喷漆处理；
f.加工完成，钻杆外管入库待装。
2.根据权利要求1所述的定向钻杆的加工方法，其特征在于：所述步骤b1中锻造毛坯件经过调质处理之后进行硬度检测及金相分析，采用的检测设备为洛氏硬度计及金相分析仪。
3.根据权利要求1所述的定向钻杆的加工方法，其特征在于：所述步骤b3中锻造毛坯件经过调质处理之后进行硬度检测及金相分析，采用的检测设备为洛氏硬度计及金相分析仪。
4.根据权利要求1所述的定向钻杆的加工方法，其特征在于：所述步骤d1中，经过回火处理之后的钻杆进行精车加工去除焊接留下的内外疤痕及毛刺。
5.根据权利要求1所述的定向钻杆的加工方法，其特征在于：对焊接后的钻杆进行检测，其检测方法包括：用扭矩检测设备对焊接后的Ф70定向钻杆进行抗扭能力检测，要求破坏扭矩＞12000N.m；同时对焊接后的钻杆试样进行拉伸试验，要求试样拉伸屈服强度≥850MPa；冲击试验，要求试样平均值AKv2≥16.3J及钻杆超声波无损探伤。
6.根据权利要求1所述的定向钻杆的加工方法，其特征在于：所述步骤d2中的钻杆内螺纹加工完成后，用锥度塞规、螺纹塞规检测其锥度、螺距、紧密距和牙形角并达设计要求：螺纹螺距平均值误差为±0.025mm，螺纹全长误差公差值不大于0.1mm。
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