提高高壓活動彎頭體使用壽命的工藝途徑
發(fā)布時間：2019/02/15 點擊量：
1.引言
高壓活動彎頭是油田水泥車、壓裂車、各種高壓管匯、管線及其他高壓設(shè)備上的重要配件。可用來輸送油、水、壓裂液及混合液體。最大工作壓力為 ，因此要求工件具有良好的機械性能。油田上目前使用的高壓活動彎頭分為進口和國產(chǎn)兩種，進口高壓活動彎頭使用壽命長，但價格昂貴。國產(chǎn)高壓活動彎頭大多采用鍛壓件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后精加工成型，成本較低，但使用壽命較短。目前國內(nèi)生產(chǎn)的彎頭多采用增加壁厚來提高使用壽命，但增加壁厚不僅增加了材料成本，還因為重量增加給操作帶來不便。因此，為了延長高壓活動彎頭使用壽命，必須采取有效工藝措施提高工件綜合機械性能。
2.工件結(jié)構(gòu)及破壞原因
高壓活動彎頭體材料為35CrMo，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 工件結(jié)構(gòu)
從彎頭體結(jié)構(gòu)設(shè)計上可以看出，彎頭體采用的是弧線形設(shè)計，目的是緩解高壓流體的沖擊。彎頭體兩端與兩個彎接頭之間分別用滾珠連接到一起。滾珠既可限制二者之間的軸向移動，又可使二者之間相對旋轉(zhuǎn)。Φ密封止口用于放置U型密封圈，彎頭體與彎接頭之間的密封方式為端面密封。使用時，通過旋轉(zhuǎn)彎接頭可以調(diào)整輸送管線之間的相對位置以滿足使用要求。目前，彎頭體采用的成型工藝為：鍛造—正火—鉆孔—煨彎—調(diào)質(zhì)—機加工。由于工件采用的熱處理工藝為整體調(diào)質(zhì)，綜合機械性能較好，硬度HRC38-42，加工性能良好。彎頭體損壞一般有兩種方式：一種是從R165內(nèi)園弧處磨損斷裂。據(jù)現(xiàn)場技術(shù)分析，工件在工作中輸送混合液時，混合液中的粒狀物在高壓下對工件內(nèi)壁沖刷，而工件內(nèi)壁硬度偏低、耐磨性差，導致R165內(nèi)園弧成為工件的薄弱環(huán)節(jié)。另一種是滾道槽內(nèi)表面硬度低，精度也不能滿足使用要求，導致滾道槽磨損嚴重使得彎頭體轉(zhuǎn)動不靈活或出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。
3.工藝措施
針對上述情況，改善現(xiàn)有工藝，提高工件內(nèi)表面的硬度、耐磨性以及工件加工精度是提高工件使用壽命的重要途徑。
3.1成型工藝的改進
原工藝設(shè)計無論是選材還是工藝流程基本是合理的，只是不能滿足工件高耐磨性的要求，這也是工件使用壽命相對較短的根本因素。如將熱處理工藝改為整體淬火，耐磨性將會明顯增強，但工件的綜合機械性能尤其是抗沖擊性能則會下降，工件的損壞方式將會改變，仍然不會提高工件的使用壽命。高頻淬火是一種提高工件表面硬度的熱處理方法，如果將彎頭體整體調(diào)質(zhì)后對其內(nèi)表面進行高頻淬火，則既能保證工件的綜合機械性能，又能使工件內(nèi)表面的硬度明顯提高。因此，將原有工藝做如下改進：鍛造—正火—鉆孔—煨彎—整體調(diào)質(zhì)—車削—內(nèi)表面高頻淬火—磨削滾道槽。
改進后的工藝除保留原有工藝的特點，即工件的綜合機械性能外，對工件的內(nèi)表面進行了高頻淬火。高頻淬火后的內(nèi)表面硬度達到HRC50—55。淬硬層深度3mm左右，硬度及耐磨性明顯增強。但滾道槽硬度提高后給車削加工帶來不便，所以將高頻淬火后的滾道槽用磨削加工來保證，這樣不僅可以滿足工件使用性能的要求，還使?jié)L道槽的表面粗糙度由原來的Ra值降低到，使工件的精度明顯提高。
由于工件結(jié)構(gòu)的特殊性，磨削時定位基準的選擇是至關(guān)重要的。如果用Φ110外圓軸線及端面作為定位基準，不僅會給加工時的裝夾帶來不便，還會由于定位基準與加工基準不重合而使累積誤差增大。因此，設(shè)計磨床夾具時，在考慮裝夾便利的前提下，在彎頭體端面處設(shè)計一工藝止口，工藝止口的軸線與滾道槽的軸線設(shè)計為同一加工基準。如圖2所示。這樣，工藝止口的大小既不會影響到彎頭體與彎接頭的連接，也不會影響到彎頭體的強度。用工藝止口外端面及軸線作為定位基準，即可滿足滾道槽的磨削加工。
圖2 工藝設(shè)計示圖
3.2磨削材料的選擇
高壓活動彎頭體滾道槽經(jīng)高頻淬火后硬度及耐磨性明顯提高但在磨削過程中如果磨輪材料選擇不當將會出現(xiàn)磨削燒損和龜裂現(xiàn)象所以磨削材料的選擇十分關(guān)鍵。
立方氮化硼（CBN）是最硬的切削材料之一，與金剛石相比，CBN有以下優(yōu)點：
第一，具有優(yōu)越的紅硬性。在較高的溫度時（1200℃），仍能保持良好硬度；第二，金剛石與鋼料接觸時容易產(chǎn)生石墨化，的機械強度比金剛石高兩倍關(guān)鍵是CBN晶體具有特別優(yōu)異的切削刃，工作時產(chǎn)生的熱量較少。對減少滾道槽表面的燒傷及龜裂現(xiàn)象有利。為了使磨輪有較高的壽命，應合理選擇切削用量。CBN磨輪的正常切削速度為40m/s，進給速率為500-1200mm/min，進刀深度可隨機選擇。一般情況下，決定磨削用量的因素主要是熱處理變形以及工件的最終精度。
4.小結(jié)
綜上所述，決定彎頭體使用壽命的主要因素是彎頭體的材質(zhì)及熱處理后的機械性能。調(diào)質(zhì)處理可滿足工件的抗沖擊等綜合機械性能，工件內(nèi)表面的高頻淬火可以滿足工件的高硬度、高耐磨性。而決定工件精度的最主要因素是磨輪、工件和機床夾具組成的整個系統(tǒng)的總剛度。滿足了上述要求即可使工件的使用壽命明顯提高。
高壓活動彎頭是油田水泥車、壓裂車、各種高壓管匯、管線及其他高壓設(shè)備上的重要配件。可用來輸送油、水、壓裂液及混合液體。最大工作壓力為 ，因此要求工件具有良好的機械性能。油田上目前使用的高壓活動彎頭分為進口和國產(chǎn)兩種，進口高壓活動彎頭使用壽命長，但價格昂貴。國產(chǎn)高壓活動彎頭大多采用鍛壓件經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后精加工成型，成本較低，但使用壽命較短。目前國內(nèi)生產(chǎn)的彎頭多采用增加壁厚來提高使用壽命，但增加壁厚不僅增加了材料成本，還因為重量增加給操作帶來不便。因此，為了延長高壓活動彎頭使用壽命，必須采取有效工藝措施提高工件綜合機械性能。
2.工件結(jié)構(gòu)及破壞原因
高壓活動彎頭體材料為35CrMo，結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 工件結(jié)構(gòu)
從彎頭體結(jié)構(gòu)設(shè)計上可以看出，彎頭體采用的是弧線形設(shè)計，目的是緩解高壓流體的沖擊。彎頭體兩端與兩個彎接頭之間分別用滾珠連接到一起。滾珠既可限制二者之間的軸向移動，又可使二者之間相對旋轉(zhuǎn)。Φ密封止口用于放置U型密封圈，彎頭體與彎接頭之間的密封方式為端面密封。使用時，通過旋轉(zhuǎn)彎接頭可以調(diào)整輸送管線之間的相對位置以滿足使用要求。目前，彎頭體采用的成型工藝為：鍛造—正火—鉆孔—煨彎—調(diào)質(zhì)—機加工。由于工件采用的熱處理工藝為整體調(diào)質(zhì)，綜合機械性能較好，硬度HRC38-42，加工性能良好。彎頭體損壞一般有兩種方式：一種是從R165內(nèi)園弧處磨損斷裂。據(jù)現(xiàn)場技術(shù)分析，工件在工作中輸送混合液時，混合液中的粒狀物在高壓下對工件內(nèi)壁沖刷，而工件內(nèi)壁硬度偏低、耐磨性差，導致R165內(nèi)園弧成為工件的薄弱環(huán)節(jié)。另一種是滾道槽內(nèi)表面硬度低，精度也不能滿足使用要求，導致滾道槽磨損嚴重使得彎頭體轉(zhuǎn)動不靈活或出現(xiàn)“卡死”現(xiàn)象。
3.工藝措施
針對上述情況，改善現(xiàn)有工藝，提高工件內(nèi)表面的硬度、耐磨性以及工件加工精度是提高工件使用壽命的重要途徑。
3.1成型工藝的改進
原工藝設(shè)計無論是選材還是工藝流程基本是合理的，只是不能滿足工件高耐磨性的要求，這也是工件使用壽命相對較短的根本因素。如將熱處理工藝改為整體淬火，耐磨性將會明顯增強，但工件的綜合機械性能尤其是抗沖擊性能則會下降，工件的損壞方式將會改變，仍然不會提高工件的使用壽命。高頻淬火是一種提高工件表面硬度的熱處理方法，如果將彎頭體整體調(diào)質(zhì)后對其內(nèi)表面進行高頻淬火，則既能保證工件的綜合機械性能，又能使工件內(nèi)表面的硬度明顯提高。因此，將原有工藝做如下改進：鍛造—正火—鉆孔—煨彎—整體調(diào)質(zhì)—車削—內(nèi)表面高頻淬火—磨削滾道槽。
改進后的工藝除保留原有工藝的特點，即工件的綜合機械性能外，對工件的內(nèi)表面進行了高頻淬火。高頻淬火后的內(nèi)表面硬度達到HRC50—55。淬硬層深度3mm左右，硬度及耐磨性明顯增強。但滾道槽硬度提高后給車削加工帶來不便，所以將高頻淬火后的滾道槽用磨削加工來保證，這樣不僅可以滿足工件使用性能的要求，還使?jié)L道槽的表面粗糙度由原來的Ra值降低到，使工件的精度明顯提高。
由于工件結(jié)構(gòu)的特殊性，磨削時定位基準的選擇是至關(guān)重要的。如果用Φ110外圓軸線及端面作為定位基準，不僅會給加工時的裝夾帶來不便，還會由于定位基準與加工基準不重合而使累積誤差增大。因此，設(shè)計磨床夾具時，在考慮裝夾便利的前提下，在彎頭體端面處設(shè)計一工藝止口，工藝止口的軸線與滾道槽的軸線設(shè)計為同一加工基準。如圖2所示。這樣，工藝止口的大小既不會影響到彎頭體與彎接頭的連接，也不會影響到彎頭體的強度。用工藝止口外端面及軸線作為定位基準，即可滿足滾道槽的磨削加工。
圖2 工藝設(shè)計示圖
3.2磨削材料的選擇
高壓活動彎頭體滾道槽經(jīng)高頻淬火后硬度及耐磨性明顯提高但在磨削過程中如果磨輪材料選擇不當將會出現(xiàn)磨削燒損和龜裂現(xiàn)象所以磨削材料的選擇十分關(guān)鍵。
立方氮化硼（CBN）是最硬的切削材料之一，與金剛石相比，CBN有以下優(yōu)點：
第一，具有優(yōu)越的紅硬性。在較高的溫度時（1200℃），仍能保持良好硬度；第二，金剛石與鋼料接觸時容易產(chǎn)生石墨化，的機械強度比金剛石高兩倍關(guān)鍵是CBN晶體具有特別優(yōu)異的切削刃，工作時產(chǎn)生的熱量較少。對減少滾道槽表面的燒傷及龜裂現(xiàn)象有利。為了使磨輪有較高的壽命，應合理選擇切削用量。CBN磨輪的正常切削速度為40m/s，進給速率為500-1200mm/min，進刀深度可隨機選擇。一般情況下，決定磨削用量的因素主要是熱處理變形以及工件的最終精度。
4.小結(jié)
綜上所述，決定彎頭體使用壽命的主要因素是彎頭體的材質(zhì)及熱處理后的機械性能。調(diào)質(zhì)處理可滿足工件的抗沖擊等綜合機械性能，工件內(nèi)表面的高頻淬火可以滿足工件的高硬度、高耐磨性。而決定工件精度的最主要因素是磨輪、工件和機床夾具組成的整個系統(tǒng)的總剛度。滿足了上述要求即可使工件的使用壽命明顯提高。
