CN111872294A - 一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，包括锻模制备和吊卡锻造工序；锻模制备工序包括：选取模具坯料进行球化退火处理，然后按照计算机三维建模设计的模腔尺寸对模具坯料进行粗加工，粗加工后二次淬火处理，最后按照设计的模腔尺寸进行数控铣精加工和滚压；吊卡锻造工序包括：选取吊卡坯料进行预热处理，然后将吊卡坯料送往制备的锻模上，进行锻打成型得到吊卡锻件，取出吊卡锻件后冲孔切边，然后将冲孔切边后的锻件正火处理，最后喷丸强化。通过对石油吊卡锻模和制坯过程进行改进，提高了吊卡锻造效率、成型质量，降低企业生产成本；对锻模和吊卡热处理工艺进行优化，提升了锻模使用寿命和石油吊卡综合性能，降低了能耗。
Description
技术领域
本发明属于石油吊卡制备技术领域，具体地说涉及一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法。
背景技术
吊卡是石油钻采中起升或下降管柱的专用工具，吊卡包括吊卡本体和吊耳,两个吊耳对称固定在吊卡本体两侧,吊卡本体中间设有用于卡住管柱的U形槽,U形槽通常设置较深防止管柱从槽内滑脱造成安全事故，同时需要承重力强，结构简单，使用方便，有利于缩短现场卡接作业的用时，经过长期试验，得到如图1所示的石油吊卡，能很好地满足上述要求，该石油吊卡的U形槽的槽缘凸出设置形成凸缘，凸缘的高度高于吊耳的高度，凸缘到吊耳平滑过渡，由于该石油吊卡为异形结构，为提高其整体的结构强度，可以采用一体冲压成型后锻造，但传统的工艺方法制备的锻模和吊卡使用寿命和生产效率均较低。
因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法。本发明提供如下技术方案：
一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，包括锻模制备和吊卡锻造工序；
所述锻模制备工序包括：选取模具坯料进行球化退火处理，然后按照计算机三维建模设计的模腔尺寸对模具坯料进行粗加工，粗加工后二次淬火处理，最后按照设计的模腔尺寸进行数控铣精加工和滚压；
所述吊卡锻造工序包括：选取吊卡坯料进行预热处理，然后将吊卡坯料送往制备的锻模上，进行锻打成型得到吊卡锻件，取出吊卡锻件后冲孔切边，然后将冲孔切边后的锻件正火处理，最后喷丸强化。
进一步的，所述球化退火处理过程为：放入真空炉中，预加热至640℃-660℃，保温2h-3h后随炉冷却。
进一步的，所述二次淬火处理过程为：放入真空炉中，在800℃-850℃进行一次预热保温4h，在1100℃进行二次预热保温4h，在500℃-550℃回火保温8h。
进一步的，所述正火处理过程为：加热至840℃-860℃后，保温3h-4h后空冷。
进一步的，吊卡坯料进行锻打成型时进行坯料温度控制，吊卡坯料始锻温度控制到1150℃-1200℃，终锻温度控制到900℃。
进一步的，吊卡坯料进行锻打成型时进行锻模温度控制，控制锻模温度处于250℃-350℃之间并保持恒温。
进一步的，吊卡坯料在中频炉内预热，所述中频炉为750kW的中频炉，加热节拍30秒/件。
进一步的，当吊卡坯料预热处理的温度高于预先设置的锻打温度50℃时将吊卡坯料送往压力机的锻模上。
进一步的，所述锻模材质选用H13模具钢，所述锻模制备工序包括制备用于吊卡锻件成型的吊卡模具以及用于冲孔切边的冲孔切边复合模具。
进一步的，所述数控铣精加工过程控制磨削方向与金属流动方向保持一致。
有益效果：
通过分析石油吊卡及其模锻产品质量缺陷和锻模失效原因，对石油吊卡锻模和制坯过程进行改进，提高了石油吊卡锻造效率、成型质量；锻模模腔数控铣提高了锻件外观质量和锻模使用寿命，下料重量由原来的55Kg/件降低到50Kg/件，在保证生产质量的同时节约了材料成本，进而降低企业生产成本；对锻模和吊卡工件热处理工艺进行优化，提升了锻模使用寿命和石油吊卡综合性能，降低了能耗。
附图说明
图1是本发明具体实施例中吊卡结构示意图；
图2是本发明具体实施例中提高石油吊卡锻造加工质量的方法流程示意图；
图3是本发明具体实施例中吊卡模具上模结构示意图；
图4是本发明具体实施例中吊卡模具下模结构示意图；
图5是本发明具体实施例中冲孔切边复合模具结构示意图。
附图中：101.吊耳；102.U形槽；103.凸缘。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
如图1所示，吊卡包括吊卡本体和吊耳101,两个吊耳101对称固定在吊卡本体两侧,吊卡本体中间设有用于卡住管柱的U形槽102,吊卡的U形槽102的槽缘凸出设置形成凸缘103，凸缘103的高度高于吊耳101的高度，凸缘103到吊耳101平滑过渡。
实施例1
如图2所示，一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，包括锻模制备和吊卡锻造工序；
锻模制备工序包括：选取模具坯料进行球化退火处理，然后按照计算机三维建模设计的模腔尺寸对模具坯料进行粗加工，粗加工后二次淬火处理，最后按照设计的模腔尺寸进行数控铣精加工和滚压；对石油吊卡结构进行工艺性修订，确定重要的尺寸及加工余量，结构对称设计，采用过渡圆角与过渡圆锥减小组织应力。通过计算机三维建模，计算上、下模的模腔尺寸及配合间隙，调整锻件分模面的角度，消除分模面的落差，以达到平衡模锻过程中产生的水平错移力的目的，模拟锻模型腔数控编程进行开粗及型腔铣，上下模开粗后再进行数控铣精加工和滚压，保证了模腔表面粗糙度由Ra＝3.2μm降低为Ra＝0.4μm。如图2、3所示，通过自行设计吊卡模具和冲孔切边复合模具，优化制模工艺，在BD76、BD92等锻件产品上应用，均获得了外部加工量控制在5mm的优质毛坯件，提高了锻造效率和锻打成型质量，下料重量由原来的55kg/件降低到50kg/件，降低企业生产成本。
吊卡锻造工序包括：选取吊卡坯料进行预热处理，然后将吊卡坯料送往制备的锻模上，进行锻打成型得到吊卡锻件，取出吊卡锻件后冲孔切边，然后将冲孔切边后的锻件正火处理，最后喷丸强化。坯料选用27SiMn材质
的圆钢，锻打出的石油吊卡利用630吨压力机进行一体式冲孔切边，可以使石油吊卡的机械加工余量降至仅为锻件重量的1.8％左右，不仅有效控制尺寸偏差不产生变形，无微小裂纹，保证了吊卡前后左右尺寸的一致性，还极大节约了材料成本、加工成本。喷丸强化主要通过抛丸机进行清理，能够实现表面消光、去氧化皮的目的。
进一步的，球化退火处理过程为：放入真空炉中，预加热至640℃，保温3h后随炉冷却。使用真空热处理炉进行热处理，并随炉真空状态冷却，以便在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时变形和开裂倾向小。
进一步的，二次淬火处理过程为：放入真空炉中，在800℃进行一次预热保温4h，在1100℃进行二次预热保温4h，在500℃回火保温8h。粗加工后真空炉二次淬火处理，该锻模经淬火-高温回火后，具有很高的强韧性、热疲劳性和抗热龟裂性，同时具有良好的抗氧化性和热稳定性，硬度检测达到HRC48-52。
进一步的，正火处理过程为：加热至840℃后，保温4h后空冷。空冷为在空气中自然冷却，通过箱式炉正火处理后，石油吊卡的使用可靠性、耐久性均获得明显的改善和提高，达到改善耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性的目的，并能够消除锻件残余应力。
进一步的，吊卡坯料进行锻打成型时进行坯料温度控制，吊卡坯料始锻温度控制到1150℃-1200℃，终锻温度控制到900℃。1200℃高温下锻打减少锻件氧化皮、塑性变形和裂纹，控制模锻变形力。坯料在终锻模腔成型时，金属变形抗力小，氧化皮软且能脱离金属表面起润滑作用，从而有利于金属的充填成型。
进一步的，吊卡坯料进行锻打成型时进行锻模温度控制，控制锻模温度处于250℃-350℃之间并保持恒温。通过加热器对锻模上下模进行预热，预热温度达到250℃-350℃之间并保持恒温，以减少金属变形温度损失、便于金属流动和提高锻件质量、锻造效率和锻模使用寿命；锻模结构简单，操作安全可靠。
进一步的，吊卡坯料在中频炉内预热，中频炉为750kW的中频炉，加热节拍30秒/件。中频炉自动加热坯料，加热均匀，芯表温差极小，延长了锻模的使用寿命，生产效率高，氧化少，该加热方式加热均匀，加热速度快，温度可调可控，芯表温差极小，氧化少，避免坯料过烧。
进一步的，当吊卡坯料预热处理的温度高于预先设置的锻打温度50℃时将吊卡坯料送往压力机的锻模上。当坯料烧至较高于锻打温度50℃时，即温度达到1200℃-1250℃时，由中频炉直接传送到自动传料装置上，然后经托辊输送线主动传输到2500吨摩擦压力机上直接进行锻打，一次成型，不仅保证锻造精度，还提高了锻造效率和锻件产品的密实度。
进一步的，锻模材质选用H13模具钢，锻模制备工序包括制备用于吊卡锻件成型的吊卡模具以及用于冲孔切边的冲孔切边复合模具。选用H13模具钢，降低模具制造工序中残余应力的影响，提高模具的使用寿命，获得热硬性和高的耐磨性。制备的吊卡模具如图3和4所示，安装到2500吨摩擦压力机上等待对吊卡坯料进行锻打，而制备的冲孔切边复合模具如图5所示，安装到630吨压力机上等待对锻打后的吊卡进行冲孔切边工艺，两种模具配合两种压力机，将原来的工艺过程进行了简化，两步就能得到形状和性能均较高的石油吊卡，极大的提高了企业的生产效率。
进一步的，数控铣精加工过程控制磨削方向与金属流动方向保持一致。磨削方向与金属流动方向保持一致，以提高锻件外观质量和锻模使用寿命。
实施例2
如图2所示，一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，包括锻模制备和吊卡锻造工序；
锻模制备工序包括：选取模具坯料进行球化退火处理，然后按照计算机三维建模设计的模腔尺寸对模具坯料进行粗加工，粗加工后二次淬火处理，最后按照设计的模腔尺寸进行数控铣精加工和滚压；对石油吊卡结构进行工艺性修订，确定重要的尺寸及加工余量，结构对称设计，采用过渡圆角与过渡圆锥减小组织应力。通过计算机三维建模，计算上、下模的模腔尺寸及配合间隙，调整锻件分模面的角度，消除分模面的落差，以达到平衡模锻过程中产生的水平错移力的目的，模拟锻模型腔数控编程进行开粗及型腔铣，上下模开粗后再进行数控铣精加工和滚压，保证了模腔表面粗糙度由Ra＝3.2μm降低为Ra＝0.4μm。如图2、3所示，通过自行设计吊卡模具和冲孔切边复合模，优化制模工艺，在BD76、BD92等锻件产品上应用，均获得了外部加工量控制在5mm的优质毛坯件，提高了锻造效率和锻打成型质量，下料重量由原来的55kg/件降低到50kg/件，降低企业生产成本。
吊卡锻造工序包括：选取吊卡坯料进行预热处理，然后将吊卡坯料送往制备的锻模上，进行锻打成型得到吊卡锻件，取出吊卡锻件后冲孔切边，然后将冲孔切边后的锻件正火处理，最后喷丸强化。坯料选用
的27SiMn，锻打出的石油吊卡利用630吨压力机进行一体式冲孔切边，可以使石油吊卡的机械加工余量降至仅为锻件重量的1.8％左右，不仅有效控制尺寸偏差不产生变形，无微小裂纹，保证了吊卡前后左右尺寸的一致性，还极大节约了材料成本、加工成本。喷丸强化主要通过抛丸机进行清理，能够实现表面消光、去氧化皮的目的。
进一步的，球化退火处理过程为：放入真空炉中，预加热至650℃，保温2.5h后随炉冷却。使用真空热处理炉进行热处理，预加热至650℃保温2.5h随炉真空状态冷却，以便在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时变形和开裂倾向小。
进一步的，二次淬火处理过程为：放入真空炉中，在820℃进行一次预热保温4h，在1100℃进行二次预热保温4h，在520℃回火保温8h。粗加工后真空炉二次淬火处理，该锻模经淬火-高温回火后，具有很高的强韧性、热疲劳性和抗热龟裂性，同时具有良好的抗氧化性和热稳定性，硬度检测达到HRC48-52。
进一步的，正火处理过程为：加热至850℃后，保温3.5h后空冷。空冷为在空气中自然冷却，通过箱式炉正火处理后，石油吊卡的使用可靠性、耐久性均获得明显的改善和提高，达到改善耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性的目的，并能够消除锻件残余应力。
进一步的，吊卡坯料进行锻打成型时进行坯料温度控制，吊卡坯料始锻温度控制到1150℃-1200℃，终锻温度控制到900℃。1200℃高温下锻打减少锻件氧化皮、塑性变形和裂纹，控制模锻变形力。坯料在终锻模腔成型时，金属变形抗力小，氧化皮软且能脱离金属表面起润滑作用，从而有利于金属的充填成型。
进一步的，吊卡坯料进行锻打成型时进行锻模温度控制，控制锻模温度处于250℃-350℃之间并保持恒温。通过加热器对锻模上下模进行预热，预热温度达到250℃-350℃之间并保持恒温，以减少金属变形温度损失、便于金属流动和提高锻件质量、锻造效率和锻模使用寿命；锻模结构简单，操作安全可靠。
进一步的，吊卡坯料在中频炉内预热，中频炉为750kW的中频炉，加热节拍30秒/件。中频炉自动加热坯料，加热均匀，芯表温差极小，延长了锻模的使用寿命，生产效率高，氧化少，该加热方式加热均匀，加热速度快，温度可调可控，芯表温差极小，氧化少，避免坯料过烧。
进一步的，当吊卡坯料预热处理的温度高于预先设置的锻打温度50℃时将吊卡坯料送往压力机的锻模上。当坯料烧至较高于锻打温度50℃时，即温度达到1200℃-1250℃时，由中频炉直接传送到自动传料装置上，然后经托辊输送线主动传输到2500吨摩擦压力机上直接进行锻打，一次成型，不仅保证锻造精度，还提高了锻造效率和锻件产品的密实度。
进一步的，锻模材质选用H13模具钢，锻模制备工序包括制备用于吊卡锻件成型的吊卡模具以及用于冲孔切边的冲孔切边复合模具。选用H13模具钢，降低模具制造工序中残余应力的影响，提高模具的使用寿命，获得热硬性和高的耐磨性。制备的吊卡模具如图3和4所示，安装到2500吨摩擦压力机上等待对吊卡坯料进行锻打，而制备的冲孔切边复合模具如图5所示，安装到630吨压力机上等待对锻打后的吊卡进行冲孔切边工艺，两种模具配合两种压力机，将原来的工艺过程进行了简化，两步就能得到形状和性能均较高的石油吊卡，极大的提高了企业的生产效率。
进一步的，数控铣精加工过程控制磨削方向与金属流动方向保持一致。磨削方向与金属流动方向保持一致，以提高锻件外观质量和锻模使用寿命。
实施例3
如图2所示，一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，包括锻模制备和吊卡锻造工序；
锻模制备工序包括：选取模具坯料进行球化退火处理，然后按照计算机三维建模设计的模腔尺寸对模具坯料进行粗加工，粗加工后二次淬火处理，最后按照设计的模腔尺寸进行数控铣精加工和滚压；对石油吊卡结构进行工艺性修订，确定重要的尺寸及加工余量，结构对称设计，采用过渡圆角与过渡圆锥减小组织应力。通过计算机三维建模，计算上、下模的模腔尺寸及配合间隙，调整锻件分模面的角度，消除分模面的落差，以达到平衡模锻过程中产生的水平错移力的目的，模拟锻模型腔数控编程进行开粗及型腔铣，上下模开粗后再进行数控铣精加工和滚压，保证了模腔表面粗糙度由Ra＝3.2μm降低为Ra＝0.4μm。如图2、3所示，通过自行设计吊卡模具和冲孔切边复合模，优化制模工艺，在BD76、BD92等锻件产品上应用，均获得了外部加工量控制在5mm的优质毛坯件，提高了锻造效率和锻打成型质量，下料重量由原来的55kg/件降低到50kg/件，降低企业生产成本。
吊卡锻造工序包括：选取吊卡坯料进行预热处理，然后将吊卡坯料送往制备的锻模上，进行锻打成型得到吊卡锻件，取出吊卡锻件后冲孔切边，然后将冲孔切边后的锻件正火处理，最后喷丸强化。坯料选用27SiMn材质
的圆钢，锻打出的石油吊卡利用630吨压力机进行一体式冲孔切边，可以使石油吊卡的机械加工余量降至仅为锻件重量的1.8％左右，不仅有效控制尺寸偏差不产生变形，无微小裂纹，保证了吊卡前后左右尺寸的一致性，还极大节约了材料成本、加工成本。喷丸强化主要通过抛丸机进行清理，能够实现表面消光、去氧化皮的目的。
进一步的，球化退火处理过程为：放入真空炉中，预加热至660℃，保温2h后随炉冷却。使用真空热处理炉进行热处理，随炉真空状态冷却，以便在淬火加热时，奥氏体晶粒不易粗大，冷却时变形和开裂倾向小。
进一步的，二次淬火处理过程为：放入真空炉中，在850℃进行一次预热保温4h，在1100℃进行二次预热保温4h，在550℃回火保温8h。粗加工后真空炉二次淬火处理，该锻模经淬火-高温回火后，具有很高的强韧性、热疲劳性和抗热龟裂性，同时具有良好的抗氧化性和热稳定性，硬度检测达到HRC48-52。
进一步的，正火处理过程为：加热至860℃后，保温3h后空冷。空冷为在空气中自然冷却，通过箱式炉正火处理后，石油吊卡的使用可靠性、耐久性均获得明显的改善和提高，达到改善耐磨性、抗疲劳和耐腐蚀性的目的，并能够消除锻件残余应力。
进一步的，吊卡坯料进行锻打成型时进行坯料温度控制，吊卡坯料始锻温度控制到1150℃-1200℃，终锻温度控制到900℃。1200℃高温下锻打减少锻件氧化皮、塑性变形和裂纹，控制模锻变形力。坯料在终锻模腔成型时，金属变形抗力小，氧化皮软且能脱离金属表面起润滑作用，从而有利于金属的充填成型。
进一步的，吊卡坯料进行锻打成型时进行锻模温度控制，控制锻模温度处于250℃-350℃之间并保持恒温。通过加热器对锻模上下模进行预热，预热温度达到250℃-350℃之间并保持恒温，以减少金属变形温度损失、便于金属流动和提高锻件质量、锻造效率和锻模使用寿命；锻模结构简单，操作安全可靠。
进一步的，吊卡坯料在中频炉内预热，中频炉为750kW的中频炉，加热节拍30秒/件。中频炉自动加热坯料，加热均匀，芯表温差极小，延长了锻模的使用寿命，生产效率高，氧化少，该加热方式加热均匀，加热速度快，温度可调可控，芯表温差极小，氧化少，避免坯料过烧。
进一步的，当吊卡坯料预热处理的温度高于预先设置的锻打温度50℃时将吊卡坯料送往压力机的锻模上。当坯料烧至较高于锻打温度50℃时，即温度达到1200℃-1250℃时，由中频炉直接传送到自动传料装置上，然后经托辊输送线主动传输到2500吨摩擦压力机上直接进行锻打，一次成型，不仅保证锻造精度，还提高了锻造效率和锻件产品的密实度。
进一步的，锻模材质选用H13模具钢，锻模制备工序包括制备用于吊卡锻件成型的吊卡模具以及用于冲孔切边的冲孔切边复合模具。选用H13模具钢，降低模具制造工序中残余应力的影响，提高模具的使用寿命，获得热硬性和高的耐磨性。制备的吊卡模具如图3和4所示，安装到2500吨摩擦压力机上等待对吊卡坯料进行锻打，而制备的冲孔切边复合模具如图5所示，安装到630吨压力机上等待对锻打后的吊卡进行冲孔切边工艺，两种模具配合两种压力机，将原来的工艺过程进行了简化，两步就能得到形状和性能均较高的石油吊卡，极大的提高了企业的生产效率。
进一步的，数控铣精加工过程控制磨削方向与金属流动方向保持一致。磨削方向与金属流动方向保持一致，以提高锻件外观质量和锻模使用寿命。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。
Claims (10)
1.一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，包括锻模制备和吊卡锻造工序；
所述锻模制备工序包括：选取模具坯料进行球化退火处理，然后按照计算机三维建模设计的模腔尺寸对模具坯料进行粗加工，粗加工后二次淬火处理，最后按照设计的模腔尺寸进行数控铣精加工和滚压；
所述吊卡锻造工序包括：选取吊卡坯料进行预热处理，然后将吊卡坯料送往制备的锻模上，进行锻打成型得到吊卡锻件，取出吊卡锻件后冲孔切边，然后将冲孔切边后的锻件正火处理，最后喷丸强化。
2.根据权利要求1所述的一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，所述球化退火处理过程为：放入真空炉中，预加热至640℃-660℃，保温2h-3h后随炉冷却。
3.根据权利要求1所述的一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，所述二次淬火处理过程为：放入真空炉中，在800℃-850℃进行一次预热保温4h，在1100℃进行二次预热保温4h，在500℃-550℃回火保温8h。
4.根据权利要求1所述的一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，所述正火处理过程为：加热至840℃-860℃后，保温3h-4h后空冷。
5.根据权利要求1所述的一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，吊卡坯料进行锻打成型时进行坯料温度控制，吊卡坯料始锻温度控制到1150℃-1200℃，终锻温度控制到900℃。
6.根据权利要求1所述的一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，吊卡坯料进行锻打成型时进行锻模温度控制，控制锻模温度处于250℃-350℃之间并保持恒温。
7.根据权利要求1所述的一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，吊卡坯料在中频炉内预热，所述中频炉为750kW的中频炉，加热节拍30秒/件。
8.根据权利要求1所述的一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，当吊卡坯料预热处理的温度高于预先设置的锻打温度50℃时将吊卡坯料送往压力机的锻模上。
9.根据权利要求1所述的一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，所述锻模材质选用H13模具钢，所述锻模制备工序包括制备用于吊卡锻件成型的吊卡模具以及用于冲孔切边的冲孔切边复合模具。
10.根据权利要求1所述的一种提高石油吊卡锻造加工质量的方法，其特征在于，所述数控铣精加工过程控制磨削方向与金属流动方向保持一致。
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