一种金属密封套筒的加工方法与流程

本发明属于复杂截面回转体的金属薄壁零件加工工艺领域，具体为一种金属密封套筒的加工方法。

背景技术：

随着现在石油消耗的量越来越大，浅层石油的可开采量越来越少，所以现在的趋势是加大开采深度，但随着开采深度的增加，井下的工况也变得越来越苛刻，深度每增加100m，温度升高3℃，压力也越来越大，所以作为非金属密封材料的橡胶，更容易发生损坏，也直接关系到一口井的采油成败。

为此，作为金属密封的替代技术变得越来越急迫。针对图1所示的金属密封套筒形状，传统的机加工艺是：首先需要对不锈钢棒料进行钻通孔，然后再数控车出零件的外形。因为其中的沟槽较多，而其中的拱形薄壁部分刚性差，在加工过程中受到夹紧力、切削力、切削热和残余应力等因素的作用极易产生变形。所以，传统机加工艺的成形精度低，材料利用率低、效率低、成品率低的缺点显著，这样金属密封套筒的加工成本过高，成品合格率低，不能满足石油井下金属密封套筒的大量需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种金属密封套筒的加工方法，为了降低金属密封套筒的加工成本，提高材料的利用率和生产效率，保证密封套筒的成形精度、表面质量和力学性能。

本发明的技术方案如下：

一种金属密封套筒的加工方法，按照以下步骤实施：

①通过高速热挤压工艺制坯；

②采用楔横轧的工艺挤压制成金属密封套筒的外部轮廓部分；

③采用液压胀形的工艺对金属密封套筒的拱形薄壁进行加工。

所述的金属密封套筒的加工方法，步骤①中高速热挤压的原料为316L不锈钢管坯、304L不锈钢管坯或镍钛合金管坯。

所述的金属密封套筒的加工方法，步骤①中不锈钢管坯挤压的温度为1100℃～1250℃，镍钛合金管坯挤压温度为800℃～950℃。

所述的金属密封套筒的加工方法，步骤①中挤压速度为100mm/s～120mm/s。

所述的金属密封套筒的加工方法，步骤①中挤压模具型腔高度为40mm～50mm，型腔曲线为三次曲线。

所述的金属密封套筒的加工方法，步骤②中楔横轧的轧制速度为10mm/s～20mm/s。

所述的金属密封套筒的加工方法，步骤②中不锈钢管坯楔横轧的轧制温度为900℃～1100℃，镍钛合金管坯的轧制温度为700℃～900℃。

所述的金属密封套筒的加工方法，步骤②中楔横轧的成形角为35°～45°，楔横轧的展宽角为4°～7°，楔横轧的断面收缩率为35％～45％。

所述的金属密封套筒的加工方法，步骤③中液压胀形的加载方式为0～250MPa的线性加载。

所述的金属密封套筒的加工方法，步骤③中液压胀形的轴向进给量为20mm～30mm。

本发明的优点及有益效果是：

本发明为复杂截面回转体的金属薄壁零件的高效率加工工艺，将金属热挤压制坯、楔横扎滚压和液压胀形的合理搭配，首先运用高速热挤压工艺制坯，然后通过楔横轧挤压制成回转体零件的外部轮廓部分，最后通过液压胀形工艺来保证薄壁部分的成形需求。其中，采用高速热挤压和楔横轧的工艺能够提高金属的变形能力，制品的表面质量更高，力学性能更好，比传统的工艺相比不仅效率提高，产品质量也提高。而液压胀形工艺与普通的机加工艺相比，又具有加工工序少，成形精度高，节约材料，零件力学性能好等优势。

附图说明

图1是本发明实施过程中被加工零件金属密封套筒的二维结构图。图中，1管坯；2薄壁弧形部分；3外部轮廓部分。

图2是高速热挤压工艺的原理示意图。图中，1管坯；4挤压杆；5芯棒；6挤压垫；7挤压筒；8挤压模。

图3(a)-(b)是楔横轧工艺的原理示意图。其中，图3(a)为主视图；图3(b)为立体图。图中，1管坯；9楔形模块；10导板；15轧辊。

图4是液压胀形工艺的原理示意图。其中，(a)胀形前示意图；(b)胀形后示意图。图中，1管坯；11上模；12下模；13冲头Ⅰ；14冲头Ⅱ。

具体实施方式

下面，结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

如图1所示，金属密封套筒主要包括：管坯1、薄壁弧形部分2、外部轮廓部分3，管坯1中间为薄壁弧形部分2，管坯1上的薄壁弧形部分2两侧分别为外部轮廓部分3。

在具体实施方式中，金属密封套筒的加工方法如下：

1.如图2所示，通过高速热挤压制坯，该生产方法所采用的原材料为316L不锈钢管坯、304L不锈钢管坯或镍钛合金管坯，不锈钢管坯的热挤压温度为1110℃～1250℃，镍钛合金管坯的挤压温度为800℃～950℃，挤压速度为100mm/s～120mm/s，模具型腔高度为40mm～50mm，型腔轮廓采用三元三次方程在空间中表达的曲线形状(三次曲线)，最后得到金属密封套筒的管坯1(图1)，这样得到的管坯不仅节约材料，效率高，而且管坯的力学性能更好，表面质量更好。

2.如图3(a)-(b)所示，采用楔横轧滚压的工艺制成金属密封套筒的外部轮廓部分，该生产方法为步骤1的后续工艺，轧制速度为10mm/s～20mm/s，不锈钢管坯的轧制温度900℃～1100℃，镍钛合金管坯的轧制温度为700℃～900℃，成形角35°～45°，展宽角4°～7°，断面收缩率35％～45％，得到金属密封套筒的外部轮廓部分3(图1)。楔横轧工艺效率更高，加工之后的零件力学性能更好，表面质量提高。

3.如图4所示，采用液压胀形的工艺胀出金属密封套筒的薄壁弧形部分2(图1)。该生产方法为步骤2的后续工艺，内压加载方式为0～250MPa的线性加载方式，轴向进给量为20mm～30mm。该工艺比传统的机加工艺相比，更能保证成形精度，表面质量更好，效率更高。

实施例1

本实施例中，制备金属密封套筒的步骤如下：

步骤1，采用高速热挤压工艺制管坯

如图2所示，将温度高于材料再结晶温度的坯料置于挤压筒7、挤压模8和挤压杆4组成的密闭容器内，挤压杆4于挤压筒7内与挤压模8相对应，挤压杆4与挤压模8相对应的一端设置挤压垫6，挤压杆4中心设置芯棒5。由挤压杆4施加挤压力迫使金属从挤压模8的孔中流出，从而得到金属密封套筒的管坯1。 该生产方法所采用的原材料为316L不锈钢管坯，变形温度为1110℃，挤压速度为100mm/s，模具型腔高度为50mm，型腔轮廓采用三元三次方程在空间中表达的曲线形状。

步骤2，针对步骤1制成的管坯采用楔横轧工艺

如图3(a)-(b)所示，两个装有楔形模块9的轧辊15，以相同方向旋转，带动圆形管坯1沿相反方向旋转，管坯1两侧设置导板10，保证管坯1的位移约束，管坯1在楔形模块9的作用下，径向压缩、轴向延伸，从而使轧制的零件形状和模具底部型槽的形状一致，从而得到金属密封套筒的外部轮廓部分3，轧制速度为15mm/s，轧制温度950℃，成形角40°，展宽角6°，断面收缩率40％。

步骤3，针对步骤2制成完整外部轮廓部分3的金属密封套筒进行液压胀形工艺

如图4所示，将液体介质充入步骤2完成后的管坯1内部产生超高压，由管坯1两端的轴向冲头(冲头Ⅰ13、冲头Ⅱ14)对管坯1的两端密封，并且施加轴向推力进行补料，两者配合作用使管坯1产生塑性变形，最终与模具型腔(上模11、下模12)内壁贴合，得到金属密封套筒的薄壁弧形部分2，即形状与精度均符合技术要求的中空零件。液压加载方式为0～200MPa的线性加载方式，轴向进给量为20mm，最后得到金属密封套筒的最终成品。

实施例2

本实施例中，制备金属密封套筒的步骤如下：

步骤1，采用高速热挤压制坯，工艺流程同实施例1中的步骤1，管坯原料为镍钛合金管坯，热挤压温度为900℃，挤压速度为100mm/s，模具型腔高度为50mm，型腔轮廓采用三元三次方程在空间中表达的曲线形状。

步骤2，采用楔横轧工艺加工密封套筒的外部轮廓部分，工艺流程同实施例1中的步骤2，轧制速度为10mm/s，轧制温度为850℃，成形角为40°，展宽角6°，断面收缩率40％。

步骤3，采用液压胀形工艺加工密封套筒的弧形薄壁，工艺流程同实施例1中的步骤3，液压加载方式为0～250MPa的线性加载方式，轴向进给量为30mm，最后得到金属密封套筒的最终成品。