基于ANSYS/Ls-dyna的螺旋曲面液压充模胀形研究

乔金梦， 王树强， 刘希敏， 倪洪启

（沈阳化工大学机械工程学院，沈阳 110142）

0 引言

螺杆钻具已广泛应用于石油工业，是一种非常特殊的螺旋机械，主要应用于深井、超深井、分支井、大位移井等特殊钻井工艺中[1]。传统的螺杆钻具金属定子橡胶层的厚度并不均匀。等壁厚橡胶层的金属定子，是在预加工有内螺旋曲面的金属定子内壁注胶生成等壁厚的橡胶层[2]。

液压胀形技术是一种把液体作为传力介质,利用液体压力和轴向推力的共同作用使管坯变形成为特定形状的零件的柔性加工技术[3]。目前液压胀形加工技术及理论研究主要集中于管件内高压成形,国内外对管件外高压成形的研究尚在起步阶段。

1 螺旋曲面内外高压胀形原理

图1 内外高压充模胀形示意图

管材内高压胀形是把液体注入要胀形管坯的内部,施加高压载荷,由管坯两端的冲头对其进行密封操作,而且施加轴向进给力对管材施压，进行材料的填补,在两种压力载荷的相互作用下使管坯发生塑性形变,最后与模具的内表面完全贴合,得到所需要求的形状。而外高压胀形与之相反，它是利用高压液体在空心管材坯料外部施加静水压力使坯料横截面积缩小,并成形到置于其内部的芯模上获得相应零件的成型工艺。螺旋定子管内外高压胀形的实验装置原理如图1所示。

2 金属定子衬套液压成形有限元分析

2.1 胀形压力预估

成形过程是轴向力与内压共同作用下的成形，变形时要考虑到轴向力的作用，所以可以粗略估算液压胀形时坯料的初始屈服压力。

由文献[7]推导所得轴向应力σ计算公式为

管坯内液体压力计算公式为

2.2 有限元模型

以导程960 mm、传动比为5:6的螺杆钻具定子为研究对象，内模具大径126 mm、槽深8 mm，外模具大径142 mm、槽深8 mm，内外模具长度均为100 mm。选择45钢作为成形管件材料，模型长度取102 mm。管坯的力学性能参数如表1所示。

表1 管坯的力学性能参数表

图2 内外高压胀形过程有限元模型

外高压胀形阶段有限元模型及内高压胀形阶段有限元模型分别如图2所示。

3 仿真实验结果

3.1 贴模效果的比较

管坯的胀形压力要达到要求，以保证螺旋的形状以及管坯更好地贴模。胀形压力采取双线性加载曲线，管材壁厚选择4 mm,选取金属定子衬套和管件截面内轮廓线，图3分别显示了在内高压、外高压、内外分步高压情况下横截面沿径向管材的变形情况。

图3 高压胀形后的成形管件

内高压胀形和外高压胀形若想达到良好的贴膜效果需要的压力较高。图3（a）为在内高压200 MPa时的管件贴模情况，最大径向误差为1.28%，图3（b）为在外高压180 MPa时的管件贴模情况，最大径向误差为0.86%，图3（c）为在外高压135 MPa、内高压140 MPa时的管件贴模情况，最大径向误差0.85%。外高压成形所需压力大大低于内高压成形所需压力，而内外分步高压成形所需压力大大低于外高压成形所需压力。内外分步充模胀形的工艺方法，大幅减少了胀形系统压力，减少了胀形极限高度对工件厚度和几何尺寸的限制。

3.2 最大变形位移

不同液压力的载荷下，内外分步高压胀形最大变形位移的曲线如图4所示。随着内部最大液压力的增大，管坯最大径向位移也随之增加。但液压力并不可无限制增大，应保证管坯的最大应力不超过材料的抗拉极限。

图4 不同液压力载荷下最大变形位移曲线

3.3 壁厚对成形的影响

当毛坯管件与模具达到较好的贴合时，不同壁厚的管件所需胀形压力不同，对不同壁厚的管坯均采用80 MPa的内部最大液压力，其他约束条件均相同，通过模拟的结果对壁厚对胀形规律的影响进行探究，图5为不同壁厚的管件成形的位移曲线。

图5 不同壁厚管坯的最大成形位移曲线

在最大液压力相同的情况下，随着壁厚的增加，管坯的最大形变位移逐渐减小，但管坯的壁厚不能太小，管坯壁厚和系统压力要优化组合，过小的壁厚容易在胀形的过程中出现管坯破裂的情况。

4 结论

提出了采用外高压胀形成形管件凹槽部分，内高压胀形成形管件凸起部分的分步胀形方法。通过有限元分析了成形压力、管件壁厚对成形的影响规律，验证了方法可行性，为后续胀形实验实施及参数优化提供了依据。