技术领域
[0001] 本
发明大体上涉及一种在石油和
天然气领域中在
泵送操作中使用的部件及该部件的制造。特别地，本发明涉及一种诸如液力端的部件的几何结构(形状和尺寸)优化及其制造工艺的优化，其通过
锻造和机加工技术的组合提高生产力和强度。
背景技术
[0002] 在石油和天然气行业中，海上和陆上钻井被确定为焦点领域。由于
页岩气的新发现和定向钻井的新技术，对钻井设备的需求急剧增加，特别是对于安全和应用关键设备的需求。为了满足这种对安全和应用关键部件的需求的增长，制造工艺的生产率提高和创新是必要的。
[0003] 包括油和天然气工业的许多行业使用安全和应用关键部件。数十年来，许多这些部件使用传统的制造工艺(即，开式
模锻，随后机加工)被制造。在这些方法中，锭被初轧为坯，随后进行部件的锯切、粗定尺寸、粗加工、
热处理、半精加工和精加工。
[0004] 如图1、图2、图3和图4所示的现有的液力端部件几何结构包括处于完全机加工状态的所有表面，这需要更多的输入原料用于
制造过程并且在机加工过程期间产生许多材料浪费。这还需要更高能力的设备进行材料处理。
[0005] 如图9所示的现有的制造工艺是“开式模锻、机加工和热处理”的组合。在该工艺中，在矩形坯件形成中，通过开式模锻由锭获得坯料，而剩余的形状通过机加工获得。现有的工艺导致大约34％的材料利用率，由此从初轧坯到成品零件导致大约66％的材料浪费。应注意，所述初轧坯通过开式模锻形成，并且其具有大致形状并被定尺寸成用于机加工的矩形坯件。
[0006] 在大批量生产这种部件的过程中，利用传统的制造方法浪费大量的原材料，这造成大量的机加工时间和低的产量。
[0007] 液力端的现有设计和现有制造方法的另一重要限制在于，机加工路线穿过晶粒
流线，因而晶粒流线沿着液力端的轮廓不连续。这是为何通过现有方法制造的现有设计的液力端沿着液力端的轮廓缺乏连续晶粒流线的原因。
[0008] 因此，需要提供一种用于液力端的创新设计和创新制造方法。同样重要的是，减少在产品的非组装区域上的机加工，并通过锻造产生用于精机加工的
近净成形输入。这将在锻造和机加工工艺之间建立恰当的平衡，这有效地利用材料并减少机加工时间。这导致在不损害所需机械性能和特定强度的情况下提高这种零件的生产力。
发明内容
[0009] 本发明的目的是提供在非组装区域中具有锻态表面的安全和应用关键部件。
[0010] 本发明的进一步目的是提供具有有效的材料利用率的安全和应用关键部件。
[0011] 本发明的更进一步的目的是提供制造上述安全和应用关键部件的方法。
[0012] 本发明的另一目的是提供优化的“初轧坯”，其尺寸被输入至闭式模锻。
[0013] 本发明的另一目的是提供近净成形锻造，以由利用闭式模方法的锻造
增强材料利用率。
[0014] 本发明的另一目的是提供用于所述近净成形锻造过程的锻模设计。
[0015] 本发明的另一目的是提供利用闭式模锻由初轧坯制造近净成形预型件的方法。
[0016] 本发明的又一目的是提供用于所述近净成形锻造的机加工设计和工具路径产生程序。
[0017] 本发明的又一目的是提供通过闭式模锻随后热处理而沿着轮廓具有连续晶粒流线以及具有改进的机械和
冶金性能的液力端。
[0018] 本发明描述液力端的创新设计及其创新制造方法。
[0019] 在本发明中，液力端(1)部件几何结构被优化，使得组装区域或表面(5)被保持在机加工状态，而其它或非组装区域(6)或表面被保持在锻造状态，如图5、图6、图7和图8所示。利用该有创造性的设计，输入重量被减少。另外，液力端的该创新设计导致机加工时间和排屑的显著减少。
[0020] 本发明还公开一种利用开式模锻和闭式模锻及机加工的组合制造安全和应用关键部件的工艺。该工艺包括步骤：利用开式模锻对锭进行初轧，以形成用于闭式模锻的坯料；利用锻造设备在闭式模中锻造坯料；对部件进行半精加工/粗加工/局部加工、热处理、钻孔和精加工。液力端的大部分非组装区域(即，没有配合零件被组装的表面)保持锻造状态(即，排除在这样的区域进行机加工操作)。
[0021] 利用本发明的工艺，通过锻造获得最终部件的形状和尺寸的70-75％，通过机加工获得剩余的25-30％。
[0022] 通过这种创新设计和创新制造方法，获得沿着轮廓具有连续晶粒流线和提高的机械和冶金性能的液力端(1)(见图11)。
附图说明
[0023] 图1和图2显示利用传统工艺制造的液力端的立体图。
[0024] 图3和图4显示利用传统工艺制造的液力端的侧视图。
[0025] 图5和图6显示利用本发明的工艺制造的液力端的立体图。
[0026] 图7和图8显示利用本发明的工艺制造的液力端的侧视图。
[0027] 图9显示用于液力端的传统制造工艺的
流程图。
[0028] 图10显示根据本发明的用于液力端的制造方法的流程图。
[0029] 图11显示本发明的液力端的轮廓的晶粒流线。
[0030] 图12显示在制造根据本发明的液力端时使用的模具设置。
[0031] (请注意，本发明的锻态区域由阴影线标记指示)
[0032] 部件列表：
[0034] 4、颈部 5、组装区域或表面 6、非组装区域或表面[0035] 7、第一表面 8、第二表面 9、内部通路[0036] 10、突出区域 11、模具
角状突起(die horn) 12、上模[0037] 13、下模
具体实施方式
[0038] 本发明适用于用在各种行业中的任何锻造部件，特别是那些由大锭形成的部件。对于诸如用在石油和天然气行业中的液力端(1)之类的安全和应用关键部件，本发明极为有用。以下描述基于典型的这种液力端。
[0039] 图1和图2显示液力端的现有设计的立体图。图3和图4显示图1和图2所示的产品的一些侧视图。从图1、图2、图3和图4显而易见的是，传统的液力端的所有组装端面和非组装端面均被机加工。液力端的现有设计的大部分外表面为非组装表面。因而，在非组装表面上存在材料和机加工时间的浪费。
[0040] 图5和图6显示液力端(1)的创新设计的立体图，图7和图8分别显示图5和图6所示的产品的一些侧视图。
[0041] 由图5可知，本发明的液力端(1)具有主块(2)和法兰(3)。法兰(3)与主块(2)之间的区域是颈部(4)。主体的面向法兰的面被称为第一表面(7)。第一表面(7)被颈部(4)隔断。主块的远离法兰的面被称为第二表面(8)。第二表面(8)被横跨液力端(1)长度延伸的突出区域(10)隔断。由图5、图6、图7和图8可知，第一表面(7)和第二表面(8)二者均包括锻态区域或表面(6)和机加工区域或表面(5)。作为第二表面(8)的总表面积的百分比的锻态区域或表面(6)的比例相当大。
[0042] 液力端(1)具有用于
流体移动的若干内部通路(9)。在本发明的一个
实施例中，通路被形成为提供在主块的主体、法兰和颈部内的互相连接的孔。
[0043] 本发明的液力端(1)的创新设计包括机加工表面(5)和锻态表面(6)。组装表面被机加工，而大部分非组装表面被形成锻态。在此，大部分非组装表面保持锻态，这意味着在这些表面上不需要机加工。如图5和图6所示，第一表面(7)具有至少一个被保持在锻造状态的非组装表面。第一表面(7)的非组装表面被提供在载送流体的孔之间。非组装表面中被执行机加工的区域是可提供起吊孔的区域。
[0044] 如图9所示的传统制造工艺包括以下步骤：
[0045] -将锭开式模锻成矩形坯件；
[0046] -粗加工；
[0047] -热处理；
[0048] -局部加工；
[0049] -精加工。
[0050] 传统制造工艺造成材料和
能源的大量浪费。
[0051] 另一方面，如图10所示的本发明的工艺包括以下阶段：
[0052] a、利用开式模方法将锭锻造成坯料；
[0053] b、通过在多个步骤中提供击打在闭式模中锻造所述坯料，以获得近净成形的液力端；
[0054] c、对所述近净成形的液力端的组装区域的外表面进行粗加工，并将非组装表面保持为锻态，以获得经粗加工的近净成形的液力端；
[0055] d、对所述经粗加工的近净成形的液力端提供热处理，以获得经热处理的、经粗加工的近净成形的液力端；
[0056] e、对所述经热处理的、经粗加工的近净成形的液力端提供进一步的半精加工或局部加工或粗加工，同时使大部分非组装区域保持在锻造状态；
[0057] f、钻孔以形成内部通路，再次使大部分非组装区域保持在锻造状态；
[0058] g、提供精加工，以产生液力端。
[0059] 因而，能够理解，通过锻造技术形成并且在局部加工/粗加工/精加工期间保持锻态的区域在最终产品中保持锻态。
[0060] 如图10所示，在开式模锻中，锭的初轧产生用于闭式模锻的坯料。在闭式模锻中，坯料被放置在上模与下模之间，并通过锻锤给予击打。该闭式模锻在多个步骤中执行。在第一步骤，坯料被加热至锻造
温度，并且根据零件几何结构和模具闭合尺寸给予第一组击打。由于第一组击打产生第一次加热后的完成件。在提供所需次数击打之后，根据需要，产品被进一步加热，然后被放置在闭式模中进行第二组击打。这有助于产生第二次加热后的完成件，其是随后进行机加工的近净成形部件。在第一组击打足够的情况下，第一次加热后的完成件产生近净成形的液力端。
[0061] 液力端(1)的法兰(3)与主块(2)之间的颈部(4)难以与液力端(1)的其余部分整体锻造。该部分可在图7和图8中(以及在图5和图6中部分)清楚可见。本发明的工艺包括设计锻模以使材料将在法兰区域中流动以提供连续晶粒流线的步骤(见图11)。
[0062] 利用
迭代模拟方法，用于锻造和机加工的多个制造原理被评估，以使用虚拟制造技术优化近净形状的零件几何结构、锻模设计和制造工艺。锻造零件的几何结构，即，近净形状和工艺利用3D金属流模拟进行优化，并且机加工工艺利用CAM模拟进行优化。基于模拟结果，开发出用于制造用在石油和天气热行业中的诸如液力端的部件的最佳制造方法。
[0063] 图12显示用在液力端的闭式模锻中上模和下模(12和13)，其由分型线(PL)分开。该图还显示模具角状突起(11)，其为两个模具的组成部分。提供适当设计的模具角状突起有助于产生主体的法兰(3)以及在液力端的两侧的用于形成颈部(4)的更深的腔室。然而，这造成模具角状突起的频繁弯曲/
变形/偏斜。另外，在传统方法中难以填满法兰，这是因为腔室深度与宽度之比较高。本发明的模具角状突起设计(如上所述的优化和模拟)使其克服了这些
缺陷。
[0064] 通过在开式模锻和机加工工艺之间增加闭式模锻阶段，实现了沿着轮廓具有连续晶粒流线的液力端。
[0065] 近净成形部件(液力端)接下来被局部加工，以去除锻造的液力端(1)上的拔模斜度。该步骤之后是热处理，以便实现所需的冶金和机械性能。之后，钻孔以按照部件规格产生内部通路，随后精加工以实现最终的形状和尺寸。
[0066] 操作益处：
[0067] 若干操作益处已作为本发明的结果被观测到。这些操作益处在此被总结为：
[0068] 1、减少用于锻造的输入重量。
[0069] 2、显著减少机加工时间。
[0070] 3、提高生产力。
[0071] 由前述论述显而易见的是，本发明具有若干实施例：
[0072] 1、一种液力端，包括主块、法兰，所述主块和所述法兰由颈部连接，其中所述液力端具有第一表面和第二表面，所述第一表面是所述主块的靠近所述法兰的表面，并且所述第二表面是所述主块的远离所述法兰的表面，并且其中所述液力端具有若干组装表面和非组装表面，其特征在于，组装表面为机加工状态，并且至少一些非组装表面处于锻造状态，如图5、图6、图7和图8所示。
[0073] 2、一种制造液力端的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
[0074] a、利用开式模方法将锭锻造成坯料；
[0075] b、通过在多个步骤中提供击打来锻造所述坯料，以获得近净成形的液力端；
[0076] c、对所述近净成形的液力端的组装区域的外表面进行粗加工，并将非组装表面保持为锻态，以获得经粗加工的近净成形的液力端；
[0077] d、对所述经粗加工的近净成形的液力端提供热处理，以获得经热处理的、经粗加工的近净成形的液力端；
[0078] e、对所述经热处理的、经粗加工的近净成形的液力端提供进一步的半精加工或局部加工或粗加工；
[0079] f、钻孔以形成内部通路；
[0080] g、提供精加工，以产生液力端。
[0081] 3、如实施例2所公开的方法，其特征在于，提供击打的所述多个步骤包括以下步骤：
[0082] a、将所述坯料加热至锻造温度，并提供第一组击打，以产生第一次加热后的完成件；
[0083] b、如果需要，进一步加热所述第一次加热后的完成件，并通过将所述第一次加热后的完成件放置在闭式模中提供第二组击打，以产生第二次加热后的完成件；
[0084] 其中所述第一次加热后的完成件，或者在执行所述步骤b的情况下所述第二次加热后的完成件，产生准备机加工的近净成形的液力端。
[0085] 4、如实施例2或3所公开的方法，其特征在于，所述闭式模被构造为使得锻造产品的法兰区域中的材料流动，以沿着液力端的轮廓提供连续晶粒流线。
[0086] 尽管以上描述包含许多细节，这些细节不应被视为限制本发明的范围，而是应被视为例示本发明的优选实施例。必须认识到，基于上文给出的公开内容，更改和变型是可以的，而不脱离本发明的精神和范围。相应地，本发明的范围不应由所示实施例确定，而是由所附
权利要求书及其法律等同物确定。
