等壁厚螺杆钻具定子电解加工技术研究

等壁厚螺杆钻具定子电解加工技术研究

【摘要】等壁厚螺杆钻具是一种新型动力钻具。相比非等壁厚螺杆钻具定子，等壁厚的螺杆钻具定子衬套受力均匀、耐磨损、寿命长。电解加工此类结构成本低、效率高，是理想的加工方法。介绍了等壁厚螺杆钻具的基本结构、与普通螺杆钻具的结构区别和技术优势。其关键技术在于电极的设计和制造，以及电解加工设备及其相应完善的配套设施；介绍了螺杆钻具等壁厚定子的电解加工工艺方法。

【关键词】螺杆钻具；等壁厚定子；电解加工；阴极

1.螺杆钻具的定子结构

1.1常规螺杆钻具

常规螺杆钻具定子的螺旋曲面是在钢管内壁用橡胶压注而成，构成螺旋线的橡胶厚度相差很多，为非等壁厚结构。存在3个缺点：

（1）输出扭矩低；（2）热应力大、低寿命[1]；（3）工作不稳定。

1.2等壁厚螺杆钻具由于钻井工程的需要，钻井市场不仅需要用于普通定向井、中深井的螺杆钻具，更需要在深井、高密度钻井液井及小曲率半径水平井中使用的钻具

等壁厚螺杆钻具是一种新型螺杆钻具，该钻具是将马达金属定子内壁加工出与橡胶衬套相配合的螺旋曲面，使橡胶衬套成为等壁厚结构，相当于为压注在定子内的橡胶加上了金属骨架。这一特殊结构使其克服和改进了常规螺杆钻具的诸多缺陷，而且使钻具寿命大幅度提高并具备了高输出扭矩的特点，因此比常规钻具更适合在复杂工况条件下工作。

2.电解加工原理

为了使定子内的橡胶内衬具有等壁厚，需在金属定子的内表面加工出剖面为类梅花瓣形的螺旋曲面。电解加工是利用金属阳极电化学溶解原理去除金属材料的一种特种加工方法。电解加工的优点是：

（1）加工范围广，不受金属材料本身硬度、强度和韧性的限制，能够胜任金属切削机床不能承受的任务。

（2）表面质量好，加工出的产品不产生切削力所引起的残余应力和变形，切削加工时不产生高温所引起的热应力，没有刀具切削痕迹，没有飞边、毛刺。

（3）加工效率高，能以简单的进给运动1次加工出各种形状复杂的型腔和

型孔，加工速度可以用电流密度、电解液压力、流量等几个工艺参数进行调节。

（4）工具阴极损耗小，电解加工时，工具阴极导电部分与零件不直接接触，也不发生溶解反应，在工艺参数控制得当，设备条件良好的情况下可重复使用[2]。

3.电解加工设备

3.1数控电解加工机床的功能

（1）必须具备强大的电流传送功能，能够长时间地传送大电流。

（2）抗化学腐蚀和电化学腐蚀性能要好。

（3）必须具有较强的静态和动态刚性。

（4）进给速度稳定，无极调速范围宽。

（5）机床定位及重复定位精度要高。

（6）需采用数控系统进行控制。

3.2电解加工电源

电解加工专用电源可控硅直流电源是电解加工设备的核心部分。因电解加工的特殊性及等壁厚定子毛坯的金属去除量大的特点，专用电源的输出功率大，输出电流5000～15000A，除工作可靠、稳定等性能外，还须具备短路保护功能。

3.3电解液系统

电解液系统由电解液池（由化盐池、电解液池组成）、电解液泵、加热冷却装置、精过滤装置等组成。定子电解加工金属去除量很大，因此需要大容量的电解液池，有利于加工过程中电解液的温度、浓度等参数的稳定。

4.电解液参数确定

采用质量分数16%～20%的NaCl电解液，可获得较好的表面质量和较高的加工效率。身管螺旋型槽电解加工电压的选择无特殊要求，可根据具体工艺具体选择。

5.金属定子电解加工用阴极研制

用电解加工的方法加工等壁厚金属定子内螺旋线，其内螺旋面成型尺寸一致性及电解去除量大是必须解决的2个问题。阴极结构选择、加工间隙Δb的确定、

阴极工作段大小端直径确定、阴极工作段长度确定、前后导向段直径确定、增液槽和增液孔的确定成为工具阴极设计的关键。

阴极结构选择。

采用移动式阴极电解加工内孔一般须1次成形，在加工过程中，因孔内有高压电解液流过，加工过程无法现场查看，被加工的产品只有在加工结束后才能查看、测量。等壁厚定子内腔的最终形状和预制圆孔差别很大，电解加工1次成形，采用全锥拉式全面进给阴极最符合等壁厚定子内螺旋线电解加工。

6.影响加工质量的参数

6.1电解液

在电解加工过程中，电解液的主要作用是导电，应具备6方面基本性质：

（1）应是溶解度大的强电解质，以具备高的导电率，获得高的生产效率。

（2）能在电场的作用下对阳极金属材料产生阳极溶解，不生成难溶性钝化膜，确保加工过程正常、稳定进行。

（3）电解液中的阳离子不应在工具阴极表面发生放电沉积，以免改变阴极的尺寸和形状，阴极反应应是气体的析出。

（4）集中蚀除能力强，散蚀能力弱。

（5）阳极反应产物可与电解液分离，以便使电解液循环使用。

（6）价廉易得，使用寿命长，安全稳定。针对被加工工件的材料成分、精度要求、去除量大小的不同有所侧重。针对等壁厚定子所用材料、精度要求、去除量等项加工特性，比较分析几种电解液的性能，NaCl电解液具有对等壁厚定子所用材料蚀除电流效率高、加工速度快、成型精度能符合图纸要求、在加工过程中损耗小、加工过程安全稳定、可以低浓度使用等优势，因此确定使用NaCl 电解液。

6.2电解液温度

在电解加工中电解液温度对电导率、电解液流速和加工件表面质量有很大影响。电解液温度高时：

（1）电导率加大，电加工能力提高，加工件表面质量提高；（2）电解液黏度降低、流速提高，排除电解产物的能力提高。

电解液温度过高时：

（1）工件表面形成的盐膜和氧化膜粘附力下降，可产生不均匀溶解使零件加工表面质量下降；（2）阴极非金属绝缘体在高温下热膨胀加剧，加工中可能出现爬行或卡死现象。

电解液温度低时：电导率下降，电加工能力降低。

6.3电解液压力

流速u0是保证电解加工过程得以稳定进行的主要流场参数，与电流密度i 关系密切，确定电解液流速，主要考虑3个因素：

（1）液流应是紊流状态，起到足够搅拌溶液的作用，满足在电极间隙内消除浓差极化的要求。（2）能及时的排除电解加工过程中产生的电解产物，使电解液更新。

.结论

（1）等壁厚螺杆钻具是近几年发展的新型螺杆钻具，具有扭矩大、寿命长、抗高温等优点，在深井、大位移井等施工中表现出了很大的优势。

（2）影响加工质量的因素有电解液的成分、温度、压力、电流密度、加工速度，应把这些工艺参数严格控制在允许范围内。

（3）等壁厚螺杆钻具的技术水平先进，使用寿命长。先进国家在钻井中采用的等壁厚螺杆钻具约占全部螺杆钻具的50%。我国在等壁厚螺杆钻具研究方面起步较晚，但市场前景广阔。深入研究等壁厚螺杆钻具的加工方法有积极的现实意义。[科]

【参考文献】

[1]苗同勇，刘永旺，赵伟，等.等壁厚螺杆钻具及应用[J].石油矿场机械，2011，40（10）：72-76.

[2]王建业，徐家文.电解加工原理及应用[M].北京：国防工业出版社，2001.

[3]范植坚，李新忠，王天成.电解加工与复合电解加工[M].北京：国防工业出版社，2008.