37CrMnMo亚热锻工艺研究

发布时间：2017-09-17 13:13

  本文关键词：37CrMnMo亚热锻工艺研究

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【摘要】：随着地下浅中层油气资源不断被开采而迅速减少,深层油气的开采日显重要。由于深层石油地质条件较浅中层更加恶劣,所以深层油气的开采对石油钻具的要求也随之提高。37CrMnMo材料因具有良好综合力学性能、耐腐蚀和耐磨等特性,被广泛应用于石油钻杆的制造,因此,37CrMnMo材料的锻造工艺研究尤为重要。本文以石油钻杆为载体,采用数值模拟和物理试验相结合的方法对37CrMnMo材料的亚热锻工艺进行系统的理论和实验研究。本文通过建立37CrMnMo材料的加工图,选择合适的变形温度和应变速率。可知在热锻温度范围和亚热锻温度范围内都存在可加工温度区域,而采用亚热锻工艺可减少在成形过程中产生的氧化皮而提高37CrMnMo材料的流动性能,减少表面皱折缺陷。运用正交法,对石油钻杆端部加厚成形过程进行数值模拟,选取变形温度、凸模进给速度及摩擦系数三个因素,分析不同工艺参数对最大温度梯度、最大等效应力、最大等效应变、模具磨损量以及最大载荷的影响,最终确定最优工艺方案,确定在亚热锻温度范围内能获得较好质量的锻件,同时通过石油钻杆加厚成形过程的物理试验验证其数值模拟结果。主要内容和结果如下:1、通过等温热压缩实验,绘制出真实应力-应变曲线,变形温度为750~1200℃,应变速率为0.001~10s~（-1）。同时通过Matlab软件建立37CrMnMo材料的热加工图,并从微观机理上分析了37CrMnMo材料的热变形行为。在同一变形温度下,应变速率越大,37CrMnMo材料变形的峰值应力越大;而在同一应变速率下,随着变形温度的升高,37CrMnMo材料变形的峰值应力逐渐减小。发生失稳的区域有750~850℃/10-3~10-0.5s~（-1）、850~950℃/1~10s~（-1）和1175~1200℃/10-3~10-2s~（-1）(100.5~10s~（-1）),为不适合加工区域;在950~1000℃/10-1s~（-1）~1s~（-1）和1000~1100℃/10-0.5s~（-1）~10s~（-1）区域出现功率耗散因子的峰值,功率耗散因子均大于0.311,为适宜进行材料加工区域。可知在热锻温度范围内和亚热锻温度范围内都存在较适宜的锻造加工温度。37CrMnMo材料在同一温度条件下,应变速率越大(或同一应变速率,温度越高),晶粒尺寸就越均匀细小,但达到一定温度后,动态再结晶进行完全后,晶粒就不断长大;在较高功率耗散因子的非失稳区条件下进行热加工能够获得晶粒较均匀细小的组织,在失稳区进行热加工易发生流变失稳、表面开裂或晶粒长大现象。2、通过对Ф101.6×8.38mm规格的钻杆端部加厚成形工艺进行分析,结果显示随着温度梯度的减小,内表面过渡区成形坡度逐渐变陡,内侧加厚长度越短,且温度梯度为5.77℃/mm时出现的褶皱缺陷非常严重。石油钻杆内表面过渡区结束处的温度基本上是在800℃左右,且在温度梯度为19.81℃/mm时石油钻杆内表面过渡区表面质量较好。针对Ф101.6×8.38mm石油钻杆端部加厚工艺,当温度设定为1150℃,摩擦系数为0.3,第一工步的行程为105mm,第二工步凸模的行程为83.27mm时,能够获得质量较好的内表面。3、变形温度对锻件成形质量的影响最大,而挤压速度对模具磨损量和温度梯度的影响较大,摩擦系数对最大等效应力和最大等效应变的影响程度较大。根据方差和极差分析,优化石油钻杆端部加厚成形中的工艺参数,其最优工艺参数组:摩擦系数为0.1,变形温度为950℃,挤压速度为10mm/s。根据优化的工艺参数,对石油钻杆端部加厚成形过程进行数值模拟,得到结果:最大模具磨损量、最大等效应力、最大等效应变、最大载荷及最大温度梯度分别为7.13×10-6mm、329MPa、0.709、374.41kN、12.986℃/mm。与正交试验中的结果对比,总体上石油钻杆的成形性能得到改善。从而得出针对石油钻杆37CrMnMo材料的亚热锻工艺较其他温度范围内的锻造工艺更好。4、基于相似理论研究了石油钻杆端部加厚物理试验过程,模拟材料选择为塑性泥,模具材料选择为铝棒。使用塑泥在无润滑和涂抹机油条件下进行石油钻杆端部加厚成形,其凸模在两工步中的进给量分别为102/85mm和98/89mm;最终锻件内表面加厚段和过渡段的长度分别为101/47mm和100/45mm。在物理试验过程中,其成形规律和结果与数值模拟的基本吻合,故验证了数值模拟结果的可靠性和工艺设计的正确性,也为此工艺方案下的石油钻杆实际生产提供了实验依据。
【关键词】：37CrMnMo 亚热锻 热加工图 数值模拟 物理模拟
【学位授予单位】：上海工程技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG316
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-14
• 第一章 绪论14-23
• 1.1 选题的来源、背景和意义14-15
• 1.2 研究现状15-22
• 1.2.1 37CrMnMo材料应用与研究15-17
• 1.2.2 亚热锻成形技术17-19
• 1.2.3 石油钻杆加厚成形工艺研究19-22
• 1.3 研究内容22-23
• 第二章 37CrMnMo材料热加工图的建立及分析23-44
• 2.1 引言23
• 2.2 热加工图建立的理论依据23-26
• 2.2.1 功率耗散图建立的依据23-25
• 2.2.2 流变失稳图建立的依据25-26
• 2.3 37CrMnMo材料高温压缩实验26-31
• 2.3.1 实验条件与方法26-27
• 2.3.2 实验结果与分析27-31
• 2.4 37CrMnMo材料热加工图的建立31-35
• 2.4.1 功率耗散图的建立32-33
• 2.4.2 失稳图的建立33-35
• 2.5 37CrMnMo材料热加工图的分析35-42
• 2.5.1 热加工图的分析35-37
• 2.5.2 变形材料的显微组织演变与分析37-42
• 2.6 本章小结42-44
• 第三章 石油钻杆端部加厚成形工艺分析44-56
• 3.1 引言44-45
• 3.2 石油钻杆管端加厚成形过程中常见的缺陷45-46
• 3.3 石油钻杆管端加厚成形工艺分析46-48
• 3.3.1 零件的分析46-47
• 3.3.2 成形方式的分析47-48
• 3.4 石油钻杆管端加厚成形工艺模拟48-55
• 3.4.1 模拟方案48-49
• 3.4.2 石油钻杆管端加厚成形模拟过程49-51
• 3.4.3 石油钻杆管端加厚成形模拟结果分析及优化51-55
• 3.5 本章小结55-56
• 第四章 工艺参数对石油钻杆端部加厚成形性能影响及优化56-80
• 4.1 引言56
• 4.2 工艺参数对石油钻杆端部加厚成形性能的影响56-58
• 4.2.1 变形温度56-57
• 4.2.2 挤压速度57
• 4.2.3 摩擦系数57-58
• 4.3 正交优化58-74
• 4.3.1 正交试验法58-61
• 4.3.2 正交试验设计61-63
• 4.3.3 结果分析及优化63-74
• 4.4 优化结果模拟及分析74-78
• 4.5 本章小结78-80
• 第五章 石油钻杆端部加厚成形物理试验80-93
• 5.1 引言80
• 5.2 常温塑性模拟准则80-81
• 5.3 材料的选择81-82
• 5.4 模具制造82-86
• 5.4.1 模具材料的选择82
• 5.4.2 模具尺寸以及加工82-86
• 5.5 石油钻杆端部加厚成形物理试验86-91
• 5.5.1 模拟方案86-87
• 5.5.2 模拟过程87-88
• 5.5.3 模拟结果及分析88-91
• 5.6 实验验证91-92
• 5.7 本章小结92-93
• 第六章 总结与展望93-96
• 6.1 总结93-94
• 6.2 展望94-96
• 参考文献96-100
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果100-101
• 致谢101-102

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本文编号：869582