等壁厚螺杆钻具定子电解加工技术研究

温钢柱，靳 坚，李 欧，庞志辉

（内蒙古北方重工业集团有限公司，内蒙古 包头014033） ①

常规螺杆钻具定子内孔的螺旋线是在钢管光滑内壁用橡胶压注而成。由于橡胶衬套的厚度不均匀及橡胶性能的局限，使钻具在工作时存在输出扭拒低、工作性能不稳定、热应力大、寿命短等不足，极大地影响着钻井的施工进度。世界各国都对此进行了研究。试验证明：给橡胶加上金属骨架，即定子外壳内孔加工成与转子相匹配的螺旋曲面，使橡胶衬套成为等壁厚结构，就可以大幅度提高螺杆钻具的性能及寿命。

20世纪末，美国［1］、德国研制成功了等壁厚金属定子内螺旋线电解加工技术，使等壁厚螺杆钻具从研制走向应用。国内从2005年开始研究等壁厚螺杆钻具定子的加工方法，细长形内孔中的螺旋曲面是其加工难点。国内有关研究机构和企业大多采用金属切削和一些常规的加工方法，即，试验使用数控铣削、机械拉制、精密铸造及外圆滚压内部成型等加工方法。比较各种加工方法，电解加工方法最适合等壁厚螺杆钻具定子的螺旋面加工。我国于2008年研制成功了定子内螺旋曲面的电解加工技术。经国内外油田使用证明，采用该技术加工的螺杆钻具可与国外技术相媲美。

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，截面结构如图1。构成螺旋线的橡胶厚度相差很多，为非等壁厚结构。存在4个缺点：

1） 输出扭矩低。由于橡胶的机械强度、硬度较低，钻压加大时橡胶会变形，导致钻井液渗漏及马达击穿等问题，因此只能使用低压钻井。

2） 热应力大、低寿命。由于橡胶厚度相差很多，定子工作时热扩散率相差很大，造成局部过热及不均匀变形，易出现橡胶掉块、撕裂和脱胶，导致马达过早失效。

3） 工作不稳定。由于橡胶壁厚不均匀，抗变形能力低，单级承压小，磨损速度快，效率随使用时间的增长而降低，工作稳定性差。

4） 橡胶衬套与壳体的粘合面积小，钻具长度较长，使随钻测量仪（MWD）、随钻测井仪（LWD）的测量误差较大。

图1 常规螺杆钻具定子截面

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［2］。在这些工程中需要解决的主要问题是提高钻具的寿命和钻具具有足够的动力。但由于橡胶特性的局限，尽管使用增强、改性等方法来提高橡胶的性能，也很难达到要求。

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（如图2），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。

图2 等壁厚螺杆钻具定子截面

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。金属定子的长度为3～6 m，内径为40～170 mm，螺旋曲面的加工深度为10～25 mm。国内试验了数控铣削、机械拉制、精密铸造及外圆滚压内部成型等加工方法，成品的技术参数符合性差，难以满足定子制造要求，使定子的寿命达不到设计指标。采用电解加工技术是目前最好的选择。

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。电解加工时，工件连接于直流电源的正极，称为阳极或工件阳极，工具连接于电源的负极，称为阴极或工具阴极。在工件与阴极构成的小间隙之间有高压、高速流动的电解液，在施加大电流的条件下进行电化学加工（如图3），属于非接触的冷加工。

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，且加工生产效率与加工精度和表面粗糙度没有相互制约的关系，可使3项工艺指标同时得到提高。

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。

电解加工技术出现以后，很快就被应用于枪炮管膛线、花键套及异形深孔的加工，部分产品如图4，其中枪炮管膛线电解加工方法在国内外应用较多。

图3 电解加工原理

图4 电解加工的样品

内蒙古北方重工业集团有限公司于2008年研制成功了等壁厚定子内螺旋线电解加工技术，应用于螺杆钻具定子的加工，现可批量生产各种规格的等壁厚定子。如图5～6。

图5 电解加工的7T等壁厚定子

图6 电解加工的8T等壁厚定子

3 电解加工设备

电解加工生产线主要由数控电解加工机床、电解加工电源（包括短路保护系统）、电解液系统（包括电解液输送、加热、冷却、过滤）、工艺装备以及相应的操作、控制系统及其软件等组成。

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20～30 k A，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（由沉淀池、工作池组成）、电解液输送泵、加热冷却装置、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、p H值等参数的稳定。

4 基本工艺要求

4.1 工艺流程

由于目前市场难以采购到相匹配的管材，现采用热轧圆钢外圆粗加工、钻孔、热处理、镗孔、精加工制成电解加工前预制管，然后经电解加工及后加工制成成品。生产工艺流程：

热轧棒材→校直→钻孔→粗车外圆→热处理→校直→磁力探伤→超声波探伤→ 硬度检测→粗精镗内孔→桁磨内孔→粗精车外圆→硬度复验→尺寸检测→电解加工→尺寸检测→清洗钝化→切头切尾→外观检测→包装入库。

4.2 定子用材料

按国外产品要求，定子选用钢材牌号为785.91509 REV C 10－30－06 AISI4140钢，该钢材符合AISI 4140H钢要求，化学成分如下（wB%）：

碳0.38～0.48，锰0.75～1.20，硅0.20～0.35，铬 0.80～ 1.20，钼 0.15～ 0.30，硫 ≤0.025，磷≤0.025。

经对有关钢材筛选后，选取了国产石油钻铤专用热轧钢45Cr Mn Mo钢，牌号4145H，其冶炼方法为：电炉＋真空脱气冶炼。该钢材化学成分完全符合美国AISI 4140钢的要求。

4.3 材料的热处理

按照产品技术要求，定子经热处理后的力学性能为：硬度280～360 HB，屈服强度σs≥830 MPa，抗拉强度σb≥965 MPa，伸长率δ5≥15%，冲击功AKV≥50 J。

4.4 对电解加工前预制管的要求

等壁厚定子电解加工属于深孔加工，是在预制孔的基础上进行的，需要机械加工来进行辅助。因电解加工设备的密封方式不同，预制管的要求也不同。电解加工前的预制管，长度为3 000～6 000 mm，内圆直径要符合图纸要求，粗糙度Rz0.8；直线度要求0.15 mm/m，同心度要求0.4～0.5 mm。

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。内螺旋面尺寸的一致性与加工工艺有关，在生产工艺能够保证的前提下，其关键技术是大去除量电解加工用工具阴极研制及工艺设计和工艺参数的合理匹配。由于电解速度与加工间隙、电流密度是非线性的，仅靠计算难以确定阴极各主要参数，还需要依据实际加工情况进行修正。因此，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。

5.1 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。加工件的合格与否依赖于阴极的结构、尺寸精度和工艺参数。电解加工深孔工件一般采用2种形式的阴极，即圆柱形阴极和圆锥形阴极，如图7。图中Δc为预留间隙，δ为间隙增量。圆柱形阴极在整个加工过程中，间隙增量δ是逐渐扩大，最终加工间隙为Δc＋δ，流场呈扩散性，不易控制，只能用于加工量不大，精度要求不高的加工件。圆锥形阴极在整个加工过程中，只要电解加工工艺参数匹配得当，预留间隙可始终保持不变，即间隙增量δ＝0，可以实现恒间隙加工，最终加工间隙仍为Δc，流场稳定，可控性高。这就大幅提高了被加工零件的复制精度和表面质量。

图7 圆柱形阴极与圆锥形阴极加工示意

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，其阴极结构如图8所示。阴极工作面为螺旋锥体，每一截面均为类梅花形，锥体从大端到小端，凸瓣R由大变小，凹瓣R由小变大。

图8 阴极结构示意

5.2 加工间隙Δb确定

加工间隙Δb是电解加工的核心尺寸，是设计工具阴极的主要依据。它的状态直接影响到加工精度、加工的稳定性和加工件的表面质量。加工间隙Δb受电场、流场、电化学特性等多种因素影响［3］。在电解加工中，电流会随间隙的减小而增大，当间隙小到一定范围时电流会显著增加，产生一个突变，这个电流使工件处于该间隙的部位产生显著的溶解速度。因此在加工工艺参数和电极加工段长度不变的情况下，加工间隙越小，加工电流密度越大，加工效率越高，表面粗糙度越低，形状（复制精度）越好。在加工过程中电解产物依靠高速流动的电解液带走，但较小的加工间隙不利于电解产物的冲刷和热量、气体的带走，对电解液流场的要求高，容易导致加工过程的不稳定和不安全，因此要综合考虑。特别是对于大去除量工件的电解加工，不宜采用较小的加工间隙，要综合考虑各种因素后再采用相适应的间隙。首先，采用由极间电压、法拉第定律、欧姆定律推导出的平衡间隙计算公式，计算出平衡间隙数值，然后再将工件的电解加工形状以及与加工间隙有关各因素的影响统筹考虑后，用经验数据将计算结果进行调整，最终将等壁厚定子的电解加工间隙确定为Δb。

式中：Δp为平衡间隙，mm；U为加工电压，V；δE为分解电压，V，即两级间的电位差，钢铁零件在NaCl电解液中加工，δE一般取2 V；v为加工速度，mm/min；κ为电解液电导率，1/（Ω·cm）；η为电流效率；ω为体积电化当量，mm3/（A·min）。

5.3 阴极工作段大小端直径的确定

加工间隙Δb确定后，即可得出阴极工作段大小端直径为

式中：Dd为阴极加工段大端直径，mm；Dx为阴极加工段小端直径，mm；DT为等壁厚定子内螺旋线凸瓣直径，mm；DA为等壁厚定子内螺旋线凹瓣直径，mm。

5.4 阴极工作段长度确定

阴极工作段大小端直径确定后，其大、小端工作段外径同样也已确定，因此工作段的导电面积由式（5）确定。

由式（5）可看出，（Ddl＋Dxl）/2 为一常数，工作段导电面积S的大小只能由阴极体工作段长度L来决定。而L的长度主要取决于既定电流密度i（A/cm2）的大小。

式中：I为工作电流，A；i为电流密度，A/cm2；S为阴极工作段表面积，cm2；L为阴极工作段长度，cm；Ddl为阴极工作段大端外轮廓线长度，cm；Dxl为阴极工作段小端外轮廓线长度，cm。

工作电流I可根据法拉第定律求得，它与被加工零件的金属去除量和阴极进给速度有关。从式（6）可知，当工作电流I确定后，选取的电流密度i越小，工作段的长度越长，加工效率越高。但工作段的长度又受到直流加工电源容量、导电环节，特别是电解液流场好坏的限制，工作段长度越长，电解液流程也越长，流场越差。工作段长度过小，则加工时电流密度i过大，工作电压升高，加工区域热量增加快，影响加工质量。因此要综合考虑，计算加经验值最终确定阴极工作段长度L。

5.5 前后导向段直径确定

阴极前后导向主要是对阴极起导向和定心作用，它们必须分别与工件加工前后的孔径相配合，前导向还有密封电解液的作用。前后导向用绝缘材料制造。通常，电解加工阴极前后导向段的直径应与内孔保持0.05 mm的配合间隙。等壁厚定子内螺旋线电解加工去除量大，工作电流大，产生的电阻热亦很大，工件温升较高。较高的工件温度可使制造前导向的绝缘材料产生较大的膨胀，在间隙选择不合适时，易发生因配合过紧而产生的跳动和卡死现象。同时，等壁厚定子内螺旋线电解加工需要的电解液供液量大，为尽量减小电解液流动阻力，应增大前后导向段与工件的间隙。但前后导向段间隙的加大对加工产品的同心度将造成一定的影响，综合考虑后将间隙设计为0.08～0.12 mm。

5.6 增液槽和增液孔确定

由于阴极的工作段凸瓣从小端到大端是逐渐增大的，当增大到一定数值时，从小端进入的电解液流量就供不上电解加工需要，不补充电解液就会烧毁工件和阴极，因此必须逐段补充电解液的流量。通过在阴极的工作段长度上开设增液槽，补充电解液的流量，使各段流量相等，可解决这一问题。根据等壁厚定子尺寸的大小，将相应阴极的工作部分分为4～7段，增液槽全部开在凸瓣上，如图8所示。在增液槽底部钻3～8个增液孔，孔径大小要适宜。孔径大，由增液孔流出的电解液压力减小，易出现涡流现象，容易因流场不均造成短路；孔径小，出液量少，满足不了工艺要求。将孔径定为1 mm，每一段的开孔数须通过计算过液面积得出。由于增液槽在阴极上的位置、增液槽过液面积都符合等比极数，因此可通过计算得出。但增液槽的计算推导公式十分繁杂且篇幅较大，这里不再赘述。

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，使工件在电场作用下进行电化学反应并不断溶解。此外，电解液还起着破坏工件表面上形成的极化薄膜，使电解加工稳定进行，同时又以高速流动的液流把反应产物从被加工表面带走，并通过电解液的不断更新，对被加工区域起冷却作用。因此，电解液对电解加工件的加工质量和生产效率有很大影响，应具备6方面基本性质［4］：

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。

由于对电解液的要求是多方面，难于找到一种电解液能满足所有要求，因而只有针对性地根据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。NaCl、NaNO3和NaClO3的水溶液是目前常用电解液，性能大部分符合上述要求。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14%～16%NaCl电解液，30℃时该电解液的电导率κ为0.199～0.213（Ω·cm）－1。

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。

根据已定浓度的NaCl电解液在不同温度下的电导率κ，及阴极非金属绝缘体在高温下的热膨胀特性，将电解液使用温度控制在25～40℃。

6.3 电流密度

电流密度i是重要的加工参数，与工件材料、电解液流速、阴极结构形式等有关，直接影响加工效率、表面质量，也间接影响到加工精度。根据法拉第定律及欧姆定律可导出电流密度i为

在大多数的情况下，加工件的表面质量随电流密度的增加而改善。在一定的电压和电导率条件下，电流密度i越大，Δb越小，加工精度越高；但当i增加到一定程度，极间电解产物大量增加，发热量增加，当电解液流速跟不上需求，带不走电解产物及产生的热量，就会出现短路等故障，使加工中断。经计算及试验确定电流密度i为15～30 A/cm2。

6.4 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。

3） 满足加工区散热的要求，及时带走在加工间隙内由于欧姆压降而产生的热量。

电解液流速亦不是愈高愈好，在一定的电流密度i下，电解液流速u0满足上述3个要求时，如果再提高流速，加工区的流场会趋于不稳定，甚至可能产生气穴现象，使加工质量恶化。

电解液流速的计算涉及到雷诺数Re；电解液运动粘性系数υ0及水力直径Dh等众多参数，计算公式复杂，并且在加工过程中测量难度较大。为了避免复杂计算及难于测量，用确定电解液压力p的方法代替电解液流速u0的确定。因进口压力是保证电解液流速u0的必要条件。根据等壁厚定子的形状、电加工时工件进出口面积的大小，经计算与经验结合，确定电解液压力为p＝1.70～2.0 MPa。

6.5 加工速度

加工速度v的快慢关系到生产效率的高低，其实质是电解加工时，在小间隙、大电流作用下，阳极

由式（9）可看出：加工速度v与电流效率η、体积电化当量ω、电导率κ、外加电压（U－δE）成正比，与加工间隙Δb成反比关系。因此，加工间隙越小，工件的蚀除速度越快，加工速度v将越大。但是，过小的极间间隙极易引起火花放电和短路。另外，蚀除速度增加到一定程度，再增加时其结果与电流密度i增加相同。因此，确定加工速度v时，要对计算结果进行试验验证，并给予调整。经计算及试验，对于不同规格尺寸的等壁厚定子，其电解加工速度v＝5～20 mm/min。

7 结论

在高速流动的电解液中的电化学溶解速度的大小。根据法拉第定律及欧姆定律可导出加工速度为

1） 等壁厚螺杆钻具定子的内螺旋曲面是加工难点。比较几种加工工艺，电解加工工艺在生产效率和产品质量方面具有明显优势。

2） 采用全锥拉式阴极结构。加工间隙、工作部分长度、前后引导段的直径、增液槽和孔的尺寸是设计阴极的关键参数，可以通过计算及试验得到。

3） 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。

4） 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。

［1］ Terry Lievestro，John Reynulds，Tom Chamberlain.Progressive Cavtty Pump/Motor Stator，And Apparatus And Method To Manufacture Same By Electrochemical Machining：United States：US，2005/0079083 A1［P］.2005－04－14.

［2］ 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.

［3］ 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.

［4］ 范植坚，王天成.电解加工技术及其研究方法［M］.北京：国防工业出版社，2004.