浅谈W系列钻井泵液缸阀座孔加工工艺

黄伟

摘要：在石油钻机循环系统中，钻井泵发挥着重要作用。液缸属于钻井泵的关键零件之一，其阀座锥孔的加工质量又直接决定了液缸的性能和使用寿命。为此，本文将对W系列钻井泵液缸阀座孔的加工工艺进行研究，旨在提升液缸阀座孔加工质量。

关键词：钻井泵;液缸;滚压;阀座孔加工;加工工艺

0  引言

W系列钻井泵液缸内孔尺寸小，阀座孔精度要求高，因此在进行液缸阀座孔加工时，必须根据现有设备和条件，合理制定加工工艺，才能控制加工质量。下面将联系实际，就液缸阀座孔的质控要点、加工工艺及相关参数做简要分析。

1  W系列钻井泵液缸阀座孔质控要点与加工工艺

1.1 质控要点分析

首先，液缸阀座孔和阀总成中的阀座外锥面的配合为面接触，在工作过程中，液缸不同腔室会受到高压钻井液的作用。在此情况下，如果液缸阀座孔与阀座外锥面不能紧密接触，连续环形接触面积达不到60%的设计标准，就有可能造成阀座孔损坏甚至液缸报废[1]。其次，为尽可能减少阀座孔的受损几率，还需要提高阀座孔表面的硬度以及耐磨性，避免出现因硬度不足而导致阀座孔拉伤的情况。因此，在加工液缸阀座孔时，必须保证锥孔的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度以及提高表面硬度，才能保证阀座孔与阀体的环形接触面积达到设计标准，从而提高液缸整体质量和性能。

1.2 加工工艺

锥孔在机械零件中比较常见，一般是在车床上进行加工[2]，精度要求高的锥孔还需要进行铰制、磨削或者滚压加工。如图1所示，W系列钻井泵液缸阀座孔尺寸小，锥面光洁度要求非常高，形位公差要求也很严格，加工难度大。因此，可将液缸阀座锥孔的加工分为两大工序，一是车削工序，二是滚压加工工序。首先，W系列钻井泵液缸外形尺寸小，可利用卧车进行车削加工，根据液缸的结构特点，制作卧车专用的夹具工装，对于位置靠里的锥孔，还需要制作加长刀杆进行车削。车削工序要分粗、精加工，尤其精加工时要严格按照阀座孔图纸设计要求对锥孔的各项加工精度进行控制，同时还应预留出足够的滚压加工余量，以保证最终加工质量。其次是滚压工序，滚压加工是一种对机械零件表面进行光整和强化加工的工艺，在车床上应用滚压工具在工件表面上作相对滚动，施加一定压力强行滚压，使金属表层产生塑性变形，修正工件表面的微观几何形状，降低表面粗糙度值，同时可提高工件的表面硬度、耐磨性和抗疲劳强度[3]。对液缸阀座孔进行滚压，除滚压参数外，主要是制作卧车专用的多柱行星式滚压工具，如图2所示。利用专用工具对锥面进行滚压加工，其滚压头可以对阀座孔锥面进行多点式径向均匀碾压，使阀座孔圆周晶粒变形一致，内孔受力均匀，能在一定程度上提高阀座孔表面质量和表面硬度，从而使阀座孔表面加工质量得到优化[1]，锥孔的精度达到设计标准。

2  影响液缸阀座孔滚压质量的因素

在实际加工过程中，影响液缸阀座孔滚压表面质量的主要因素有：滚柱的制造精度、阀座孔滚压前的车削精度和滚压初始表面粗糙度以及滚压参数的选择。

2.1 滚柱的制造精度

滚柱的制造精度越高，滚压后工件的质量越好。为了提高滚柱精度，多柱式滚压头可由专业滚压工具制造厂家生产，将滚柱的表面粗糙度值控制在0.4μm以下，同时与自加工的刀杆组装后保证同轴度在极小值范围内，就能保证滚压后的锥孔形位精度合格。

2.2 阀座孔滚压前的车削精度和滚压初始表面粗糙度

在利用卧车加工W系列液缸阀座孔时，由于液缸外形尺寸小，制作长度合适的刀杆，可在一次装夹中完成内孔和前后两个锥孔的精加工，保证内孔和锥孔的形位精度。在保证锥孔车削精度的前提下，阀座孔滚压前的粗糙度值越低，滚压后的表面质量越好，因此在车削加工时，采用专业优质的机夹车刀，调整好加工参数，将滚压前液缸阀座孔表面粗糙度值控制在1.6μm左右，滚压后可获得较好的滚压表面质量。

2.3 滚压参数的选择

2.3.1 滚压力和滚压深度

所谓滚压力，是指滚压过程中，液缸阀座孔表面与滚轮表面之间产生的力。滚压深度，是指滚压时滚柱压入工件半径的变化值。二者成正比，滚压力越大，滚压深度越深，反之则一样。相关实践表明，液缸阀座孔在使用过程中之所以会出现表面变形损坏情况，主要是因为在进行滚压加工时存在滚压力不足或过大情况，导致滚压后液缸阀座孔表面的硬化程度、粗糙度均未达到设计要求，最终导致阀座孔在使用过程中发生变形并损坏。经研究发现，在滚压加工过程中如果滚压力较小，则滚压深度也较小，将导致阀座孔表面塑性变形不充分，表面各缺陷难以完全消除;而当滚压力过大时，滚压深度也会偏大，会导致液缸阀座孔锥面受力过大而受到损坏，同样会影响液缸阀座孔的正常使用。同时还必须正确认识到，滚压力与滚压时的各项参数都有密切联系，当滚压前液缸阀座孔表面的粗糙度值越大时，所需的滚压力也就越大。但如果实际滚压力严重超出标准范围，那么不仅不利于液缸阀座孔表面质量的提高，反而会使锥孔表面出现起皮现象。因此，要想确定最佳的滚压力数值，就必须经过反复试验，通过不断的试验与调整得到最佳数值。相关研究表明，当实际滚压力处于200～250N时，液缸阀座孔表面的滚压效果相对理想[1]。

2.3.2 滚压余量

在滚压加工中，材料性能会对实际滚压余量产生直接影响。也就是说，液缸阀座孔被滚压面半径方向上的弹性变形量与液缸阀座孔的塑性变形量有关。当液缸阀座孔材料的弹塑性较好时，滚压余量会相对较大;如果液缸阀座孔材料的弹塑性较差，液压余量也要相应减少。不同的液缸材料，要想进一步提升加工效果，需要通过反复试验才能确定出最佳的滚压余量。相关研究认为，不同材料的滚压余量一般选择为0.05～0.25mm时滚压效果较好，W系列钻井泵液缸材质为锻件35CrMo，调质硬度为285～325HBW，通过实践表明，液缸阀座孔滚压余量设定为0.05mm（阀座孔单边孔径余量）时，滚压后的表面粗糙度值可提高到0.4μm，可获得相对理想的表面加工效果[4]。

2.3.3 进给量和滚压次数

在加工过程中，实际进给量数值也会对液缸阀座孔表面的硬度、粗糙度产生直接影响。在一般情况下，进给量较小时，锥孔表面加工效果会相对理想，但如果进给量过小，则阀座孔表面可能会因为重复滚压产生疲劳裂纹而降低滚压质量，影响液缸阀座孔加工效果。在实际加工中，W系列液缸阀座孔在臥车上进行滚压加工，结合机床本身特性，通过反复试验验证，进给量参数选用0.1mm/r时，同时将滚压次数控制在1～2次，能使滚压后的阀座孔表面获得较为理想的加工效果。

2.3.4 其它滚压参数

除以上几项重要参数外，合理的滚压速度、合适的滚压润滑液以及滚压部位的清洁度等因素，都会对滚压质量产生影响。因此，在滚压加工中，必须重视和选择合理的滚压参数，才能获得良好的滚压质量。

3  结语

综上所述，W系列钻井泵液缸阀座孔加工质量直接影响到液缸的使用性能与使用寿命。因此在进行液缸阀座孔加工时，应根据设计图纸、工艺要求，科学制定各项工艺参数并严格执行，才能全面提升液缸阀座孔加工质量，从而最终提高钻井泵的整机质量。

参考文献：

[1]王振德，周晓军，雷振军，罗震，边小玲.钻井泵液缸阀座孔加工工艺的研究[J].机械制造，2017，55（12）：80-81，94.

[2]郭德桥.高精度锥孔的数控加工及检测策略研究[J].组合机床及自动化加工技术，2013，6（06）：130-132.

[3]成宏钧.实用机械加工工艺手册[M].机械工业出版社，2003：1069-1070.

[4]孙丽丽.F系列钻井泵液缸内孔的加工技术[J].内蒙古石油化工，2019，45（04）：84-85.