專利名稱：智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種彈簧的制作方法，尤其是智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧的制作方法。
背景技術(shù)：
高強(qiáng)度的鈦合金薄片彈簧主要用于大口徑“垂直鉆井系統(tǒng)”中的智能鉆桿，智能鉆桿由多節(jié)鉆桿連接而成，其通信電纜與電源線分開(kāi)單獨(dú)布線，每節(jié)鉆桿兩端采用磁感應(yīng)式鉆桿接頭，鉆桿接頭由鉆桿槽、鐵氧體磁感應(yīng)環(huán)、鈦合金薄片彈簧和線圈構(gòu)成，鉆桿槽為在鉆桿內(nèi)、外壁之間開(kāi)出的凹形槽，鐵氧體磁感應(yīng)環(huán)也為凹形槽狀，磁感應(yīng)環(huán)放在鉆桿槽中，鈦合金薄片彈簧放在鐵氧體磁感應(yīng)環(huán)中，線圈置于鈦合金薄片彈簧上并與鉆桿上的通信電纜相連接，這樣，每?jī)晒?jié)鉆桿通信電纜之間就可通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)“軟連接”，這種非接觸傳輸方式解決了有線傳輸中對(duì)通信電纜的磨損問(wèn)題。鉆桿不工作時(shí)通信電纜為“斷開(kāi)”狀態(tài)， 鉆桿工作轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，各節(jié)鉆桿接頭相互緊扣，通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)鉆桿間的信號(hào)連通，通信電纜為“開(kāi)通”狀態(tài)。如果感應(yīng)環(huán)內(nèi)的鈦合金薄片彈簧因強(qiáng)度不夠發(fā)生了松弛或蠕變，通過(guò)電磁感應(yīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)“通、斷”的“軟連接”目的就不能達(dá)到，而彈簧的強(qiáng)度與材料特性及制作工藝密切相關(guān)。鈦合金材料強(qiáng)度高，密度小，鈦合金彈簧目前一般采用絲狀鈦合金材料卷制加工而成，工作強(qiáng)度高，耐熱強(qiáng)度高，表面抗蝕性好，低溫性能好。但是，滿足智能鉆桿的更高強(qiáng)度鈦合金薄片彈簧的制作存在如下技術(shù)難題第一，高表面光澤度要求難以滿足。用于制作彈簧的鈦合金薄片要求表面粗糙度< O. 6 μ m，平面度< O. 05mm,厚度公差< O. 05_。第二，磨削溫度高，加工變形系數(shù)大。由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小，只有45號(hào)鋼的1/5 1/7，磨削面的接觸長(zhǎng)度極短，磨削時(shí)產(chǎn)生的熱不易傳出，集中在磨削區(qū)附近的較小范圍內(nèi)，磨削溫度很高，磨削溫度比磨削45號(hào)鋼時(shí)高出一倍以上。在如此高的磨削溫度下，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮，去除外皮非常困難；同時(shí)磨削過(guò)程中的塑性變形會(huì)造成表面硬化，降低薄片彈簧的抗疲勞強(qiáng)度。第三，砂輪易磨損，磨削表面精度低。由于鈦合金對(duì)砂輪材料的化學(xué)親和性強(qiáng)，在磨削溫度高和單位面積上磨削力大的情況下，砂輪很容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損；同時(shí)，由于鈦合金的彈性模量小，加工時(shí)容易產(chǎn)生彎曲變形，加劇砂輪磨損，影響磨削表面精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服采用目前材料和工藝制得的鈦合金彈簧表面光澤度低及變形嚴(yán)重從而影響彈簧工作強(qiáng)度的缺點(diǎn)，提供一種智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧的制作方法，該方法采用片狀鈦合金毛坯材料進(jìn)行加工，對(duì)毛坯料邊磨削邊冷卻得到高光澤度的鈦合金薄片，對(duì)該薄片采用線切割落料和上下雙向復(fù)合拉伸模拉伸得到鈦合金薄片彈簧，經(jīng)熱處理后達(dá)到所需強(qiáng)度。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧的制作方法，包括如下步驟
(1)對(duì)鈦合金毛坯片進(jìn)行磨削，通過(guò)冷卻液冷卻磨削面，制得表面粗糙度<O. 6 μ m，平面度< O. 05mm,厚度公差< O. 05mm的鈦合金薄片；
(2)對(duì)所述鈦合金薄片進(jìn)行線切割落料，形成上螺旋切割區(qū)域和下螺旋切割區(qū)域；
(3)采用上下雙向復(fù)合拉伸模對(duì)所述鈦合金薄片上的上螺旋切割區(qū)域和下螺旋切割區(qū)域同時(shí)進(jìn)行拉伸，形成上螺旋部和下螺旋部，制得鈦合金薄片彈簧；上下雙向復(fù)合拉伸模包括相對(duì)設(shè)置的上凹凸模和下凹凸模，上凹凸模上設(shè)有用于對(duì)下螺旋切割區(qū)域進(jìn)行拉伸的拉伸凸頭，下凹凸模設(shè)有用于對(duì)上螺旋切割區(qū)域進(jìn)行拉伸的拉伸凸頭。
(4)對(duì)鈦合金薄片彈簧進(jìn)行熱處理，包括β相熱處理、淬火處理和時(shí)效處理，其中β相熱處理將鈦合金薄片彈簧加熱到(α+β )/β相變點(diǎn)以下120 200°C，然后進(jìn)行保溫處理。
與現(xiàn)有的鈦合金薄片彈簧制作工藝相比，采用本發(fā)明所述的制作方法加工出的智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧表面光澤度高，無(wú)暗藏的表面裂紋，不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，經(jīng)久耐用；通過(guò)數(shù)控線切割落料，提高了彈簧的尺寸精度，保證足夠的抗拉強(qiáng)度；通過(guò)雙向復(fù)合拉伸模一次成型，可以將彈簧的變形系數(shù)降到極小的范圍內(nèi)，極大提高彈簧的成品優(yōu)良率，便于批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率顯著提升。


圖I為本發(fā)明所述鈦合金薄片彈簧的制作流程圖。圖2為本發(fā)明所述鈦合金薄片彈簧的俯視示意圖。圖3為本發(fā)明所述鈦合金薄片彈簧的主視示意圖。圖4為本發(fā)明所述線切割落料示意圖。圖5為圖4的側(cè)視圖。圖6為本發(fā)明所述的拉伸成型剖視圖。圖中1鈦合金薄片，2上螺旋部，3下螺旋部，4上螺旋切割區(qū)域，5下螺旋切割區(qū)域，6上凹凸模，7下凹凸模，8上下拉伸模面，9、10拉伸凸頭。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明
如圖I所示，本發(fā)明所提供的智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧的制作方法包括如下各個(gè)步
驟
第一，對(duì)鈦合金毛坯片進(jìn)行磨削，磨削時(shí)，可通過(guò)改變砂輪材料、砂輪結(jié)構(gòu)和裝夾方法，來(lái)減小在平面上滑動(dòng)摩擦的路程，降低磨損。磨削的同時(shí)通過(guò)冷卻液冷卻磨削面，將磨削中產(chǎn)生的熱量用冷卻液帶走，磨削面溫度基本控制在室溫左右，并使得最終加工后的材料表面在50倍的放大下無(wú)明顯的加工過(guò)渡痕跡，制得表面粗糙度< O. 6 μ m，平面度< O. 05mm,厚度公差< O. 05mm的鈦合金薄片I。第二，通過(guò)線切割工藝在鈦合金薄片I上切割形成上螺旋切割區(qū)域4和下螺旋切割區(qū)域5。如圖4所示，沿阿基米德螺線的軌跡，將左右雙向連體的鈦合金薄片I按尺寸要求進(jìn)行線切割落料。
第三，采用上下雙向復(fù)合拉伸模對(duì)鈦合金薄片I上的上螺旋切割區(qū)域4和下螺旋切割區(qū)域5進(jìn)行同時(shí)拉伸，形成上螺旋部2和下螺旋部3，制得鈦合金薄片彈簧。由于薄片彈簧的螺旋線方向?yàn)橐蛔笠挥?，支承結(jié)構(gòu)上呈相反方向?yàn)橐簧弦幌?很難一次成型，如果不一次成型務(wù)必會(huì)增加彈簧的變形而達(dá)不到技術(shù)要求，造成廢品。如圖6所示，本發(fā)明采用了上下雙向復(fù)合拉伸膜，即凹凸復(fù)合拉伸模，包括相對(duì)設(shè)置的上凹凸模6和下凹凸模7，上凹凸模6和下凹凸模7接觸面為上下拉伸模面8，上凹凸模6設(shè)有用于對(duì)下螺旋切割區(qū)域5進(jìn)行拉伸的拉伸凸頭9，下凹凸模7設(shè)有用于對(duì)上螺旋切割區(qū)域4進(jìn)行拉伸的拉伸凸頭10，利用雙向定位、兩面拉伸的成型工藝，根據(jù)阿基米德螺線原理，對(duì)左右雙向連體的鈦合金薄片I的下螺旋切割區(qū)域5和上螺旋切割區(qū)域4同時(shí)拉伸，從而一次成型制作成功。第四，對(duì)上述成型的鈦合金薄片彈簧進(jìn)行熱處理。為滿足鈦合金薄片彈簧的特殊要求，使回彈工作應(yīng)力> 1200mpa,在最高工作溫 度500°C，最低溫度_60°C時(shí)，工作回彈載荷> 400N且保持10年不變，沒(méi)有蠕變，彈簧松弛率< 1%, —般不大于4N,工藝上需米取β相熱處理。β相熱處理是為了消除或減少加工過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，防止或減少變形，提高塑性和組織穩(wěn)定性，以獲得較好的綜合性能。通常α相鈦合金和(α + β )相鈦合金的β相熱處理溫度選在(α + β )/β相變點(diǎn)以下120 200°C，將成型的鈦合金薄片彈簧加熱到該溫度進(jìn)行96小時(shí)恒溫處理；此外，還進(jìn)行公知的淬火處理和時(shí)效處理，淬火處理是從高溫區(qū)快冷，以得到馬氏體相和亞穩(wěn)定的β相，達(dá)到使合金強(qiáng)化的目的，通常(α + β)相鈦合金的淬火在(α + β)/β相變點(diǎn)以下40 100°C進(jìn)行，亞穩(wěn)定β相鈦合金淬火在(α + β ) β相變點(diǎn)以上40 80°C進(jìn)行；時(shí)效處理溫度一般為450 650°C，然后從該溫度下自然冷卻。淬火處理是為了獲得好的韌性，改善加工性能，有利于再加工以及提高尺寸和組織的穩(wěn)定性，時(shí)效處理是為了提高其強(qiáng)度。
權(quán)利要求
1.一種智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧的制作方法，其特征在于包括以下步驟 (1)對(duì)鈦合金毛坯片進(jìn)行磨削，通過(guò)冷卻液冷卻磨削面，制得表面粗糙度<O. 6 μ m，平面度< O. 05mm,厚度公差< O. 05mm的鈦合金薄片； (2)對(duì)所述鈦合金薄片進(jìn)行線切割落料，形成上螺旋切割區(qū)域和下螺旋切割區(qū)域； (3)采用上下雙向復(fù)合拉伸模對(duì)所述鈦合金薄片上的上螺旋切割區(qū)域和下螺旋切割區(qū)域同時(shí)進(jìn)行拉伸，形成上螺旋部和下螺旋部，制得鈦合金薄片彈簧；其中上下雙向復(fù)合拉伸模包括相對(duì)設(shè)置的上凹凸模和下凹凸模，上凹凸模上設(shè)有用于對(duì)所述下螺旋切割區(qū)域進(jìn)行拉伸的拉伸凸頭，下凹凸模設(shè)有用于對(duì)所述上螺旋切割區(qū)域進(jìn)行拉伸的拉伸凸頭； (4)對(duì)鈦合金薄片彈簧進(jìn)行熱處理，包括β相熱處理、淬火處理和時(shí)效處理，其中β相 熱處理將鈦合金薄片彈簧加熱到(α+β )/β相變點(diǎn)以下120 200°C，然后進(jìn)行保溫處理。
2.如權(quán)利要求I所述的智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧的制作方法，其特征在于所述步驟(2)中線切割軌跡為阿基米德螺線。
3.如權(quán)利要求I所述的智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧的制作方法，其特征在于所述步驟(4)中保溫時(shí)間為96小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧的制作方法，該方法采用片狀鈦合金毛坯材料進(jìn)行加工，對(duì)毛坯料邊磨削邊冷卻得到高光澤度的鈦合金薄片，對(duì)該薄片采用線切割落料和上下雙向復(fù)合拉伸模拉伸得到鈦合金薄片彈簧，經(jīng)熱處理后達(dá)到所需強(qiáng)度。與現(xiàn)有的鈦合金薄片彈簧制作工藝相比，采用本發(fā)明所述的制作方法加工出的智能鉆桿用鈦合金薄片彈簧表面光澤度高，無(wú)暗藏的表面裂紋，不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂，經(jīng)久耐用；通過(guò)數(shù)控線切割落料，提高了彈簧的尺寸精度，保證足夠的抗拉強(qiáng)度；通過(guò)雙向復(fù)合拉伸模一次成型，可以將彈簧的變形系數(shù)降到極小的范圍內(nèi)，極大提高彈簧的成品優(yōu)良率，便于批量生產(chǎn)，生產(chǎn)效率顯著提升。
文檔編號(hào)B21D37/10GK102847770SQ201210309600
公開(kāi)日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月28日
發(fā)明者鞏曰道, 陳修定, 唐柏芬 申請(qǐng)人:揚(yáng)州恒旺五金機(jī)械有限公司