《高效套洗工具研究》-毕业论文.docVIP

PAGE PAGE 4 高效套铣工具研究 摘 要 关键词：高效 套铣工具 切削元件 聚晶立方氮化硼 结构 我国修井工艺技术起源于二十世纪五十年代中国石油工业快速成长时期，并伴随着石油开采技术的发展而迅速发展，已从简单的处理钻井过程中的事故逐渐发展成为一门应用科学。钻磨套铣法是修井领域中最古老而又最有效的解卡打捞方法，而且最具发展前景。 本文主要是从三个方面来研究套铣工具的高效性，一是切削元件的材质优选，通过比较分析目前国内的切削材料优选出适合于井下工作状况及井下工作对象的优质切削材料即聚晶立方氮化硼作为切削无件；二是通过理论计算与分析，完成了齿面结构和布齿规律的优化设计，实现了等强度与等速磨损原则；三是根据井下工作状况分析及理论计算分析完成了布局结构方面的优化设计，通过变径轮廓设计大大减小了应力集中。通过上述三个方面的研究确保了套铣工具以切削性磨损机理工作，使切屑及时断屑和排屑，适应井下落物的非对称性、非稳定性和形态随机性所形成的断续切削工况。从而实现了套铣工具的高效性。 目 录 一、前言 二、正文 1、刀具材料选择 2、套铣切削过程及其特点 3、设计计算 4、套铣工具结构设计 三、结论 四、致谢 五、参考文献 前 言 我国油气水井修井工艺技术起源于二十世纪五十年代中国石油工业快速成长发展时期，并伴随着石油开采技术的迅速发展，也从简单的处理钻井过程中的事故逐渐发展成为一门应用科学。经过五十余年的发展，修井工艺技术已经具有较高的水平。主要分为井筒清里技术、井筒修复技术和套管开窗侧钻技术，三大技术的核心问题是工具性能与可靠性。其中，井下落物的处理有三种方法：一是打捞出来；二是井内消灭；三是打通道。在各种打捞手段都无法打捞出井内落物的情况下，钻磨套铣法是最古老而又最有效的解卡方法。 石油工程井下工具多采用CrMo材料和不锈钢材料配以渗碳火等特殊热处理工艺研制而成，大都以管件和杆件为主，工具本身各部位的软硬级差大，冲击韧性与耐磨性以及抗冲击疲劳的能力强，被卡在套管井内其状态具有不确定性，既硬又柔还具有弹性，工具上个别部件还具有活动性在很难用大负荷提升解卡的情况下，套磨铣是最为有效的方法。 目前，套磨铣工具有两类：一类齿面结构是将不同形状和粒径的超硬材料堆焊在套磨铣工具本体而形成的切削刃，并以磨蚀性磨损机理工作；另一类的齿面结构是将超硬材料事先做成刀具按一定的布齿规律镶焊在套磨铣工具本体而形成切削刃，以切削性磨损机理工作。从现场使用情况看，前者的套磨铣速度慢，后者的套铣速度相对较快，但井下落物的非对称性及非稳定性易产生冲击载荷使刀具切削刃崩裂而尚失切削能力。 针对石油套管井井下落物性态特征，综合分析上述两种套磨铣工具的利弊，本文主要是从后者的角度设计高效套磨铣工具。 正 文 刀具材料选择 1.1 新型超硬材料——聚晶立方氮化硼 套铣工具在井下要切削的材料主要是钢材及淬硬的合金钢材。从目前国内外切削材料来分析，可以用作金属切削刀具的材料主要有：高速工具钢、硬质合金、陶瓷刀具、金刚石和立方氮化硼。高速工具钢和陶瓷刀具虽然有良好的切削性能，但因脆性较大，暂不适宜于井下作为切削工具，所以本文不讨论它。 长期以来，套铣工具的切削齿主要是使用硬质合金材料。但是，在井下被切削的材料主要是强度较高的钢材及淬硬的合金钢材，使用硬质合金作为切削刀块，切削效果并不好，切削速度低，使用寿命短。虽然硬质合金材料近年来也有了很快的发展，其中涂层硬质合金把硬度和韧性高度结合起来，使用了TiC、TiN、BN、Al2O3、B4C等涂层材料，使刀具寿命大大提高。但是，硬质合金材料的维氏硬度最高不超过HV5000。而聚晶金刚石维氏硬度是HV8000-10000，聚晶立方氮化硼维氏硬度是HV7000-8000。 聚晶立方氮化硼是70-80年代发展起来的新型材料（简称CNB）。最初研究出立方氮化硼烧结刀具的是美国GE公司，后来瑞典的山特维克公司将聚晶立方氮化硼应用在高韧性的硬质合金基体上，应用高温高压烧结出一层厚度为0.9mm的CNB，这种刀块表面有高的硬度、基体又有足够的韧性，用于加工高硬度材料能够充分发挥其作用。 首先，聚晶立方氮化硼的硬度高，仅稍低于金刚石，而且聚晶立方氮化硼具有远高于金刚石的热稳定性及化学稳定性，适合于加工各种淬硬钢、喷涂喷焊零件、冷硬铸铁、钛合金、镍合金等难加工材料。使用聚晶立方氮化硼作为刀具，其效率比硬质合金刀具高几倍。 CNB聚晶立方氮化硼刀具是在高韧性的硬质合金基体上，采用高温高压烧结一层厚度为0.9mm的CBN，在1000℃以下不会与金属发生反应，在空气中也不会发生显著的氧化现象。所以使用CBN聚晶立方氮化硼刀具加工高硬度材料，恰恰能够充分发挥其性能优势。 1.2 聚晶立方氮化硼的物理化学性能 ⑴