锻压技术：基于有限元法的螺旋定子外高压胀形优化
2022-11-15【作 者】王树强;陈昊雷;乔金梦;陈钊;周游
【前 言】
等壁厚螺旋定子螺杆钻具因具有较长的工作寿命、 优秀的散热性能， 被广泛应用于石油工业［１－５］。传统螺旋定子与等壁厚螺旋定子的对比如图 １ 所示，传统螺旋定子由固化成形的不等厚橡胶与金属外壳贴合而成， 橡胶层壁厚变化大、 钻具散热不均匀；而等壁厚螺旋定子的金属外壳与橡胶外廓紧密贴合，散热效果优异。 等壁厚螺旋定子的成形方式主要有挤压成形［６］、 内高压成形［７］、 分步成形等［８－１０］， 其中分步成形的方法具有零件内表面质量好、 大幅减少系统胀形压力等特点［１１］， 因此针对分步胀形的研究对于流体介质成形工艺的发展具有深远意义。 但分步胀形中外高压胀形工艺参数匹配不当将导致螺旋定子的成形精度降低， 造成胀形成品出现起皱、破裂等缺陷， 使零件报废。 因此， 研究外高压胀形各工艺参数的协同作用， 实现胀形参数优化， 对于采用分步胀形成形螺旋定子的进一步研究十分必要。
国内外学者对于分步胀形的研究起步较晚。 刘利军等［１２］介绍了外高压成形的基本原理、 优点以及应用前景； 邓娟等［１３］建立了大长径比螺旋曲面金属定子衬套外高压数值模型； 崔晓磊等［１４］ 通过理论推导得到了内外压复合作用下管材的应力－应变曲线；Ｓｉｅｇｅｒｔ Ｋ 等［１５］对外高压成形进行了计算机模拟和实验， 得出外高压成形压力大幅低于内高压成形压力的结论。 本文利用有限元模拟结合响应面优化的方法， 对等壁厚螺旋定子分步胀形中的外高压胀形工艺参数进行优化， 通过对外高压胀形进行单因素有限元仿真， 并以成品的壁厚最大减薄率为目标， 以胀形时的胀形压力、 螺旋导程、 摩擦因数为优化因素， 得到最佳的外高压胀形参数， 并进行实验验证，为等壁厚螺旋定子的精确成形奠定了基础。
【结 论】
利用响应面优化方法中的 Ｂｏｘ⁃Ｂｅｈｎｋｅｎ 方法对螺旋定子的外高压胀形进行响应面实验设计， 得到了壁厚最大减薄率与定子螺旋导程、 外高压胀形压力、 摩擦因数的回归方程， 并以壁厚最大减薄率为目标进行了优化， 得到的优化参数满足实际胀形要求且得到了壁厚均匀的定子零件。
对比使用优化参数得到的螺旋定子壁厚最大减薄率仿真值与实验值发现： 实验值大于对应点的优化仿真值， 所有测量点误差率均小于 ２. ００％， 且壁厚最大减薄率均小于 ２５. ５０％， 所获得的螺旋定子零件满足胀形工艺要求。
以下是正文：
