大型球閥閥芯鍛造工藝的研發(fā)

文／徐鋒，黃誠，陸亞娟·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

大型球閥閥芯鍛造工藝的研發(fā)

文／徐鋒，黃誠，陸亞娟·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

徐鋒，研發(fā)部部長，主要從事鍛件成形控制、模擬仿真及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方面的工作。

大型球閥主要應(yīng)用于石油、天然氣管道中，其核心零部件閥芯需要有較高的機(jī)械強(qiáng)度、硬度、耐磨性、韌性及良好的耐熱、耐腐蝕性能。目前國內(nèi)中大型球閥閥芯一般采用澆注鋼與自由鍛的生產(chǎn)工藝，落后的生產(chǎn)工藝與加工方式會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品材料內(nèi)部組織與性能比較差，合格率低，同時(shí)在材料利用率、產(chǎn)能方面效能較低。而采用先進(jìn)的鍛壓、輾軋聯(lián)合工藝的生產(chǎn)方式，可使中大型閥芯鍛件大幅度節(jié)約原材料，提高產(chǎn)品的內(nèi)部組織與力學(xué)性能指標(biāo)，提高生產(chǎn)效率，為國內(nèi)生產(chǎn)與應(yīng)用中大型球形閥門企業(yè)的開發(fā)起到推動(dòng)合作的作用。

24"球閥閥芯的生產(chǎn)工藝

產(chǎn)品采用的材質(zhì)為A694 F50鋼，根據(jù)產(chǎn)品尺寸特性確定工藝方案為：下料→加熱→制坯→一次預(yù)鍛成形→二次精輾成形→取樣→性能檢測→精加工→超聲波檢測。

下料

嚴(yán)格按照下料施工單及鍛件工藝流轉(zhuǎn)卡規(guī)定的材質(zhì)、規(guī)格尺寸、重量進(jìn)行下料，下料時(shí)鋼錠的中心線要與承送料架的平面平行，下好的坯料兩斷面平行度≤5mm，兩端面與坯料中心線的垂直度≤5mm，切割面平整、無折縫，切割面與連鑄坯中心線垂直。

加熱

⑴嚴(yán)格按照坯料的加熱工藝曲線(圖1）進(jìn)行加熱升溫；

⑵加熱過程中，加熱工要隨時(shí)觀察爐內(nèi)工件的加熱情況，確保坯料的加熱質(zhì)量；

⑶加熱時(shí)間根據(jù)鍛件工藝卡片進(jìn)行。

圖1 坯料的加熱工藝曲線

制坯

選用3500t油壓機(jī)制坯，坯料高度鐓粗到(800±10）mm左右，用φ260mm沖頭進(jìn)行沖孔，沖孔對心，防止鍛造夾皮；沖孔時(shí)坯料中心與下沖頭中心應(yīng)對中，要求沖孔偏心≤5mm；嚴(yán)格按圖紙要求準(zhǔn)確安裝罩模，并將罩模牢固安裝在壓機(jī)上，嚴(yán)格按照工藝卡片控制罩模內(nèi)預(yù)成形鍛件的內(nèi)外徑和高度尺寸；鍛件始鍛溫度≤1150℃，終鍛溫度≥850℃，修整溫度≥850℃；坯料放置在油壓機(jī)下砧前，其上、下端面和工裝上的金屬氧化物必須清除干凈；做好制坯時(shí)坯料溫度、相關(guān)尺寸的現(xiàn)場記錄。制坯及輾環(huán)過程如圖2所示。

輾環(huán)

選用RAM5000輾環(huán)機(jī)嚴(yán)格參照工藝卡要求進(jìn)行輾環(huán)成形，精確細(xì)致控制芯輥、主軋輥、上下錐輥、抱輥的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，提高一次成形的質(zhì)量和成功率；輾制過程及時(shí)加注壓力水，以清除工裝和鍛件上的金屬氧化物及冷卻工裝模具；做好輾環(huán)成形過程中鍛件狀態(tài)、內(nèi)外徑和高度熱態(tài)尺寸的現(xiàn)場記錄；嚴(yán)格確保鍛造溫度范圍：850～1150℃。輾環(huán)技術(shù)要求：表面缺陷深度≤5mm；內(nèi)(外）徑圓度≤5mm；端面平面度≤5mm。

為了確保球閥閥芯鍛件的一次設(shè)計(jì)、制造成功，優(yōu)化工藝過程，節(jié)約成本，試制前運(yùn)用有限元模擬軟件進(jìn)行模擬軋制。

圖2 制坯及輾環(huán)流程圖

24"球閥閥芯軋制模擬分析報(bào)告

運(yùn)用ABAQUS有限元分析軟件建立了閥門球體軋制有限元模型，如圖3所示。

成形零件尺寸和截面形狀

軋制結(jié)束后，鍛件的截面形狀和主要尺寸如圖4、5所示。

圖3 有限元模型

圖4 模擬軋制鍛件外形圖

圖5 模擬軋制鍛件截面形狀及主要尺寸

應(yīng)變分析

軋制過程中的應(yīng)變分布變化規(guī)律如圖6所示。由圖6可看出，軋制過程中鍛件受驅(qū)動(dòng)輥與芯輥的軋制作用，其內(nèi)、外表面首先產(chǎn)生應(yīng)變，并隨著軋制的進(jìn)行逐漸向中間厚度區(qū)域擴(kuò)展。具體變形過程為毛坯鼓形處成形區(qū)域的金屬最先流動(dòng)(圖6b），此時(shí)鍛件的外徑略有縮小；隨后，在芯輥進(jìn)給的作用下，內(nèi)孔表面與上下端部四角處的金屬開始變形并流動(dòng)(圖6c、d）。軋制過程中毛坯鼓形處首先產(chǎn)生塑性變形，并且變形不斷地向毛坯兩端擴(kuò)散，這使得毛坯鼓形區(qū)域多余的金屬不斷地轉(zhuǎn)移到毛坯兩端，從而有利于鍛件上下端面弧形型腔的填充。

圖6 軋制中的應(yīng)變分布云圖

軋制中，中部圓弧面及端面處圓弧面先成形(圖6e），最后才成形兩者中間的圓弧面(圖6f）。軋制完成后，中部圓弧處(即毛坯鼓形處）應(yīng)變最大，兩端處圓弧面應(yīng)變其次，兩者中間的圓弧面處的應(yīng)變最小(圖6g、h）。由此可知，端面與中部之間的圓弧面較難填充，可能出現(xiàn)充不滿現(xiàn)象。

軋制總體變形規(guī)律為：隨著鍛件反復(fù)進(jìn)入徑向孔型，徑向局部塑性變形區(qū)不斷擴(kuò)展并相互積累，最終呈現(xiàn)出從中部區(qū)域到表面區(qū)域由低到高的漸變分布，鍛件外表面區(qū)域的應(yīng)變最大，而鍛件中心區(qū)域的應(yīng)變最小。

為了更好地反映鍛件在軋制過程中的應(yīng)變變化規(guī)律，選取鍛件截面不同位置的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)跟蹤比較，如圖7所示。由圖7可以看出，整個(gè)軋制過程中，鍛件各區(qū)域的應(yīng)變呈階梯狀上升，這是由于塑性變形區(qū)不斷動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移所致：當(dāng)鍛件進(jìn)入孔型時(shí)，產(chǎn)生了塑性變形，對應(yīng)于應(yīng)變的上升；當(dāng)鍛件離開孔型后，基本不發(fā)生塑性變形，對應(yīng)于應(yīng)變的水平階段。從圖7中也可以明顯看出，鍛件的應(yīng)變分布是極不均勻的，鍛件中部區(qū)域應(yīng)變最小，邊緣區(qū)域應(yīng)變最大。

圖7 軋制中鍛件不同區(qū)域的應(yīng)變變化規(guī)律

溫度分布分析

鍛件軋制過程中的溫度分布變化規(guī)律如圖8所示。在軋制初期，鍛件位于孔型的內(nèi)、外表面區(qū)域由于與軋輥接觸發(fā)生熱傳遞，因而造成這些區(qū)域溫度下降；隨著軋制過程的進(jìn)行，鍛件與軋輥接觸的表面區(qū)域不斷轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致整個(gè)鍛件表面溫度降低。此外，鍛件與外界環(huán)境之間產(chǎn)生的熱對流和熱輻射也導(dǎo)致鍛件表面溫度逐漸降低。另一方面，鍛件由于塑性變形而產(chǎn)生熱量會(huì)使其中部區(qū)域溫度有所上升。因此，軋制過程結(jié)束后，鍛件各部分的溫度分布非常不均勻，溫度從鍛件中部區(qū)域到表面區(qū)域呈現(xiàn)由高到低的漸變分布，在鍛件中部區(qū)域溫度最高，在鍛件邊緣區(qū)域溫度最低。

同樣選取鍛件截面不同位置的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度變化比較，如圖9所示。由圖9可以看出，不同跟蹤點(diǎn)處的溫度變化規(guī)律有所不同。對于鍛件邊緣區(qū)域，該處溫度在軋制過程中呈臺(tái)階式下降變化，這是由于在軋制過程中接觸區(qū)的轉(zhuǎn)變造成的：當(dāng)該區(qū)域進(jìn)入孔型時(shí)，與軋輥發(fā)生接觸，兩者之間發(fā)生熱傳遞，導(dǎo)致該處溫度急劇降低；當(dāng)該區(qū)域離開孔型時(shí)，會(huì)與環(huán)境之間發(fā)生熱對流與熱輻射，導(dǎo)致該處溫度微弱降低。對于鍛件中部區(qū)域，該處溫度在軋制過程中呈波形式變化，這是由于：當(dāng)該區(qū)域進(jìn)入孔型時(shí)，較大的塑性變形導(dǎo)致產(chǎn)生了較多的變形熱量，從而使該處溫度顯著上升。對于鍛件的內(nèi)表面，溫度在軋制前期下降得非常迅速，但當(dāng)軋制一段時(shí)間后，溫度下降明顯變緩，這是由于：此部分處于鍛件溫度場的內(nèi)部，隨著軋制的進(jìn)行，散熱逐漸困難，又由于變形功產(chǎn)生的熱量及時(shí)補(bǔ)償了散失的熱量，所以有效地阻止了此部分溫度過快下降。

由此可見，軋制過程中鍛件溫度分布變化規(guī)律復(fù)雜，影響因素眾多，導(dǎo)致鍛件溫度分布明顯不均勻，在軋制過程中，這種不均勻性會(huì)不斷地變化。

軋制力能分析

軋制過程中所需的軋制力與軋制力矩分別如圖10、11所示。由圖10知，軋制所需的最大軋制力為1499990N，所需平均軋制力為975105.69N；由圖11知，軋制所需的最大軋制力矩為216402N·m，所需平均軋制力矩為101531.148N·m。

從圖10、11可以看出，軋制過程中軋制力都經(jīng)歷了3個(gè)階段：第Ⅰ階段，鍛件逐漸咬入孔型，軋制力能在此階段顯著增加；第Ⅱ階段，鍛件進(jìn)入穩(wěn)定軋制階段，隨著軋制的進(jìn)行，鍛件的壁厚逐漸減小，變形區(qū)的面積逐漸減小，軋制力能緩慢降低；第Ⅲ階段，芯輥停止了進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，此時(shí)的殘余塑性變形會(huì)逐漸減小，軋制力能快速減小。從這兩個(gè)圖中還可以看出，軋制力能在整個(gè)軋制過程中一直處于波動(dòng)狀態(tài)，這也說明了鍛件軋制是一個(gè)不穩(wěn)定的變形過程。

圖9 軋制中鍛件不同區(qū)域的溫度變化規(guī)律

圖10 軋制力動(dòng)態(tài)變化圖

圖11 軋制力距動(dòng)態(tài)變化圖

■ 表1 24"球閥閥芯鍛件生產(chǎn)工藝對比數(shù)據(jù)

■ 表2 24"球閥閥芯鍛件力學(xué)性能對比數(shù)據(jù)

總結(jié)

采用新工藝生產(chǎn)的24"球閥閥芯鍛件的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

節(jié)約原材料，生產(chǎn)效率高

采用一次做鍛造比和多向模鍛粗成形、二次做輾軋精確成形的新工藝生產(chǎn)的24"球閥閥芯鍛件，與傳統(tǒng)的采用自由鍛工藝生產(chǎn)的鍛件相比，材料利用率提高1倍，加工工時(shí)節(jié)省了67%，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。24"球閥閥芯鍛件生產(chǎn)工藝對比數(shù)據(jù)見表1。

鍛造比高，鍛件力學(xué)性能好

24"球閥閥芯鍛件采用的新工藝能夠使坯料在各方向均勻受力，充分產(chǎn)生劇烈的大變形，能夠充分打碎原材料中的粗大鑄態(tài)組織，細(xì)化鍛件晶粒，從而得到組織細(xì)化、力學(xué)性能優(yōu)良的鍛件產(chǎn)品。相對于用戶要求的指標(biāo)，采用新工藝生產(chǎn)的24"球閥閥芯鍛件的屈服強(qiáng)度提高了1.5%，抗拉強(qiáng)度提高了4.8%，伸長率提高了170%，各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)均優(yōu)于用戶使用要求，見表2。

模具成本低，研發(fā)效率高

在24"球閥閥芯鍛件的研發(fā)過程中，金屬塑性成形CAE模擬仿真技術(shù)的應(yīng)用提高了模具的開發(fā)效率，避免了傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)方式設(shè)計(jì)、修改再設(shè)計(jì)的開發(fā)模式，大大縮短了模具的開發(fā)周期，降低了模具修改加工造成的費(fèi)用，加快了該項(xiàng)目的計(jì)劃進(jìn)程。

能源損耗低，鍛件質(zhì)量高

24"球閥閥芯鍛件采用多臺(tái)階高精準(zhǔn)可控動(dòng)態(tài)升溫技術(shù)，通過電腦控制加熱爐各燃?xì)鈬娮熘刑烊粴獾牧髁浚瑖?yán)格控制加熱爐內(nèi)各區(qū)域的溫度，有效避免了坯料的過燒、加熱溫度不均等缺陷，有效保證了鍛件表面及心部的溫度一致，確保了鍛件的最終質(zhì)量。