不銹鋼閥體的模鍛工藝研究

文／孫超，游和清·南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

不銹鋼閥體的模鍛工藝研究

文／孫超，游和清·南車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司

根據(jù)石油閥體外形特性，分析閥體模鍛工藝的特點(diǎn)，繪制鍛件圖、計(jì)算毛坯圖、坯料直徑圖，確定坯料尺寸，并利用Deform-3D進(jìn)行鍛造模擬。針對(duì)模鍛過程中易產(chǎn)生的缺陷以及應(yīng)該注意的問題，優(yōu)化鍛造工藝并驗(yàn)證。將模擬結(jié)果用于實(shí)際生產(chǎn)并取得成功。

閥體是閥門最重要的零件之一，它的主要功能是作為工作介質(zhì)的流動(dòng)通道，并承受工作介質(zhì)的壓力、溫度和腐蝕，在它的內(nèi)部構(gòu)成了一個(gè)容納閘板、閥座、閥桿等密封和啟閉件的空間。高壓閥門由于有承壓要求，閥體零件通常采用鍛造方式成形。

本文所述閥體鍛件屬于大型鍛件，要求鍛件填充飽滿、流線分布合理、表面不能產(chǎn)生折疊等缺陷。因此，研究既能批量生產(chǎn)又能提高材料利用率和成品合格率的成形工藝是十分必要的。采用Deform-3D塑性有限元模擬分析軟件對(duì)該閥體鍛造成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析研究在成形過程中出現(xiàn)的缺肉、飛邊體積過大等缺陷，優(yōu)化成形工藝及鍛造模具設(shè)計(jì)，改進(jìn)了原有工藝，并將新工藝應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

閥體成形工藝分析

閥體鍛件三維模型見圖1，鍛件重256kg。其外形復(fù)雜，截面變化大，大圓柱體頭、尾部分成形時(shí)間最晚，不易充滿；小圓柱體成形時(shí)填充高度大，容易缺料。在樣件試制過程中，出現(xiàn)了多處填充不滿、飛邊體積過大等缺陷。

該鍛件是典型的枝芽類鍛件。根據(jù)鍛件的形狀特點(diǎn)，變形方式除包括拔長(zhǎng)或拔長(zhǎng)加滾壓制坯外，為了便于鍛出枝丫還應(yīng)進(jìn)行成形制坯或預(yù)鍛。其工藝流程為：下料→加熱→預(yù)鐓粗→終鍛→切邊→隨爐緩冷→退火→熱處理→探傷與性能檢驗(yàn)。

圖1 閥體鍛件三維模型

鍛坯尺寸確定

設(shè)計(jì)鍛坯時(shí)，首先根據(jù)鍛件圖繪出截面圖和計(jì)算毛坯圖，各截面面積等于相應(yīng)長(zhǎng)度上截面積和飛邊截面積之和。同時(shí)根據(jù)計(jì)算毛坯圖設(shè)計(jì)出鍛件直徑圖，為使制坯過程簡(jiǎn)便并有利于終鍛成形，應(yīng)按體積不變條件將直徑圖簡(jiǎn)化成圓滑的形狀，鍛件、計(jì)算毛坯及坯料直徑圖見圖2。

圖2 鍛件圖、計(jì)算毛坯圖及坯料直徑圖

數(shù)值模擬分析

有限元模型

模擬分析設(shè)置坯料為塑性體，忽略了彈性變形及其回彈對(duì)形狀和尺寸精度的影響，模具為剛性體，不需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格和定義材料。鍛件選用材料為AISI-410（美國(guó)牌號(hào)，相當(dāng)于1Cr13），高度h為660mm，直徑d為φ280mm的圓棒坯料，始鍛溫度設(shè)定1100℃，劃分網(wǎng)格約13萬(wàn)。有限元模型其他條件：環(huán)境溫度為20℃，模具預(yù)熱溫度為200℃，增量步距1mm，上模下壓速率350mm/s（取決于所選擇的設(shè)備參數(shù)），坯料與下模運(yùn)動(dòng)速率設(shè)為0，坯料與模具摩擦系數(shù)取0.3。

試制方案模擬

采用預(yù)鍛時(shí)將圓棒坯料鐓粗到高度510mm以達(dá)到中心部位聚料，終鍛直接鍛造成形的工藝方案，圖3為鍛造過程模擬圖。由圖3b可見，在鍛造即將完成時(shí)鍛件大圓柱體頭、尾最外區(qū)域未完全充滿，由于飛邊體積過大，倉(cāng)部無(wú)法容納更多金屬，導(dǎo)致模具沒有完全打靠，出現(xiàn)缺肉現(xiàn)象。

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)：⑴坯料預(yù)鍛時(shí)，高度與直徑之比為2.36，根據(jù)相關(guān)資料，當(dāng)鐓粗高坯料時(shí)，常常容易產(chǎn)生雙鼓形，上部和下部變形大，中部變形小；⑵鐓粗工藝設(shè)計(jì)不合理，鐓粗時(shí)，聚料效果不明顯，導(dǎo)致終鍛時(shí)，筋部處材料過多流入飛邊槽，降低了材料利用率；⑶終鍛模具倉(cāng)部設(shè)計(jì)不合理，飛邊材料過多，導(dǎo)致鍛造時(shí)出現(xiàn)模具無(wú)法打靠的現(xiàn)象。

圖3 鍛造過程模擬

工藝方案優(yōu)化及模擬

根據(jù)上述模擬分析可知，對(duì)試制方案的優(yōu)化應(yīng)包括以下兩個(gè)方面：⑴預(yù)鍛鐓粗需降低坯料高徑比；⑵修改終鍛模具，增大飛邊槽體積。

降低坯料高徑比

降低坯料高徑比，通常有兩種方法：⑴降低坯料高度或者增加坯料直徑；⑵更改鐓粗模具，控制鐓粗形變高度。本文選擇后一種方法降低高徑比，預(yù)鍛模具由圓餅形狀更改為下凹形狀，下凹處尺寸為φ265mm×55mm，利用模具控制坯料鐓粗的高徑比變?yōu)?.96，鐓粗時(shí)中心部位聚料效果增加明顯。

終鍛模具改進(jìn)

由于試制模擬出現(xiàn)飛邊體積過大導(dǎo)致模具無(wú)法打靠的現(xiàn)象，為解決此問題，將飛邊深度加大，并更改飛邊輪廓形狀，以容納更多材料。同時(shí)考慮到鍛件采取水平分模，為了防止鍛件錯(cuò)差過大并使模具安裝調(diào)整方便，在模具上增加角鎖扣。圖4為預(yù)鍛模具與終鍛模具改進(jìn)效果圖。

終成形效果模擬

將改進(jìn)后的坯料經(jīng)預(yù)鍛鐓粗后放入終鍛模進(jìn)行終鍛成形模擬，圖5a為鍛造即將完成時(shí)接觸面圖，模擬顯示鍛件已經(jīng)成形完成，沒有出現(xiàn)缺料現(xiàn)象。圖5b為終鍛模擬結(jié)果，經(jīng)檢查，倉(cāng)部增大后，模具完全打靠，鍛件成形良好，未發(fā)現(xiàn)折疊，原先未充滿部位成形飽滿。圖5c為采用改進(jìn)后鍛造工藝方案成形的鍛件實(shí)物，鍛件實(shí)際成形與模擬結(jié)果一致。經(jīng)檢測(cè)，最終生產(chǎn)的鍛件滿足工藝要求，產(chǎn)品質(zhì)量合格。

圖4 預(yù)鍛模具與終鍛模具

圖5 改進(jìn)后鍛造過程模擬及鍛件

結(jié)束語(yǔ)

本文通過有限元模擬分析，發(fā)現(xiàn)預(yù)設(shè)計(jì)階段鍛件鐓粗聚料不明顯，材料過多導(dǎo)致模具無(wú)法打靠，鍛件成形不完全等問題。分析了缺陷產(chǎn)生的原因，并更換預(yù)鍛模，更改終鍛模具，增加角鎖扣。利用Deform-3D對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行重新模擬，驗(yàn)證了新方案的可行性，并最終得到合格的產(chǎn)品，為類似結(jié)構(gòu)零件的生產(chǎn)提供可行的參考。