高壓閥體模鍛工藝及模具設(shè)計(jì)

文／羅天園·中車資陽機(jī)車有限公司鍛造事業(yè)部

隨著石油行業(yè)的發(fā)展以及對(duì)鉆采設(shè)備技術(shù)要求的提高，越來越多的石油鉆采設(shè)備廠家將鑄造閥體改為鍛鋼件。我公司歷經(jīng)40余年鍛造技術(shù)的沉淀，已為國內(nèi)、國外用戶開發(fā)了各類高壓閥體鍛件近三十個(gè)品種，在模鍛閥體領(lǐng)域累積了豐富的鍛造經(jīng)驗(yàn)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

我公司生產(chǎn)的閥體材料主要為ASTM4130、ASTM410SS、F91、F92等，公司生產(chǎn)的閥體鍛件簡(jiǎn)圖如圖1所示，重量范圍從10kg到600kg，整體形狀趨于一致。從圖1可以看出，鍛件截面變化較大，在工藝制定及工裝設(shè)計(jì)時(shí)需考慮材料的預(yù)分料及工裝的合理設(shè)計(jì)便于金屬流動(dòng)。

圖1 鍛件二維圖

工藝技術(shù)分析

鍛造原材料規(guī)格的選取一般根據(jù)鍛件料耗及市場(chǎng)通用材料規(guī)格選取。具體的經(jīng)驗(yàn)方法如下，首先通過三維建模測(cè)算鍛件重量，考慮到料耗及火耗，在鍛件重量的基礎(chǔ)上乘以約1.16倍作為幾個(gè)基礎(chǔ)重量G，其次依據(jù)兩端法蘭的直徑大小選取在該尺寸上下偏差在±5mm之間的規(guī)格棒料D。

計(jì)算最大面積

通過三維建模分析鍛件的最大截面積S，一般閥體的最大截面均在最中間部位的閥身（圖2），并將該最大截面積Smax乘以1.15倍的經(jīng)驗(yàn)數(shù)值后作為所需坯料的截面積，再計(jì)算出相應(yīng)的Dmax。

圖2 閥體最大截面位置圖

測(cè)算鍛件的投影面積

依據(jù)投影面積來核算具體的設(shè)備噸位，一般采用鍛造經(jīng)驗(yàn)公式F=4S，其中F為模鍛錘噸位，S為鍛件投影與橋部、1/2倉部面積之和，依據(jù)不同的設(shè)備選型制定不同的工藝及工裝設(shè)計(jì)方案。

工藝路線及模具設(shè)計(jì)

通過上述工藝分析的數(shù)據(jù)就可以制訂具體的工藝路線和工裝設(shè)計(jì)思路，該過程又分為兩類，一類是D≥Dmax，另一類是D≤Dmax。

當(dāng)D≥Dmax時(shí)

根據(jù)重量計(jì)算出坯料長(zhǎng)度L，若L與鍛件總長(zhǎng)接近或略短時(shí)，可以直接選取該規(guī)格作為工藝用料。當(dāng)L大于鍛件總長(zhǎng)時(shí)，可選取略大規(guī)格的材料，計(jì)算后保證L略短于鍛件總長(zhǎng)即可。

上述分析提及的鍛件的工藝方法及工裝設(shè)計(jì)均較為簡(jiǎn)單，其工藝方法為坯料直接送入型腔便可鍛打，過程中注意清理氧化皮及鍛件尺寸的控制。其工裝設(shè)計(jì)思路為單模腔鍛造，可設(shè)計(jì)四角鎖扣以提升工裝導(dǎo)向精度，具體工裝圖設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 單型腔閥體鍛模結(jié)構(gòu)

當(dāng)D＜Dmax時(shí)

又分為兩種情況，這種情況又分為兩種類型，即D＜Dmax＜1.15D和1.15D≤Dmax。

當(dāng)D＜Dmax＜1.15D時(shí)，工藝方案及工裝設(shè)計(jì)思路均可參照前文方案執(zhí)行，因?yàn)榧幢闩髁系慕孛嫘∮阱懠孛鍿max，但兩端法蘭頸部在變形時(shí)會(huì)將一部分金屬擠壓到中體部位，不至于鍛件中體缺料，鍛件仍可以充滿。

當(dāng)1.15D≤Dmax時(shí)，就要在工藝方案和工裝設(shè)計(jì)時(shí)考慮其他制坯方法。若鍛件重量在150kg左右，且模塊足夠大，在承擊面允許的情況下可以在鍛模上設(shè)計(jì)一個(gè)鐓粗型腔，將坯料進(jìn)行鐓粗后再放入終鍛型腔，在鐓粗的同時(shí)可以去除大部分氧化皮，其工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示，圖中圓形型腔即為坯料鐓粗型腔。

圖4 有鐓粗型腔的鍛模結(jié)構(gòu)

當(dāng)鍛件最大截面超過坯料直徑1.15倍且鍛件重量較大，分模面較小，不適宜在錘上鐓粗時(shí)，只能采用自由鍛造進(jìn)行制坯。其工裝設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)同圖3，其自由鍛制坯時(shí)，原材料規(guī)格選取方法仍然需參照兩端法蘭截面。同時(shí)需設(shè)計(jì)一套鐓粗用漏盤，鐓粗時(shí)將漏盤放置在坯料上下端進(jìn)行自由鐓粗，鐓粗后坯料總長(zhǎng)比熱鍛件短30～50mm，其中漏盤要有足夠的斜度且口部圓角要足夠大，否則易在鍛件過渡處形成折疊。具體制坯方式及效果圖見圖5。

圖5 自由鍛制坯方式及效果圖

為進(jìn)一步降低生產(chǎn)成本，正在研究一種大型閥體在模鍛錘上制坯的方案，該方案將盡可能的發(fā)揮我公司10t、16t模鍛錘聯(lián)合鍛造的優(yōu)勢(shì)，將自由鍛制坯成本偏高及模鍛錘上制坯不方便操作的弊端得以消除，從而實(shí)現(xiàn)大型閥體1～1.5火次鍛造成形。該方案不但可有效降低生產(chǎn)成本而且可很好的提升鍛件表面質(zhì)量，在鐓粗時(shí)徹底解決表面氧化皮的困擾。思路是將上述的漏盤以鑲塊模的方式設(shè)計(jì)并裝配到10t模上，并考慮通用及互換性。坯料在10t模進(jìn)行鐓粗后，采用操作機(jī)轉(zhuǎn)移至16t模鍛錘進(jìn)行鍛造，從而實(shí)現(xiàn)一火次鍛造。其中若生產(chǎn)節(jié)拍較長(zhǎng)或異常時(shí)，可將坯料稍許加熱保溫后再進(jìn)行模鍛，鑲塊模設(shè)計(jì)如圖6所示。

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圖6 鑲塊模設(shè)計(jì)圖

生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題及措施

目前，我公司已生產(chǎn)各類閥體三十余種，重量范圍從10kg到560kg，其中有需要制坯也有一次成形，根據(jù)產(chǎn)品重量、規(guī)格形成了一系列的閥體生產(chǎn)工藝及工裝，期間也發(fā)生了一些質(zhì)量問題，隨著工藝的不斷改進(jìn)及操作水平的提高，一系列質(zhì)量問題正在不斷消除中。

鍛件表面質(zhì)量較差

由于先期操作人員質(zhì)量意識(shí)不強(qiáng)，未能將氧化皮有效去除，導(dǎo)致氧化皮粘在坯料表面，最終在鍛件上形成凹坑，嚴(yán)重影響外觀質(zhì)量及加工余量。通過后期的質(zhì)量意識(shí)教育并在工藝中嚴(yán)格要求，同時(shí)在生產(chǎn)中加入氧化皮去除工序后，表面質(zhì)量得到一定提升。

鍛件彎曲

由于部分鍛件頸部尺寸較小，當(dāng)鍛模型腔尺寸變大時(shí)，切邊的過程中切邊力也相應(yīng)地增大，導(dǎo)致頸部及法蘭部位切邊力激增，而使得鍛件在長(zhǎng)度方向發(fā)生一定量的彎曲，進(jìn)而影響后續(xù)加工，給劃線加工造成不必要的麻煩。后續(xù)生產(chǎn)中通過及時(shí)打磨切邊模刃口使其鋒利，及時(shí)修復(fù)鍛模該類質(zhì)量問題可以逐步解決。

法蘭及頸部產(chǎn)生折疊

此類問題主要發(fā)生在鍛模上進(jìn)行鐓粗類產(chǎn)品，其原因主要為坯料鐓粗過度，導(dǎo)致過渡部位過于激凸形成臺(tái)階，進(jìn)而在模鍛時(shí)形成折疊。出現(xiàn)該質(zhì)量問題后，及時(shí)對(duì)班組做出要求，要求對(duì)鐓粗高度做出限制，同時(shí)對(duì)鐓粗型腔口部圓角進(jìn)行加大，此類問題得以解決。

模具塌陷嚴(yán)重

由于鍛模四個(gè)頸部位置在生產(chǎn)中極易發(fā)生塌陷，一旦班組不能發(fā)現(xiàn)工裝塌陷導(dǎo)致鍛件局部缺肉，可能會(huì)生產(chǎn)出批量廢品。在此種情況下，首先將鍛模四個(gè)口部圓角修磨使其增大至原尺寸2～3倍，其次要求班組在生產(chǎn)時(shí)，必須采用噴霧進(jìn)行冷卻，避免鍛模局部受熱變形。

批量生產(chǎn)

我公司正進(jìn)行多個(gè)品種的閥體生產(chǎn)，在工藝、工裝設(shè)計(jì)中均采用上述方案，取得了良好的效果，同時(shí)也出現(xiàn)一些質(zhì)量問題，通過相應(yīng)的措施得以消除，圖7所示為批量生產(chǎn)的閥體鍛件。

圖7 批量生產(chǎn)的閥體鍛件

總結(jié)

我公司擁有十余年生產(chǎn)各類閥體的鍛造歷史，涉及三十余種平板閥、旋塞閥、截止閥、角閥類鍛件，積累了較為豐富的設(shè)計(jì)及生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)。在此期間走了不少彎路，最終探索出了一條成功的道路。通過多年來設(shè)計(jì)、生產(chǎn)閥體的經(jīng)驗(yàn)，已具備生產(chǎn)各種閥體的能力，且質(zhì)量控制水平也在穩(wěn)步提高，為公司繼續(xù)做大、做強(qiáng)鍛件產(chǎn)業(yè)奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。