閘閥閥桿鍛壓成型制作工藝的探索與研究

王勝原 趙光勝 宋永啟

（銅陵天海流體控制股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

一、前言

閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能，可用于控制空氣、水、蒸汽、各種腐蝕性介質(zhì)、泥漿、油品、液態(tài)金屬和放射性介質(zhì)等各種類型流體介質(zhì)。其中閘閥作為一種結(jié)構(gòu)簡單、操作使用方便、性價比高的閥門，在自來水工程、污水處理、環(huán)保、建筑、化工、電力、食品等工程項(xiàng)目中應(yīng)用十分廣泛。

閘閥，主要由閥體、閥桿、閥瓣、閥蓋、閥桿螺母及密封件等零件組成。將閥桿螺母安裝在閥瓣的T形定位槽中，閥桿螺母與閥桿之間通過梯形螺紋進(jìn)行連接，而閥桿固定在閥蓋上，最后將安裝有閥桿、閥瓣、閥桿螺母后的閥蓋再安裝在閥體零件上，組成了整個閘閥結(jié)構(gòu)框架。其中閥桿是閥門的一個重要零部件，用于閥門扭矩的傳遞。閥桿上部連接動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)或者手柄，下部連接閥桿螺母直接帶動閥瓣移動或轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)閥門開關(guān)或者調(diào)節(jié)開度大小的作用。

鍛壓工藝是鍛造和沖壓的合稱，是利用鍛壓機(jī)械的錘頭、砧塊、沖頭或通過模具對坯料施加壓力，使之產(chǎn)生塑性變形，從而獲得所需形狀和尺寸的制件的成形加工方法[1]。在閥桿制作過程中，棒料待加工部位經(jīng)過加熱而發(fā)生明顯的塑性變形，有著塑性流動，再利用沖壓加工，改變不銹鋼棒料待加工部位的形狀，且不出現(xiàn)較大距離的塑性流動。鍛壓用于加工閥桿坯料制件，使閥桿結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、綜合性能好、使用可靠。

本文針對軟密封閘閥的閥桿在加工制作過程中存在的缺陷，結(jié)合鍛壓成型工藝，采用一種局部鍛打的制作方法，并通過實(shí)際的試驗(yàn)，加工制作及使用驗(yàn)證，證明了這種制作方法的可靠性和實(shí)用性，并且列舉了軟密封閘閥閥桿坯料采用局部鍛打制作的優(yōu)點(diǎn)。

二、閘閥的結(jié)構(gòu)及閥桿零件

銅陵天海流體控制股份有限公司設(shè)計(jì)的軟密封閘閥，主要由閥體、閥桿、閥瓣、閥蓋、閥桿螺母及密封件等零件組成。先將閥桿螺母安裝在閥瓣的T形定位槽中，閥桿螺母與閥桿之間通過梯形螺紋進(jìn)行連接，套有O型圈的閥桿通過定位環(huán)固定在閥蓋上，接著將安裝有閥桿、閥瓣、閥桿螺母以及密封墊的整體閥蓋安裝在閥體零件上，配合著裝上密封圈，壓蓋及防塵圈，最好裝配上操作裝置手輪，便組成了整個閘閥。其結(jié)構(gòu)如下（見圖1）：

圖1 軟密封閘閥結(jié)構(gòu)圖

從上圖可以看出，閥桿在閥門開關(guān)過程中不但是運(yùn)動件、而且外徑與O形圈或其它密封件配合起到密封作用，因此閥桿零件在整個閥門中起著至關(guān)重要的作用，所以在制作閥桿零件時，必須保證它在規(guī)定的工況下有足夠的強(qiáng)度、良好的沖擊韌性[2]、抗摩擦性和耐腐蝕性。而良好的工藝方法是降低產(chǎn)品成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量的保證。

圖2 軟密封閘閥閥桿圖

上圖是DN350軟密封閘閥閥桿的零件圖，右邊是梯形螺紋與閥桿螺母連接，中間部位φ60圓柱段安裝在閥蓋上，左端的端部安裝操作零件如手輪，閥桿的材料為20Cr13不銹鋼 。從圖中可以看出，閥桿存在中間偏上部位直徑大，兩端直徑小的情況。若采用一根φ65圓鋼棒料下料來加工，存在浪費(fèi)材料、加工效率低、成本高等缺點(diǎn)，現(xiàn)在一般不再使用此種工藝。若中間直徑大的部位采用φ65*10直徑的圓鋼下料后與φ45直徑的圓鋼焊接制作坯料來加工，由于焊接及工藝方面的原因，容易出現(xiàn)焊接部位脫落的質(zhì)量隱患。

三、不銹鋼焊接工藝

不銹鋼焊接性一般分為兩個方面：一是結(jié)合性即一種金屬材料在指定的焊接工藝下，對焊接缺陷的敏感性；二是使用性即金屬材料在指定的焊接條件下所形成的焊接接頭適用使用的情況[3]。

現(xiàn)在不銹鋼焊接的方式有很多種，例如不銹鋼手工鎢極氬弧焊或氬弧焊機(jī)、不銹鋼釬焊連接、不銹鋼的電阻焊連接及不銹鋼的激光焊連接等方式，而銅陵天海流體控制股份有限公司目前運(yùn)用最廣泛的是手工氬弧焊和氬弧焊機(jī)。手工鎢絲氬弧焊電弧熱量集中、操作靈活方便，適用于多種復(fù)雜工況。

銅陵天海流體控制股份有限公司最初制作閘閥閥桿采用的是氬弧焊的方式，將加工好的定位環(huán)坯料套入不銹鋼棒料中，從側(cè)面現(xiàn)配打孔，將兩個定位銷從兩側(cè)敲入，使定位環(huán)和不銹鋼棒料固定，再采用手工氬弧焊熱化焊條堆焊定位環(huán)和不銹鋼棒料上下接觸面，完成閥桿坯料的制作。但是將所得到的閥桿坯料加工成閥桿以及裝入閥門的使用中會遇到很多問題。首先因?yàn)楹附拥脑蛟诙ㄎ画h(huán)上下位置會留下焊疤，在加工過程中對于焊疤的處理會很麻煩，加工會降低連接的強(qiáng)度，而不加工會留下焊疤的痕跡，在美觀、使用等方面差很多。將閥桿放入閘閥中使用，對于開啟扭矩小的閘閥不會有問題，但是當(dāng)運(yùn)用于開啟扭矩大的閘閥，開關(guān)幾次后，焊接的定位環(huán)和中間的絲桿會因?yàn)榕ぞ剡^大而分離開，從而很難起到止推的作用。多次試驗(yàn)過后，得到的還是相同的結(jié)果。焊接閥桿強(qiáng)度低，穩(wěn)定性差，再加工焊接工藝過程耗時長，在大批量生產(chǎn)上很難實(shí)行，最后放棄采用焊接的方式。

四、鍛壓成型工藝

鍛壓成型工藝發(fā)展歷史悠久，早可追溯人類新石器末期，當(dāng)時就已經(jīng)出現(xiàn)了采用鍛打的方式加工銅器等小工藝品，而鍛壓成型進(jìn)入現(xiàn)代文明要追溯到英國工業(yè)革命時期第一臺蒸汽錘及液壓機(jī)，使鍛造和沖壓進(jìn)入機(jī)械化使用當(dāng)中，如今鍛壓成型所使用的機(jī)械化裝置不斷發(fā)展，使之在機(jī)械生產(chǎn)中已經(jīng)被廣泛運(yùn)用。

鍛壓分兩類：一是按成形方式鍛壓，可分鍛造和沖壓兩類；二是按變形溫度鍛壓，可分熱、冷、溫及等溫鍛壓等[1]。

熱鍛壓是在金屬再結(jié)晶溫度以上進(jìn)行的鍛壓，改善金屬的塑性，減小金屬的變形抗力。雖然熱鍛壓工序多，工件精度差，表面不光潔，但閘閥閥桿對于坯料的外觀要求并不高。

冷鍛壓是在低于金屬再結(jié)晶溫度下進(jìn)行的鍛壓，在常溫下冷鍛壓成形的工件，其形狀和尺寸精度高，表面光潔，加工工序少，便于自動化生產(chǎn)。但冷鍛時金屬的塑性低，易產(chǎn)生開裂，閘閥閥桿合格利用率會降低，鍛壓設(shè)備要求高，成本較大。

鍛壓是使金屬進(jìn)行塑性流動，將棒料制成所需形狀的工件。而且生產(chǎn)中，鍛壓成型工藝常根據(jù)這些規(guī)律控制工件形狀，實(shí)現(xiàn)鐓粗拔長、擴(kuò)孔、彎曲、拉深等變形。

結(jié)合對閘閥閥桿的加工過程,坯料的強(qiáng)度要求以及考慮鍛壓機(jī)械需求，所以想到用熱鍛壓的方式來進(jìn)行閥門閥桿的試做。公司采購了鍛壓機(jī)械，采用鍛壓機(jī)械和鍛壓生產(chǎn)線，準(zhǔn)備組織專業(yè)化大批量或大量生產(chǎn)。

將不銹鋼棒料待加工部位經(jīng)過熱鍛壓成型后，坯料被壓實(shí)；同時改變坯料鍛壓部分偏析和不均勻分布，使組織均勻，從而獲得內(nèi)部密實(shí)、均勻、細(xì)微、綜合性能好、使用可靠的坯料。因?yàn)殄憠撼龅墓ぜ叽缇_、有利于組織批量生產(chǎn)，所以滿足閥桿批量生產(chǎn)的要求。

鍛壓工藝未來的發(fā)展的方向會向提高鍛壓件的內(nèi)在質(zhì)量、發(fā)展精密鍛造和精密沖壓技術(shù)、研制生產(chǎn)率和自動化程度更高的鍛壓設(shè)備和鍛壓生產(chǎn)線、發(fā)展新型鍛壓材料和鍛壓加工方法等方面發(fā)展。主要提高鍛壓件機(jī)械性能(強(qiáng)度、塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度)和可靠性。

鍛壓成型工藝發(fā)展方向說明采用鍛壓工藝來制作閘閥閥桿不僅能滿足當(dāng)下，而且還有很多的發(fā)展空間；鍛壓成型工藝制作的閥桿坯料能減少甚至無切削加工，這是機(jī)械生產(chǎn)提高材料利用率、提高勞動生產(chǎn)率和降低能源消耗的最重要的主題和方向，所以也不容易被淘汰。

五、局部鍛打工藝

鑒于原整體圓鋼坯料下料及加工存在的缺點(diǎn)，我司采用一種局部鍛打成型工藝制作閥桿坯料，熱處理后再進(jìn)行機(jī)加工。其局部鍛打后的坯料圖如下（見圖 3）。

圖3 閘閥閥桿坯料圖

局部鍛打制作坯料的步驟如下：

（一）下料：一般按下述公式核算下料長度，即下料長度=坯料長度+凸起部位長度*鍛造比。下料長度除了保證正常的偏差外，還需要考慮鍛造比[2]。鍛造比為下料后鍛打成坯料中間凸起的部位長度與鍛打前所需圓鋼的長度的比值。如圖3所示的坯料，按圖紙要求閥桿長度為597，考慮到鍛造比，按銅陵天海流體控制股份有限公司的經(jīng)驗(yàn)為1.35，則：下料長度=597+20*1.35=624。即可采用φ45直徑的20Cr13圓鋼下料624，制作DN350軟密封閘閥的閥桿坯料。

（二）加熱：下料后的坯料，在鍛打前需要加熱。此處采用的是一種自制的電磁感應(yīng)圈局部加熱的方法，加熱的部位及需要加熱段的長度應(yīng)根據(jù)坯料的圖紙來確定。加熱段的長度可以通過增加或減少感應(yīng)圈的圈數(shù)來實(shí)現(xiàn)，被鍛部位需加熱至1100～1150℃，并應(yīng)注意高溫區(qū)停留時間不宜過長，否則易造成嚴(yán)重過氧化、元素貧化和晶粒粗化的缺陷。一般情況下，加熱部位即為鍛打后的凸起部位，加熱段的長度應(yīng)略長于凸起部位長度*鍛造比，并根據(jù)圓鋼的直徑和壓機(jī)的壓力大小進(jìn)行調(diào)整。本公司使用的是定制高頻爐，型號為TP200，電磁感應(yīng)圈采用φ8直徑的銅管繞成，可根據(jù)需要調(diào)整加熱長度。如圖3所示的坯料，加熱部位為圖3從左到右105至140處，加熱長度約為35（見圖4）。

圖4 閥桿坯料加熱及鍛壓部位圖

（三）局部鍛打：加熱后的坯料，放入鍛模中，采用壓力機(jī)一次鍛打成型。鍛模主要由下鍛模、中鍛模、上鍛模三部分組成 （見圖5）。下鍛模用于坯料的固定，可以通過下端的調(diào)節(jié)桿和調(diào)節(jié)塊，根據(jù)需要調(diào)節(jié)閥桿臺階下端的長度；中鍛模用于坯料的局部鍛打成型，腔體的直徑和長度應(yīng)滿足坯料尺寸要求；上鍛模用于承受壓力機(jī)的壓力并輔助鍛打成型。在鍛打進(jìn)行前，應(yīng)將鍛模放在壓力機(jī)的工作臺上，調(diào)整壓力機(jī)的下行程長度，保證壓力機(jī)的下行程位置正好為鍛件成型后的尺寸位置。還應(yīng)注意加熱的坯料不可以倒放，應(yīng)使加熱部位在中鍛模的位置。局部鍛打后，直接采用空冷的方式自然冷卻。鍛打一般采用開式固定壓力機(jī)，φ40及以下圓鋼坯料一般要求壓力為800-1650kN，φ40以上一般要求壓力大于1650 kN。如果坯料外徑較細(xì)，凸起部位直徑較粗，即變形量大，應(yīng)用2次或多次鍛壓成型，多次鍛壓成型應(yīng)拋光坯料外面的氧化層，不然容易產(chǎn)生夾渣現(xiàn)象。目前本公司一般采用一次鍛壓成型，使用的是浙江高精鍛壓股份有限公司生產(chǎn)的J21系列開式固定壓力機(jī)，最大壓力達(dá)到3150 kN，能加工DN800的閘閥閥桿。

圖5 鍛模結(jié)構(gòu)圖

（四）熱處理：由于坯料局部鍛打后存在熱應(yīng)力、組織應(yīng)力和殘余應(yīng)力，為消除應(yīng)力及改善機(jī)械性能[4]，鍛打后的坯料須及時進(jìn)行軟化退火處理，將坯料緩慢加熱至 620～680℃左右并保溫5～6h[5]左右，消除內(nèi)應(yīng)力，降低硬度便于機(jī)械加工并改善機(jī)械性能。本公司使用型號為01-90-11，功率為90KW的工業(yè)電阻爐進(jìn)行熱處理，工作室尺寸為2400*600*1000?？蛻粲刑厥庖蟮?，還要進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。

六、局部鍛打閥桿坯料的優(yōu)點(diǎn)

局部鍛打閥桿坯料的工藝，主要體現(xiàn)了如下優(yōu)點(diǎn)：

（一）節(jié)省材料用量成本

若直接采用圓鋼下料加工而成，如圖2所示的閥桿，須采用φ65*597mm的20Cr13圓鋼加工，其重量約為15.45kg;采用局部鍛打成型的工藝，其重量約為7.7kg，較直接采用圓鋼下料加工相比，局部鍛打方法節(jié)省材料重量一半左右。根據(jù)我們的總結(jié)，與此類似的閥桿采用局部鍛打工藝制作坯料后，僅加工閥桿節(jié)省材料用量就可達(dá)三分之一至二分之一左右。

（二）降低加工成本

原閥桿是由圓鋼直接加工而成，由于兩端直徑和中間部分的外徑相差較大，為了滿足閥桿材料的強(qiáng)度和機(jī)械性能要求，圓鋼必須先粗車并留2～3mm余量后再進(jìn)行熱處理和機(jī)加工；而采用局部鍛打工藝制作坯料后，不進(jìn)行粗加工即可進(jìn)行熱處理，節(jié)省了粗加工的加工成本費(fèi)用。

（三）提高產(chǎn)品質(zhì)量可靠性

若中間直徑大的部位采用鋼管下料后與圓鋼焊接來加工，20Cr13材料存在焊接工藝性不好的特點(diǎn)及閥桿臺階部位是轉(zhuǎn)動并受力部位，在使用過程中容易使得閥桿焊接部位脫落，使得閥桿的運(yùn)行可靠性大大降低，對閥門的質(zhì)量存在極大隱患，而采用局部鍛打工藝制作坯料的工藝則避免了該問題的出現(xiàn)。

七、局部鍛打閥桿坯料的實(shí)際應(yīng)用

我司采用局部鍛打工藝制作的閥桿坯料經(jīng)熱處理后，對鍛打成型的部位取樣進(jìn)行材料的拉伸、沖擊等機(jī)械性能檢測，與整體圓鋼坯料的機(jī)械性能基本一致，進(jìn)行X射線檢測后未發(fā)現(xiàn)有異常的缺陷。局部鍛打坯料與采用大直徑圓鋼加工的閥桿零件分別組裝后在我司測試臺上進(jìn)行扭矩、壓力、密封性能、壽命耐久對比試驗(yàn)，通過相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：局部鍛打坯料與采用大直徑圓鋼加工的閥桿組裝的閘閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致，均滿足相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)要求。通過最后拆解檢查，局部鍛打坯料制作的閥桿無異常情況產(chǎn)生。

經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)表明，除20Cr13材料外，14Cr17Ni2和07Cr19Ni9等其它材料也可以采用局部鍛打的工藝制作閥桿的坯料。

八、結(jié)論

通過試驗(yàn)驗(yàn)證表明：局部鍛打軟密封閘閥閥桿坯料的方案是可行的，其強(qiáng)度等各方面均可滿足使用要求，并且總體上可以節(jié)省產(chǎn)品零件的成本，增強(qiáng)了產(chǎn)品在市場上的競爭優(yōu)勢。產(chǎn)品批量生產(chǎn)并經(jīng)客戶實(shí)際使用驗(yàn)證，使用效果很好。