一種球閥球體鍛件的鍛造工藝

文／徐文翠，吳艷麗，趙文成·中冶重工（唐山）有限公司

球閥被廣泛的應(yīng)用于石油煉制、長輸管線、化工、水利、電力、核電等行業(yè)，球體是球閥的啟閉件，是球閥的關(guān)鍵元件。采用Z2CND17-12 制造的DN80 球體應(yīng)用于核電站管線領(lǐng)域，對產(chǎn)品力學(xué)性能及耐腐蝕性能都有很高的要求。目前，該類球體元件主要制造方法有以下三種：

⑴鑄造，該方法的主要缺點(diǎn)是鑄件內(nèi)部易產(chǎn)生夾雜、氣孔、縮松和裂紋等缺陷，且生產(chǎn)效率和合格率低。

⑵機(jī)械加工，按照球體球徑采用合適規(guī)格棒料，然后機(jī)械加工而成。該方法的主要缺點(diǎn)是材料利用率低，生產(chǎn)周期長，且對棒料力學(xué)性能要求高。

⑶普通模鍛，該方法將原材料加熱后鍛打成實(shí)心球體毛坯，再通過機(jī)加工完成內(nèi)孔，材料利用率仍然不高，總生產(chǎn)周期長。

綜合不同制造方法的優(yōu)缺點(diǎn)，通過有限元數(shù)值模擬，我們研發(fā)出一種基于多向模鍛成形技術(shù)的閉式擠壓工藝，在壓機(jī)一個(gè)行程內(nèi)，加熱一次毛坯便可成形球體外形及主要內(nèi)孔，不僅顯著提高了材料的利用率，減少了機(jī)械加工工時(shí)，縮短生產(chǎn)周期，更因閉式擠壓的變形特點(diǎn)提高了球體的機(jī)械性能。

鍛件及模具設(shè)計(jì)

鍛件設(shè)計(jì)

產(chǎn)品規(guī)格為DN80，材質(zhì)Z2CND17-12，零件質(zhì)量3.98kg。圖1 為DN80 球體零件的示意圖，零件結(jié)構(gòu)對稱，通道直徑φ74mm。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)形式結(jié)合閉式擠壓成形工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)DN80 球體鍛件如圖2 所示。鍛件采用水平分模方式，該結(jié)構(gòu)形式有利于坯料定位及金屬流動(dòng)，且方便生產(chǎn)操作。鍛件機(jī)械加工余量、圓角半徑、沖孔連皮等按照規(guī)范設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)鍛件質(zhì)量5.65kg，材料利用率約為70%。鍛件A 處結(jié)構(gòu)為壓余設(shè)計(jì)，以保證金屬充滿模膛及減少凸模成形力。

模具設(shè)計(jì)

根據(jù)圖2 球體鍛件圖，結(jié)合多向模鍛工藝特點(diǎn)，運(yùn)用SolidWorks 三維造型軟件，設(shè)計(jì)模具結(jié)構(gòu)如圖3所示，該結(jié)構(gòu)由上、下凹模、水平凸模、下頂出桿組成。

有限元數(shù)值模擬

幾何模型建立

將圖3 所示坯料及模具幾何模型導(dǎo)入Deform-3D前處理中。坯料及模具模型均具有對稱性，為減少運(yùn)算量、提高模擬精度，以坯料及模具的1/2 模型進(jìn)行模擬。

邊界條件設(shè)定

坯料材料模型：AISI-F316L，該材料模型與Z2CND17-12 化學(xué)成分幾乎一致。形狀：圓棒料，規(guī)格：φ85mm×125.5mm，質(zhì)量：5.65kg，坯料定義為塑性體。模具材料模型：AISI-H13，凹模及凸模運(yùn)行速度：25mm/s。坯料與模具熱交換系數(shù)：8kW/m2·℃，坯料與模具間的摩擦選用剪切摩擦模型，摩擦因子0.12。

模擬成形方案

在多向模鍛技術(shù)中，凹模與凸模不同的動(dòng)作組合對成形載荷、鍛件充填情況等都有較大的影響，本鍛件擬采用的模具動(dòng)作過程為：上凹模合模→水平凸模對擠成形→上凹?；爻獭酵鼓；爻?。為簡化模擬過程，數(shù)值模擬分析時(shí)省略下頂出桿。

模擬結(jié)果分析

圖4 所示為數(shù)值模擬成形過程及鍛件成形情況。由圖可知，上凹模下壓過程中對坯料進(jìn)行鐓粗，鐓粗量為10mm，合模結(jié)束時(shí)，毛坯中部金屬如自由鍛鐓粗一樣形成鼓形，如圖4(b)。水平凸模在對向擠壓過程中，接觸毛坯后，先對毛坯進(jìn)行鐓粗，使金屬向著凹模型腔前后方向流動(dòng)，如圖4(c)，直至前后方向接觸凹模型腔，水平凸模開始對金屬反擠壓，使金屬向型腔左右兩端流動(dòng)，如圖4(d)，直至充滿型腔。根據(jù)圖4(e)及Deform-3D 后處理結(jié)果顯示，鍛件充填飽滿且在成形過程中無缺陷產(chǎn)生。上凹模合模載荷：11MN，水平凸模載荷5.6MN。

試驗(yàn)驗(yàn)證

在我公司40MN 多向模鍛生產(chǎn)線及配套設(shè)備上進(jìn)行該球體鍛件閉式擠壓試驗(yàn)，工藝流程為：下料→坯料加熱→模具準(zhǔn)備→去除氧化皮→鐓擠成形→無損檢測→鍛件熱處理→鍛件拋丸。

坯料及模具準(zhǔn)備

采用帶鋸床對坯料進(jìn)行下料，下料規(guī)格為φ85mm×125.5mm，長度偏差±0.5mm。采用箱式電阻爐加熱坯料，空爐升溫至1180℃，放入坯料，保溫1.5h。始鍛溫度為1180℃，模具預(yù)熱溫度200 ～300℃，為保證模具熱透，預(yù)熱時(shí)間不小于5h。潤滑劑采用埃奇森F568，按配比1∶3 與水混合。

工藝方案

為獲得最優(yōu)的成形結(jié)果，擠壓過程中應(yīng)保證水平凸模運(yùn)行的同步性，具體水平凸?？刂品绞讲扇∥灰瓶刂?，上凹模采取壓力控制，壓力40MPa。該鍛件具體成形過程為：上凹模合模（位移250mm）→水平凸模對向穿孔至終點(diǎn)位置（位移150mm）→水平凸模卸荷→上凹?；爻獭酵鼓；爻獭马敵錾闲许敵鲥懠?/p>

鍛件成形質(zhì)量

按照上述工藝方案，在40MN 多向模鍛液壓機(jī)生產(chǎn)線上進(jìn)行了試制試驗(yàn)，圖5(a)為試制鍛件，圖5(b)為加工后零件。由圖5 可看出，鍛件壓余處已流入金屬，鍛件填充飽滿，表面無裂紋、折疊等缺陷，分模面處無毛刺、錯(cuò)模，鍛件內(nèi)孔光滑。超聲檢測結(jié)果顯示，鍛件內(nèi)部無折疊、裂紋等缺陷。

鍛件力學(xué)性能

對鍛件進(jìn)行固溶加淬火熱處理后本體取樣。圖6是鍛件拉伸試樣取樣位置圖。鍛件力學(xué)性能與標(biāo)準(zhǔn)要求值對比情況見表1，由表1 可看出經(jīng)閉式擠壓工藝成形的球體鍛件各項(xiàng)力學(xué)性能均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)要求值，屈服強(qiáng)度提高了37.1%，抗拉強(qiáng)度提高了8.1%，伸長率提高了36.7%。

成形載荷

表1 力學(xué)性能對比表

表2 成形載荷對比表

試驗(yàn)所用壓機(jī)液壓缸內(nèi)置壓力傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測液壓缸的壓力，由于上凹模采用壓力控制，壓力為設(shè)定值，本文僅對水平凸模實(shí)測成形載荷和數(shù)值模擬成形載荷進(jìn)行對比，見表2。模擬載荷比實(shí)測載荷偏大16.7%，今后同類型、同材質(zhì)鍛件水平凸模成形力可采用該參數(shù)進(jìn)行修正。

結(jié)果分析

基于多向模鍛成形技術(shù)，將DN80 球閥球體內(nèi)孔及上下端面一火鍛造成形，與采用φ135mm 棒料機(jī)械加工該零件相比，材料利用率可提高一倍，顯著縮短加工工時(shí)，大大降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。且采用多向模鍛技術(shù)制造的鍛件組織致密，質(zhì)量優(yōu)良，在三向靜水壓力作用下，經(jīng)劇烈大變形，鍛件晶粒細(xì)化，性能顯著提高。

結(jié)論

通過對DN80 球閥球體閉式擠壓成形工藝的有限元數(shù)值模擬及試驗(yàn)驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

⑴通過閉式擠壓成形工藝獲得的DN80 球體鍛件，鍛件表面質(zhì)量良好，無折疊、裂紋等缺陷，且力學(xué)性能較標(biāo)準(zhǔn)值有較大提高。

⑵水平凸模模擬載荷比實(shí)測值偏大0.8MN（16.7%），為同類型、同材質(zhì)鍛件成形力的計(jì)算提供了可靠依據(jù)。

⑶有限元數(shù)值模擬的金屬流動(dòng)規(guī)律、鍛件填充情況，與試驗(yàn)相吻合，有限元數(shù)值模擬可作為多向模鍛成形工藝的分析工具，為后續(xù)生產(chǎn)提供技術(shù)支持。