閥體多向模鍛成形缺陷分析及工藝優(yōu)化仿真

文／張家偉，劉金洪，王楠楠·中冶重工(唐山)有限公司

曹峰華，任杰·上海電機(jī)學(xué)院

旋塞閥是石油礦場(chǎng)固井和壓裂作業(yè)時(shí)連接高壓管匯的一個(gè)不可缺少的重要部件，惡劣的使用工況對(duì)其綜合力學(xué)性能及內(nèi)部組織提出了極高的要求。由于傳統(tǒng)的鍛造+機(jī)加工的成形方式成本高且無法滿足其性能要求，故采用了更先進(jìn)的多向模鍛成形工藝。

多向模鍛技術(shù)是從兩個(gè)或更多方向?qū)Π诳煞趾夏Ｇ粌?nèi)的坯料施加工藝力，使坯料成形的模鍛方法，是一種理想的精密優(yōu)質(zhì)、節(jié)能省材的鍛造技術(shù)。采用該技術(shù)鍛造既能實(shí)現(xiàn)近凈成形，又能利用強(qiáng)大的三向壓應(yīng)力保證鍛件的組織致密及流線的完整，該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于閥門閥體鍛件的制造。由于多向模鍛工藝的復(fù)雜性，在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)遇到鍛件表面生產(chǎn)充填不滿、折疊等表面缺陷。圖1 是旋塞閥鍛件噴丸、機(jī)加工后在主閥體上端面肉眼可見的鍛造折疊缺陷。

圖1 主閥體上端面折疊缺陷

本文通過Deform-3D 軟件進(jìn)行有限元模擬，分析旋塞閥成形過程中折疊缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，提出優(yōu)化工藝方案，有效地解決了旋塞閥鍛造折疊缺陷問題，獲得了合格的旋塞閥鍛件產(chǎn)品。

旋塞閥體鍛造缺陷的分析

旋塞閥體多向模鍛工藝方案

原生產(chǎn)設(shè)計(jì)工藝方案如圖2 所示，下料(直徑210mm)→多向模鍛(合模+上沖頭穿孔+水平?jīng)_頭穿孔)→熱處理→拋丸→打磨→供貨。材質(zhì)為40CrNi2Mo，鍛造技術(shù)要求是鍛件不得有過熱、過燒、折疊等表面缺陷，當(dāng)存在深度不大于2mm 的裂紋或壓痕時(shí)，可經(jīng)打磨去除，鍛件熱處理后逐件進(jìn)行超聲波探傷和磁粉探傷。

圖2 閥體成形過程

有限元模型建立

針對(duì)上述圖1 折疊缺陷的表象特征，對(duì)工藝方案進(jìn)行深入分析研究。采用三維造型軟件CATIA 對(duì)旋塞閥體及模具進(jìn)行三維建模，導(dǎo)入Deform。旋塞閥體材質(zhì)為40CrNi2Mo，本次模擬直接在Deform 材料庫中選取相近的AISI-4340 材料。采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.15，上模具和沖頭的運(yùn)動(dòng)速度為25mm/s，坯料始鍛溫度為1200℃，模具預(yù)熱溫度為250℃，坯料與模具熱交換系數(shù)為8kW/(m2·℃)。Deform-3D幾何模型如圖3 所示。

圖3 Deform-3D 幾何模型

數(shù)值模擬結(jié)果與分析

鍛件速度場(chǎng)能夠清晰地反映鍛造過程中金屬組織流動(dòng)的趨勢(shì)以及判斷產(chǎn)生折疊缺陷的部位。圖4 所示為鍛件成形過程中金屬組織流動(dòng)趨勢(shì)圖。

圖4 金屬流動(dòng)趨勢(shì)

如圖4(a)所示，圓柱形坯料先進(jìn)行了鐓擠，坯料上端外環(huán)面金屬隨上模向下流動(dòng)，坯料中部金屬由于上部無模具施壓，因此流動(dòng)緩慢形成中間凸起；圖4(b)為上沖頭向下擠壓，導(dǎo)致前一步圓臺(tái)凸起部分金屬反擠進(jìn)入模具上型腔，產(chǎn)生縱向飛邊；圖4(c)為上沖頭擠壓結(jié)束，水平?jīng)_頭對(duì)向擠壓，金屬分別向主閥體上端部流動(dòng)和水平端反向流動(dòng)，向主閥體上端部反流的金屬與前一步形成縱向飛邊的金屬形成互擠的趨勢(shì)，最終產(chǎn)生折疊缺陷。

由前述圖1 不合格鍛件圖中可以發(fā)現(xiàn)，折疊缺陷并不是沿著圓周方向均勻形成，而是偏向于閥體水平通道側(cè)，經(jīng)過分析是根據(jù)塑性成形最小阻力定律，在上模和上沖頭向下鐓擠坯料的過程中，沿閥體水平通道側(cè)的金屬會(huì)更容易向模具水平通道空腔處流動(dòng)，導(dǎo)致上端面沿水平通道側(cè)的金屬流出較多，在水平?jīng)_頭向內(nèi)對(duì)向擠壓過程中，又會(huì)形成部分金屬反流填充主閥體上端面，主要是沿水平通道側(cè)的上端面。因此，在主閥體沿水平通道側(cè)的上端面易形成折疊缺陷，見圖5 有限元分析折疊云圖深紅色區(qū)域。

優(yōu)化后的鍛造方案分析

優(yōu)化后的旋塞閥體多向模鍛工藝方案

針對(duì)原方案產(chǎn)生折疊缺陷的分析研究，折疊缺陷趨勢(shì)是在合模過程中金屬反流入模具上型腔形成凸臺(tái)，并在上沖頭擠壓的作用下產(chǎn)生縱向飛邊造成折疊趨勢(shì)加重的結(jié)果，經(jīng)分析，可以通過調(diào)整模具之間的動(dòng)作先后順序，避免鍛件的折疊缺陷形成。因此，設(shè)定如下成形工藝方案。

優(yōu)化設(shè)計(jì)工藝方案(圖6)：下料(直徑210mm)→多向模鍛(上沖頭穿孔+合模+上沖頭穿孔+水平?jīng)_頭穿孔)→熱處理→拋丸→打磨→供貨。

圖6 閥體成形過程

優(yōu)化后的仿真模擬結(jié)果與分析

優(yōu)化后的金屬流動(dòng)趨勢(shì)見圖7，鍛件金屬流動(dòng)較前述方案中的不同點(diǎn)在于鍛造前期圓棒料上中間端面金屬未向上流入模具型腔，后續(xù)上沖頭擠壓未形成縱向毛刺，水平?jīng)_頭對(duì)向擠壓未造成過多金屬反流到主閥體上端面。

圖7 優(yōu)化后的金屬流動(dòng)趨勢(shì)

圖7(a)上沖頭先向下運(yùn)動(dòng)一定距離，對(duì)圓柱坯料進(jìn)行預(yù)鐓粗成形，圓柱坯料上端面形成一定深度的凹坑，坯料上端部金屬分別沿坯料向下和徑向流動(dòng)，上端部金屬凹坑形態(tài)飽滿；圖7(b)上沖頭向下擠壓，金屬向型腔兩側(cè)流動(dòng)，主閥體垂直中孔處未形成縱向飛邊反流的趨勢(shì)；圖7(c)水平?jīng)_頭同時(shí)向內(nèi)對(duì)向擠壓，金屬分別向主閥體上端部流動(dòng)和水平端反向流動(dòng)，但是由于前述步驟中閥體上端面已充填飽滿，水平?jīng)_頭擠壓過程中流向主閥體上端部的金屬量較少，未形成折疊。

優(yōu)化后試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)優(yōu)化后的工藝方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，所得鍛件經(jīng)超聲波探傷和磁粉探傷，顯示無折疊產(chǎn)生，工藝試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果相吻合，如圖8 所示。

圖8 合格鍛件與模擬結(jié)果相吻合

結(jié)束語

⑴旋塞閥多向模鍛成形過程中出現(xiàn)折疊缺陷的原因：水平?jīng)_頭對(duì)向擠壓時(shí)，金屬分別向主閥體上端部流動(dòng)和水平端反向流動(dòng)，向主閥體上端部反流的金屬與前一步形成縱向飛邊的金屬形成互擠的趨勢(shì)，最終產(chǎn)生折疊缺陷。

⑵采用上沖頭穿孔→合?！蠜_頭穿孔→水平?jīng)_頭穿孔復(fù)雜的模具組合動(dòng)作，可以有效規(guī)避折疊缺陷。

⑶在類似旋塞閥體幾何特征的鍛件多向模鍛成形方案制定時(shí)，通過合理配置模具的動(dòng)作次序，并借助數(shù)值模擬深入分析鍛件金屬流動(dòng)規(guī)律，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中解決折疊缺陷有一定的指導(dǎo)作用。