采油樹用平板閥多向模鍛成形工藝研究

文／張家偉，王楠楠·中冶重工(唐山)有限公司

任杰，曹峰華，牛龍江，胡紅磊·上海電機(jī)學(xué)院

采油樹是自噴井和機(jī)采井等用來開采石油的井口裝置，平板閥作為采油樹零部件的一部分(如圖1)，承擔(dān)著開啟和截?cái)喙艿澜橘|(zhì)，并控制高壓介質(zhì)按照人為的需要流向指定地方的任務(wù)。在鉆采工藝中，要求閥門具有壽命長、制造工藝好、沖蝕作用小、成本低等特點(diǎn)。

圖1 采油樹和平板閥

圖2 采油樹平板閥鍛件圖

平板閥的成形制造工藝上多采用鍛造方式，目前鍛造成形主要有模鍛和多向模鍛兩種成形方式。模鍛成形會(huì)在原材料上較多向模鍛增加15%～20%的投入，同時(shí)模鍛成形產(chǎn)品需要對(duì)外觀分模面處的切邊毛刺進(jìn)行簡單的打磨，增加了額外的人工成本。本文針對(duì)采油樹平板閥產(chǎn)品介紹一種采用多向模鍛成形的新工藝。

鍛件圖

鍛件材質(zhì)為35CrMo，總質(zhì)量為82kg，閥門整體呈現(xiàn)為主閥體上端部尺寸大，下端部尺寸小，同時(shí)主閥體與兩側(cè)法蘭通過外徑尺寸較小的脖頸型結(jié)構(gòu)相連接。

多向模鍛成形工藝方案制定

針對(duì)該類型平板閥鍛件，采用多向模鍛成形工藝能夠更好地保留金屬內(nèi)部纖維組織流線以及節(jié)約原材料成本，鍛件整體結(jié)構(gòu)為：兩側(cè)帶有較大法蘭，同時(shí)主閥體上部法蘭體直徑較大，下端閥體外徑尺寸較小，在多向模鍛成形工藝制定方面難以選用棒材一火一鍛成形，需要在終鍛前對(duì)原材料進(jìn)行制坯。

模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該鍛件產(chǎn)品水平法蘭用料占閥體整體質(zhì)量較大，同時(shí)主閥體形狀為上大下小非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此需要對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗聚料，再進(jìn)行多向模鍛擠壓成形。閥體鍛件下端外徑尺寸為133.1mm，上端部外徑尺寸為180.1mm，選用與閥體鍛件底部外徑尺寸相近的圓棒坯料為宜，此處選用直徑140mm 金屬棒料進(jìn)行預(yù)鐓，預(yù)鐓模具結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示。終鍛-多向模鍛模具結(jié)構(gòu)見圖3(b)，多向模鍛模具采取上下結(jié)構(gòu)的水平分模方式，通過上、下模具的靠模實(shí)現(xiàn)模具型腔的閉合，在設(shè)備的三個(gè)不同方向安裝沖頭，實(shí)現(xiàn)金屬在封閉型腔內(nèi)擠壓流動(dòng)成形。

圖3 預(yù)鍛模具和終鍛-多向模鍛模具圖

力學(xué)模型建立

該鍛件成形步驟分為兩步，采用Deform-3D 有限元軟件進(jìn)行力學(xué)模型建立以及成形模擬分析，第一步進(jìn)行坯料預(yù)鐓聚料，第二步進(jìn)行多向模鍛擠壓成形。預(yù)鍛力學(xué)模型見圖4(a)，終鍛-多向模鍛力學(xué)模型見圖4(b)。模擬選用材料庫中的AISI-4140，坯料設(shè)定溫度1220℃，模具溫度設(shè)定200℃。

圖4 力學(xué)模型

成形工藝流程

通過有限元仿真分析軟件Deform-3D 進(jìn)行預(yù)鍛和多向模鍛成形模擬分析，如圖5(a)所示將加熱好的坯料放置于預(yù)鍛模具型腔中，通過預(yù)鐓沖頭擠壓鐓粗坯料，預(yù)鍛件不必完全填滿型腔，預(yù)鍛坯大端外徑達(dá)到90%以上與模具型腔貼合即可，如圖5(b)所示。

圖5 預(yù)鍛成形工藝流程

將第一步預(yù)鍛結(jié)束的預(yù)鍛坯從預(yù)鍛模腔中取出，轉(zhuǎn)移至多向模鍛下模型腔中，上模具合模，如圖6(a)所示；通過主沖頭對(duì)預(yù)鍛坯進(jìn)行主閥體擠壓成形，直至主沖頭到達(dá)設(shè)定的位置為止，如圖6(b)→6(c)→6(d)→6(e)所示；最后通過兩側(cè)對(duì)稱的水平?jīng)_頭對(duì)金屬坯料進(jìn)行水平端部法蘭成形。

圖6 終鍛-多向模鍛成形工藝流程

在成形過程中需要注意的是：由于金屬坯料在受到主沖頭擠壓時(shí)，金屬坯料在型腔中沿著水平脖空腔向側(cè)向流動(dòng)，擠出側(cè)向型腔的金屬，外徑尺寸接近水平脖空腔的尺寸，造成擠出水平空腔部位的金屬為細(xì)長形且偏向主沖頭運(yùn)動(dòng)方向一側(cè)，水平方向在沒有水平?jīng)_頭干預(yù)的前提下，該部位金屬鐓粗成形時(shí)會(huì)出現(xiàn)折疊缺陷。因此，該鍛件成形時(shí)需要將水平?jīng)_頭的位置提前設(shè)定，對(duì)主閥體流入側(cè)腔的金屬進(jìn)行事先干預(yù)，確保水平端法蘭不產(chǎn)生折疊缺陷。圖6(f)為多向模鍛工藝成形結(jié)束后的狀態(tài)，此時(shí)退回水平?jīng)_頭和主沖頭，打開上模，下頂出結(jié)構(gòu)頂出鍛件，即可獲得外觀質(zhì)量完好、尺寸合格的平板閥鍛件產(chǎn)品。

成形載荷分析

在生產(chǎn)之前，通過有限元軟件的模擬分析可以預(yù)先獲得鍛件成形所需要的成形載荷初始數(shù)據(jù)，作為后續(xù)產(chǎn)品試制的數(shù)據(jù)參考，有效地降低試制成本的過度投入。通過有限元模擬分析可知，對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗聚料成形，預(yù)鐓沖頭擠壓載荷為2.79MN；將預(yù)鍛坯取出直接轉(zhuǎn)入多向模鍛模具型腔中，主沖頭擠壓載荷為11.5MN；水平?jīng)_頭對(duì)鍛件法蘭進(jìn)行擠壓成形，達(dá)到金屬完全充滿型腔時(shí)的最大成形擠壓載荷為23.9MN。

產(chǎn)品熱試

選用35CrMo 材質(zhì)坯料進(jìn)行熱試試驗(yàn)，首先將直徑140mm 的圓棒料放入加熱爐中加熱，溫度設(shè)定為1220℃，保溫一定時(shí)間后出爐進(jìn)行預(yù)鍛和多向模鍛擠壓成形，獲得的鍛件產(chǎn)品如圖8 所示，鍛件產(chǎn)品外觀質(zhì)量良好，主閥體及水平端法蘭圓角充填飽滿，無折疊、毛刺等缺陷。

圖8 熱試后獲得的鍛件

結(jié)束語

鍛件產(chǎn)品采用多向模鍛工藝成形時(shí)，不必要拘泥于一火一鍛成形，靈活的制坯工步能夠獲得更加復(fù)雜的鍛件產(chǎn)品，尤其針對(duì)該類型的采油樹類平板閥鍛件的成形，成熟且靈活的制坯工序能夠獲得外觀較好的鍛件產(chǎn)品，生產(chǎn)過程中要著重關(guān)注坯料的溫降，如果預(yù)鍛后的坯料溫度降到950℃以下，建議預(yù)鍛坯回爐繼續(xù)保溫一定時(shí)間，出爐清除氧化皮后繼續(xù)開展終鍛-多向模鍛工序，這樣能夠保證鍛件成形時(shí)設(shè)備輸出載荷小，同時(shí)能夠確保法蘭圓角充填飽滿，獲得合格的鍛件產(chǎn)品。