不銹鋼閥體的模鍛工藝研究

文／孫超，游和清·南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司

不銹鋼閥體的模鍛工藝研究

文／孫超，游和清·南車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司

根據石油閥體外形特性，分析閥體模鍛工藝的特點，繪制鍛件圖、計算毛坯圖、坯料直徑圖，確定坯料尺寸，并利用Deform-3D進行鍛造模擬。針對模鍛過程中易產生的缺陷以及應該注意的問題，優化鍛造工藝并驗證。將模擬結果用于實際生產并取得成功。

閥體是閥門最重要的零件之一，它的主要功能是作為工作介質的流動通道，并承受工作介質的壓力、溫度和腐蝕，在它的內部構成了一個容納閘板、閥座、閥桿等密封和啟閉件的空間。高壓閥門由于有承壓要求，閥體零件通常采用鍛造方式成形。

本文所述閥體鍛件屬于大型鍛件，要求鍛件填充飽滿、流線分布合理、表面不能產生折疊等缺陷。因此，研究既能批量生產又能提高材料利用率和成品合格率的成形工藝是十分必要的。采用Deform-3D塑性有限元模擬分析軟件對該閥體鍛造成形過程進行數值模擬，分析研究在成形過程中出現的缺肉、飛邊體積過大等缺陷，優化成形工藝及鍛造模具設計，改進了原有工藝，并將新工藝應用于實際生產。

閥體成形工藝分析

閥體鍛件三維模型見圖1，鍛件重256kg。其外形復雜，截面變化大，大圓柱體頭、尾部分成形時間最晚，不易充滿；小圓柱體成形時填充高度大，容易缺料。在樣件試制過程中，出現了多處填充不滿、飛邊體積過大等缺陷。

該鍛件是典型的枝芽類鍛件。根據鍛件的形狀特點，變形方式除包括拔長或拔長加滾壓制坯外，為了便于鍛出枝丫還應進行成形制坯或預鍛。其工藝流程為：下料→加熱→預鐓粗→終鍛→切邊→隨爐緩冷→退火→熱處理→探傷與性能檢驗。

圖1 閥體鍛件三維模型

鍛坯尺寸確定

設計鍛坯時，首先根據鍛件圖繪出截面圖和計算毛坯圖，各截面面積等于相應長度上截面積和飛邊截面積之和。同時根據計算毛坯圖設計出鍛件直徑圖，為使制坯過程簡便并有利于終鍛成形，應按體積不變條件將直徑圖簡化成圓滑的形狀，鍛件、計算毛坯及坯料直徑圖見圖2。

圖2 鍛件圖、計算毛坯圖及坯料直徑圖

數值模擬分析

有限元模型

模擬分析設置坯料為塑性體，忽略了彈性變形及其回彈對形狀和尺寸精度的影響，模具為剛性體，不需要劃分網格和定義材料。鍛件選用材料為AISI-410（美國牌號，相當于1Cr13），高度h為660mm，直徑d為φ280mm的圓棒坯料，始鍛溫度設定1100℃，劃分網格約13萬。有限元模型其他條件：環境溫度為20℃，模具預熱溫度為200℃，增量步距1mm，上模下壓速率350mm/s（取決于所選擇的設備參數），坯料與下模運動速率設為0，坯料與模具摩擦系數取0.3。

試制方案模擬

采用預鍛時將圓棒坯料鐓粗到高度510mm以達到中心部位聚料，終鍛直接鍛造成形的工藝方案，圖3為鍛造過程模擬圖。由圖3b可見，在鍛造即將完成時鍛件大圓柱體頭、尾最外區域未完全充滿，由于飛邊體積過大，倉部無法容納更多金屬，導致模具沒有完全打靠，出現缺肉現象。

經分析發現：⑴坯料預鍛時，高度與直徑之比為2.36，根據相關資料，當鐓粗高坯料時，常常容易產生雙鼓形，上部和下部變形大，中部變形小；⑵鐓粗工藝設計不合理，鐓粗時，聚料效果不明顯，導致終鍛時，筋部處材料過多流入飛邊槽，降低了材料利用率；⑶終鍛模具倉部設計不合理，飛邊材料過多，導致鍛造時出現模具無法打靠的現象。

圖3 鍛造過程模擬

工藝方案優化及模擬

根據上述模擬分析可知，對試制方案的優化應包括以下兩個方面：⑴預鍛鐓粗需降低坯料高徑比；⑵修改終鍛模具，增大飛邊槽體積。

降低坯料高徑比

降低坯料高徑比，通常有兩種方法：⑴降低坯料高度或者增加坯料直徑；⑵更改鐓粗模具，控制鐓粗形變高度。本文選擇后一種方法降低高徑比，預鍛模具由圓餅形狀更改為下凹形狀，下凹處尺寸為φ265mm×55mm，利用模具控制坯料鐓粗的高徑比變為1.96，鐓粗時中心部位聚料效果增加明顯。

終鍛模具改進

由于試制模擬出現飛邊體積過大導致模具無法打靠的現象，為解決此問題，將飛邊深度加大，并更改飛邊輪廓形狀，以容納更多材料。同時考慮到鍛件采取水平分模，為了防止鍛件錯差過大并使模具安裝調整方便，在模具上增加角鎖扣。圖4為預鍛模具與終鍛模具改進效果圖。

終成形效果模擬

將改進后的坯料經預鍛鐓粗后放入終鍛模進行終鍛成形模擬，圖5a為鍛造即將完成時接觸面圖，模擬顯示鍛件已經成形完成，沒有出現缺料現象。圖5b為終鍛模擬結果，經檢查，倉部增大后，模具完全打靠，鍛件成形良好，未發現折疊，原先未充滿部位成形飽滿。圖5c為采用改進后鍛造工藝方案成形的鍛件實物，鍛件實際成形與模擬結果一致。經檢測，最終生產的鍛件滿足工藝要求，產品質量合格。

圖4 預鍛模具與終鍛模具

圖5 改進后鍛造過程模擬及鍛件

結束語

本文通過有限元模擬分析，發現預設計階段鍛件鐓粗聚料不明顯，材料過多導致模具無法打靠，鍛件成形不完全等問題。分析了缺陷產生的原因，并更換預鍛模，更改終鍛模具，增加角鎖扣。利用Deform-3D對優化結果進行重新模擬，驗證了新方案的可行性，并最終得到合格的產品，為類似結構零件的生產提供可行的參考。