帶主法蘭三通閥體的多向模鍛成形方案

任運來，　殷達義，　任　杰，　曹峰華，　牛龍江

(1. 上海電機學院 機械學院, 上海 201306;2. 上海重型機器廠有限公司, 上海 200245)

帶主法蘭三通閥體的多向模鍛成形方案

任運來1，殷達義2，任杰1，曹峰華1，牛龍江1

(1. 上海電機學院 機械學院, 上海 201306;2. 上海重型機器廠有限公司, 上海 200245)

摘要在分析帶主法蘭三通閥體形狀特點的基礎上，計算得到了這類閥體的多向模鍛成形方案共15種；結合現有設備的功能，確定了3種可在實際生產中應用的多向模鍛成形方案。借助體積成形軟件FORGE?，對3種成形方案的變形力載荷、模具溫度場、鍛件成形質量、鍛件溫度場與等效應變進行了數值計算。計算結果表明，3種成形方案得到鍛件組織接近，但變形力載荷相差較大，模具溫度的最高值差別明顯。具有內、外兩個垂直凸模，左、右兩個水平凸模；動作順序是內、外兩垂直凸模先同時運動壓入，到達法蘭位置時，外垂直凸模停止運動；內垂直凸模繼續運動壓入，與此同時，左、右兩個水平凸模也同時壓入，直至鍛造完成的方案最佳。

關鍵詞主法蘭; 三通閥體; 多向模鍛; 成形方案; 數值計算

多向模鍛是一種先進的制造技術，它有可成形中空且側壁帶有凸臺的復雜鍛件，可設置多個分模面，能成形外壁具有多方向枝芽的復雜鍛件。鍛件形狀尺寸更接近零件，材料利用率高，機械加工量少，鍛件流線完整，抗應力腐蝕好，疲勞強度高。坯料在三向壓應力條件下擠壓成形，可提高材料熱塑性，允許很大的一次性變形的特點。因而，在火電、核電、石油化工和航天等關鍵裝備的制造中正逐步獲得應用。

1帶主法蘭三通閥體

圖1所示為一種火電裝備中使用的閥體的二維圖和三維圖，它有2個相互垂直的通道與3個通口，主通道直徑大，主通口處有法蘭，因此，這種閥體被稱為帶主法蘭的三通閥體；輔通道的直徑較小，左、右通道口對稱。材料為P 91耐熱鋼，采用普通開式模鍛成形，不僅鍛不出內部通道，材料利用率低，只60%左右，而且需要多個工步，加工后金屬流線破壞。根據帶主法蘭三通閥體的幾何形狀特點，采用多向模鍛技術成形是合理的，使用圓柱形毛坯，在一副模具內一次可完成鍛件的成形，材料利用率可提高到90%以上。

對于多向模鍛而言，鍛件的外部輪廓是由凹模閉合后的模腔曲面決定的，而坯料變形為鍛件的不同過程是由成形方案決定的。通常鍛件的形狀越復雜，多向模鍛中使用的凸模越多，可選擇的成形方案就越多。多向模鍛的成形方案影響著鍛件的成形效果、多向模鍛的力能、參數模具壽命。與制定其他模鍛工藝不同，確定鍛件的多向模鍛的成形方案是制定多向模鍛工藝的一項重要內容。

2多向模鍛成形方案

2.1成形方案總數的計算

采用多向模鍛成形這種三通閥體，主要是鍛造出它的3個通道。因此，至少使用3個凸模，即水平方向2個，垂直方向1個；如果設備允許最多可使用6個凸模，即水平方向4個，垂直方向2個。

對于帶主法蘭閥體，坯料的最初位置只有1個，即垂直模腔內；因此，只有凸模的施壓運動順序的組合。構成以下成形方案。

(1) 使用3個凸模，1個垂直凸模，左、右2個水平凸模。有2種成形方案： ① 垂直凸模先運動壓入，到位后，2水平凸模同時運動壓入，直至鍛件的成形完成。② 垂直凸模和2水平凸模同時運動壓入，直至鍛件的成形完成。

圖1　閥體(mm)Fig.1　Three-port valve body (mm)

(2) 使用4個凸模，內、外2個垂直凸模，左、右2個水平凸模。有4種成形方案： ① 外垂直凸模先運動壓入，到最終位置后，內垂直凸模運動壓入，到最終位置。2水平凸模同時運動壓入，直至最終位置，鍛件的成形完成。② 外垂直凸模先壓入并未到最終位置，內垂直凸模運動壓入，到最終位置。2水平凸模同時運動壓入，直至鍛件的成形完成。③ 內、外2個垂直凸模同時運動壓入，到最終位置后，2水平凸模同時運動壓入，直至鍛件的成形完成。④ 內、外2個垂直凸模與2水平凸模同時運動壓入，直至鍛件的成形完成。

(3) 使用6個凸模，內、外2個垂直凸模，左、右2側各內、外2個水平凸模，有9種成形方案。

將上述3種情況的加起來，總共15種成形方案。

2.2備選形方案的確定

分析國內、外文獻可知，現有多向模鍛設備能夠提供的運動： 動梁上、下運動，1個垂直缸上、下運動，左、右各一個水平缸水平相向運動。如果直接利用現有多向模鍛設備能夠提供的運動進行鍛造，借助左、右水平缸提供合模力，垂直凸模穿孔，就不能鍛造出左、右的水平通道孔。為此，設計了利用動梁上、下運動進行垂直合模的裝置，從而可以在現有多向模鍛設備上，完成合模、垂直穿孔和水平穿孔的多向模鍛工藝。下面3種成形方案中，前2種成形方案是在現有多向模鍛設備上可實現的成形方案，第3種是不能在現有多向模鍛設備上可實現的成形方案，僅作為比較參考，以表不同成形方案的技術意義不同。

方案11個垂直凸模，左、右2個水平凸模；動作順序是垂直凸模先運動壓入，到位后，2水平凸模同時運動壓入，直至鍛件的成形完成。

方案21個垂直凸模，左、右2個水平凸模；動作順序是垂直凸模和2水平凸模同時運動壓入，直至鍛件的成形完成。

方案3內、外2個垂直凸模，左、右2個水平凸模；動作順序是內、外兩垂直凸模先同時運動壓入，到達法蘭位置時，外垂直凸模停止運動；內垂直凸模繼續運動壓入，與此同時，左、右2個水平凸模也同時壓入，直至鍛件的成形完成。

2.3備選形方案的比較

圖2所示為成形方案分析比較的力學模型，鍛件材料為P 91，模具材料為H 13(熱作模具鋼)。坯料的始鍛溫度為 1200℃，模具的預熱溫度為 250℃。潤滑劑為水基石墨，摩擦系數為0.3。熱傳導選取FORGE軟件中的steel-hot-medium(中等傳熱)。

圖2　三通閥體成形的有限元參數模型Fig.2　Finite element model of the forming method of a T-oint valve body

(1) 鍛件的溫度場比較。鍛件成形過程中、終鍛的溫度場分布分別是表征鍛件內部在鍛造成形過程中的動態再結晶和鍛造成形后的亞動態再結晶狀況的主要參數，兩種再結晶決定著鍛件的組織與性能，終鍛溫度低的區域，亞動態再結晶不充分，終鍛溫度合適的區域再結晶充分；終鍛溫度過高的區域會產生晶粒粗大和晶間脆性相的析出。圖3所示為坯料始鍛溫度為 1200℃，3種成形方案鍛件終鍛溫度分布狀況。

由圖3可知，3種成形方案的終鍛溫度分布共同點是鍛件溫度的分布狀態基本相同，高溫區主要分布在凸模頂端的區域，其原因一方面是鍛件內部的熱量難逸散，另一方面是由于此區域的塑性變形量較大，塑性變形的熱效應使該區域的溫度升高。低溫區主要分布在鍛件底端和鍛件水平端下部，由于這些部位最先與模具接觸，整個鍛造過程中接觸時間較長；模具和始鍛坯料之間存在較大的溫度梯度，熱量傳遞快，低溫區域會更加明顯。3種成形方案的終鍛溫度分布的差別是高溫區的大小不同，成形方案2的高溫區域最大，其原因是單垂直凸模和左、右2個水平凸模同時運動壓入，整體成形時間相對短，鍛件毛坯的熱量向模具擴散少。

圖3　3種成形方案的鍛件終鍛溫度分布圖Fig.3　Temperature distributions of the 3 forming methods

表1是終鍛時3種成形方案的最高溫度和最低溫度值，鍛件的最高溫度分別為 1233.1℃、1241.7℃、1236.9℃，鍛件最低溫度分別為850.9℃、890.4℃、952.8℃。數據表明： 凸模的動作順序對鍛件的最終成形溫度影響較小。

(2) 鍛件的等效應變比較。鍛件成形后的等效應變分布是表征鍛件內部各點變形量的大小，與溫度參量一起又是塑性變形再結晶立體圖的2個坐標，決定著鍛件內部各處晶粒度的大小，組織與性能的好壞與分布一致性。等效應變大，分布均勻，溫度場分布均勻，鍛件組織與性能好且均勻。圖4為3種成形方案的鍛件等效應變分布圖，3種成形方案的鍛件等效應變分布圖十分接近，由于模具與坯料間存在摩擦，靠近凸模的內壁區域的變形較大，靠近凹模的外壁區域的變形較小。

表1　3種成形方案的鍛件溫度

圖4　3種成形方案的鍛件等效應變分布圖

表2列出了3種成形方案等效應變的最大值和最小值。分析表2可知，3種成形方案的等效應變的最大值、最小值均差別不大，且等效應變的最小值超過再結晶的臨界變形量。將鍛件等效應變的計算結果與溫度場的計算結果綜合分析可知，3種成形方案的鍛件組織都應比較均勻，彼此之間接近。

表2　3種成形方案的等效應變

(3) 鍛件成形質量比較。在多向模鍛過程中，凸模的動作順序影響鍛件內部鍛件材料質點流動的位移場，合理的位移場既能使變形坯料在較小的變形載荷下有序的填滿模具型腔，又能避免鍛件的表面折疊和內部撕裂。圖5所示為3種成形方案的鍛件的最終成形效果圖。

圖5　3種成形方案的鍛件缺陷情況

3種成形方案中，鍛件的外部尺寸形狀效果良好，表面無折疊，圓角處、尖角處成形飽滿。鍛件內部效果不同，在方案1中，多向模鍛垂直凸模和水平凸模之間的區域產生了撕裂與折疊，如圖 5(a) 中A、B區域所示。產生撕裂與折疊機制如圖6所示。當垂直凸模端部越過水平凸模軸線后，由于變形連續行的限制，其左、右兩側的鍛件材料向側面流動，在水平凸模軸線附近產生拉伸縮孔，隨著垂直凸模位移進一步增大，拉伸縮孔深度增加，變扁進而形成折疊。

圖6　成形方案1鍛件內部撕裂與折疊機制

(4) 成形方案的力載荷比較。與其他模鍛一樣，多向模鍛的力載荷是重要的工藝參數，既是選擇設備的依據，又是表征成形工藝優否的依據，小的力載荷能降低設備造價，減少運行能耗。圖7所示為3種成形方案下，垂直凸模、水平凸模和凹模合模力載荷隨行程的變化曲線。

由圖7(b)可知，3種成形方案的水平凸模的力載荷曲線峰值波動不大，表明動作順序對它的力載荷影響較小，而垂直凸模與凹模合模的力載荷因成形方案的不同而有較大的變化。為比較3種成形方案所需力載荷的大小，需預設成形效果描述參數，因主通道和輔通道端口外圓是難充滿處，以此處外圓角半徑R作為成形效果的描述參數。

在圖7曲線上選取鍛件成形效果描述參數R=3mm時的力載荷值進行比較，并列于表3中。由表3可知，成形方案2的垂直凸模的力載荷與凹模的合模力數值分別是成形方案1的2.60倍和2.06倍，成形方案3垂直凸模的力載荷與凹模的合模力數值分別比成形方案1高21.8%和25.8%。成形方案1中的垂直凸模的力載荷與凹模的合模力最小，成形方案3次之，成形方案2模具所受載荷最大。因此，多向模鍛中凸模的動作順序對模具所受載荷的影響很明顯。

3種成形方案的力載荷大小相差較大，尤其是垂直凸模與凹模合模的力載荷。從塑性力學的角度分析，影響多向模鍛力載荷參數的因素有鍛件材料的屈服應力和應力狀態。由前面鍛件的溫度場比較可知，在整個鍛造成形過程中，不同成形方案的鍛件溫度場差別很小，因而鍛件材料的屈服應力基本相等。3種成形方案的力載荷大小不同，主要是由它們的應力狀態不同所致。

方案2的垂直凸模力載荷與凹模合模力載荷高的原因是其鍛件內部的靜水應力高，3種成形方案的鍛件內部的平均靜水應力列于表4，由表4可知，方案2的鍛件內部平均靜水應力最高，表現在工藝參數上是凹模合模力載荷最大。從變形工藝看，盡管3個凸模同時運動，但垂直凸模是鍛件材料變形流動的主推動者，在其推壓下，鍛件材料質點向水平方向流動，而運動的水平凸模減小了出口的面積，阻礙了質點的水平方向流動，在鍛件內部形成了更高的靜水應力，同時也相對增大了垂直凸模的力載荷，計算結果也證實了上述分析。

圖7　3種成形方案的力載荷隨行程的變化曲線Fig.7　Load vs. stroke curves of the 3 methods

表3　3種成形方案的力載荷

表4　3種成形方案的平均靜水應力

(5) 模具溫度場比較。多向模鍛技術以及其他模鍛技術成功與否的關鍵因素之一。模鍛成形過程中，模具溫升快就意味模具的迅速回火失效，模具壽命低，使多向模鍛技術方案失敗，因而，對模具溫度場的研究是非常必要的。

圖8所示為3種成形方案的模具溫度場分布狀況。由圖可知，凹模的高溫區域主要分布在垂直型腔和水平型腔的相貫線部位，此處與毛坯的接觸時間較長。垂直凸模和水平凸模的高溫區域主要分布在凸模端部。這些部位也與毛坯的接觸時間較長。

表5所示為多向模鍛成形終了時，模具表面上最高溫度的值，對比分析表5不難知道，3種成形方案中，成形方案1的垂直凸模與凹模的溫度上升最多，分別達到了667.3℃和527.6℃；成形方案3的垂直凸模與凹模溫度上升幅度最小，內、外垂直凸模分別為534.9℃、368.5℃，凹模為454.6℃；2種成形方案相差約1/6和1/10。模具溫度升高差別明顯。

影響模具溫度升高的因素有模具與坯料的接觸時間和接觸表面的傳熱狀態，在潤滑正常的情況下，接觸時間的長短是主要因素。對于三通閥體多向模鍛而言，工藝需要垂直凸模首先運動而

圖8　模具溫度分布圖Fig.8　Temperature distributions on punches and dies

成形方案模具溫度/℃內垂直凸模外垂直凸模凹模水平沖頭1667.3—527.6432.02600.6—486.6403.83534.9368.5454.6393.8

最后退出，它的溫度升高最為劇烈，采用內、外凸模的結構與運動方案后，溫度升高的狀況明顯改善，有利于模具壽命的提高。

3結論

(1) 針對帶主法蘭三通閥體的形狀特點，分析、計算15種多向模鍛成形方案；結合現有設備的功能，確定了3種可在實際生產中應用的多向模鍛成形方案。

(2) 借助體積成形軟件FORGE，對3種成形方案的變形力載荷、模具溫度場、鍛件成形質量、鍛件溫度場與等效應變進行了數值計算，計算結果為制定多向模鍛成形方案提供了依據。

(3) 具有內、外2個垂直凸模，左、右2個水平凸模；動作順序是內、外兩垂直凸模先同時運動壓入，到達法蘭位置時，外垂直凸模停止運動；內垂直凸模繼續運動壓入，與此同時，左、右2個水平凸模也同時壓入，直至鍛件的成形完成的方案最佳。

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Forming Schemes of Multiple-Ram Forging ofThree-Port Valve Body with Primary Flange

REN Yunlai1，YIN Dayi2，REN Jie1，CAO Fenghua1，NIU Longjiang1

(1. School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 201306, China;2. Shanghai Heavy Machinery Plant Co., Ltd. Shanghai 200245, China)

AbstractBy analyzing geometric features of three-port valve body (TPVB) with a primary flange, 15 forming schemes of multiple-ram forging (MRF) are obtained via calculation. Combining the 15 forming schemes with the function of existing equipment, 3 among the 15 schemes are chosen to be used in production. The software FORGE? is used to study the forming schemes, and comparisons are made among loads, temperature distributions of the tools and forges, internal defects and equivalent strains of the forging of the 3 schemes. The results show that different forming schemes have similar forge organization, while significant differences with respect to load and temperature fields of the dies. The best forming scheme is as follows. There are two vertical punches, one inside and the other outside, and two horizontal punches, one on the left and the other on the right. First the two vertical punches move inward together, and when they reach the flange, the outside one stops while the inside one continues to move. At the same time, the two horizontal punches start moving inward until the forging is complete.

Keywordsprimary flange; three-port valve body; multiple-ram forging; forming schemes; numerical calculation

收稿日期：2016-02-16

基金項目：國家科技重大專項資助項目(2012ZX04010082)；工業和信息化部、財政部聯合資助項目((2014)428號文)；上海市大型鑄鍛件制造技術協同創新中心資助項目(ZF1225)

作者簡介：任運來(1958-)，男，教授，博士，主要研究方向為塑性成形理論與工藝，E-mail： renyl@sdju.edu.cn

文章編號2095-0020(2016)02-0063-07

中圖分類號TG 315.2； TP 391.75

文獻標識碼A