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

球閥被廣泛的應用于石油煉制、長輸管線、化工、水利、電力、核電等行業，球體是球閥的啟閉件，是球閥的關鍵元件。采用Z2CND17-12 制造的DN80 球體應用于核電站管線領域，對產品力學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，該方法的主要缺點是鑄件內部易產生夾雜、氣孔、縮松和裂紋等缺陷，且生產效率和合格率低。

⑵機械加工，按照球體球徑采用合適規格棒料，然后機械加工而成。該方法的主要缺點是材料利用率低，生產周期長，且對棒料力學性能要求高。

⑶普通模鍛，該方法將原材料加熱后鍛打成實心球體毛坯，再通過機加工完成內孔，材料利用率仍然不高，總生產周期長。

綜合不同制造方法的優缺點，通過有限元數值模擬，我們研發出一種基于多向模鍛成形技術的閉式擠壓工藝，在壓機一個行程內，加熱一次毛坯便可成形球體外形及主要內孔，不僅顯著提高了材料的利用率，減少了機械加工工時，縮短生產周期，更因閉式擠壓的變形特點提高了球體的機械性能。

鍛件及模具設計

鍛件設計

產品規格為DN80，材質Z2CND17-12，零件質量3.98kg。圖1 為DN80 球體零件的示意圖，零件結構對稱，通道直徑φ74mm。根據零件的結構形式結合閉式擠壓成形工藝特點，設計DN80 球體鍛件如圖2 所示。鍛件采用水平分模方式，該結構形式有利于坯料定位及金屬流動，且方便生產操作。鍛件機械加工余量、圓角半徑、沖孔連皮等按照規范設計。設計鍛件質量5.65kg，材料利用率約為70%。鍛件A 處結構為壓余設計，以保證金屬充滿模膛及減少凸模成形力。

模具設計

根據圖2 球體鍛件圖，結合多向模鍛工藝特點，運用SolidWorks 三維造型軟件，設計模具結構如圖3所示，該結構由上、下凹模、水平凸模、下頂出桿組成。

有限元數值模擬

幾何模型建立

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

邊界條件設定

坯料材料模型：AISI-F316L，該材料模型與Z2CND17-12 化學成分幾乎一致。形狀：圓棒料，規格：φ85mm×125.5mm，質量：5.65kg，坯料定義為塑性體。模具材料模型：AISI-H13，凹模及凸模運行速度：25mm/s。坯料與模具熱交換系數：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

在多向模鍛技術中，凹模與凸模不同的動作組合對成形載荷、鍛件充填情況等都有較大的影響，本鍛件擬采用的模具動作過程為：上凹模合模→水平凸模對擠成形→上凹模回程→水平凸模回程。為簡化模擬過程，數值模擬分析時省略下頂出桿。

模擬結果分析

圖4 所示為數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行鐓粗，鐓粗量為10mm，合模結束時，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，先對毛坯進行鐓粗，使金屬向著凹模型腔前后方向流動，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，如圖4(d)，直至充滿型腔。根據圖4(e)及Deform-3D 后處理結果顯示，鍛件充填飽滿且在成形過程中無缺陷產生。上凹模合模載荷：11MN，水平凸模載荷5.6MN。

試驗驗證

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

坯料及模具準備

采用帶鋸床對坯料進行下料，下料規格為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℃，模具預熱溫度200 ～300℃，為保證模具熱透，預熱時間不小于5h。潤滑劑采用埃奇森F568，按配比1∶3 與水混合。

工藝方案

為獲得最優的成形結果，擠壓過程中應保證水平凸模運行的同步性，具體水平凸模控制方式采取位移控制，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位置（位移150mm）→水平凸模卸荷→上凹模回程→水平凸模回程→下頂出上行頂出鍛件。

鍛件成形質量

按照上述工藝方案，在40MN 多向模鍛液壓機生產線上進行了試制試驗，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、錯模，鍛件內孔光滑。超聲檢測結果顯示，鍛件內部無折疊、裂紋等缺陷。

鍛件力學性能

對鍛件進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。鍛件力學性能與標準要求值對比情況見表1，由表1 可看出經閉式擠壓工藝成形的球體鍛件各項力學性能均優于標準要求值，屈服強度提高了37.1%，抗拉強度提高了8.1%，伸長率提高了36.7%。

成形載荷

表1 力學性能對比表

表2 成形載荷對比表

試驗所用壓機液壓缸內置壓力傳感器，可實時監測液壓缸的壓力，由于上凹模采用壓力控制，壓力為設定值，本文僅對水平凸模實測成形載荷和數值模擬成形載荷進行對比，見表2。模擬載荷比實測載荷偏大16.7%，今后同類型、同材質鍛件水平凸模成形力可采用該參數進行修正。

結果分析

基于多向模鍛成形技術，將DN80 球閥球體內孔及上下端面一火鍛造成形，與采用φ135mm 棒料機械加工該零件相比，材料利用率可提高一倍，顯著縮短加工工時，大大降低了生產成本，提高了生產效率。且采用多向模鍛技術制造的鍛件組織致密，質量優良，在三向靜水壓力作用下，經劇烈大變形，鍛件晶粒細化，性能顯著提高。

結論

通過對DN80 球閥球體閉式擠壓成形工藝的有限元數值模擬及試驗驗證，得到以下結論。

⑴通過閉式擠壓成形工藝獲得的DN80 球體鍛件，鍛件表面質量良好，無折疊、裂紋等缺陷，且力學性能較標準值有較大提高。

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

⑶有限元數值模擬的金屬流動規律、鍛件填充情況，與試驗相吻合，有限元數值模擬可作為多向模鍛成形工藝的分析工具，為后續生產提供技術支持。