閥蓋模鍛成形模擬分析與試驗驗證

高健飛，錢夏曄，康佳良

閥蓋模鍛成形模擬分析與試驗驗證

高健飛，錢夏曄，康佳良

（中核蘇閥實業科技股份有限公司，江蘇 蘇州 215000）

某型號不銹鋼閥蓋是一種典型的長肋條內空型零件，在模鍛制造過程中，閥蓋鍛件容易出現不同程度的折疊和裂紋缺陷，亟需改進成形工藝以提升合格率。采用有限元方法分析坯料在制坯/預鍛/終鍛全流程的金屬流動規律和終鍛件成形質量，得到最佳成形工藝方案。方坯在后續成形時易產生橫向流動，且局部充型不飽滿；六邊型坯在預成形和終成形時流動均勻、橫向流動小，且有效抑制了充型不飽滿缺陷；預制坯在過渡區長度過短，產生了折疊缺陷；采用六邊形坯料和增加過渡區長度可以獲得無缺陷閥體鍛件。采用新工藝制備的閥蓋鍛件合格率達到了100%，通過全流程工藝分析，能夠得到金屬流線規律，進而優化模鍛成形方案，改善成形質量。

閥蓋；模鍛；成形質量；金屬流動；有限元模擬

某型號不銹鋼閥蓋是一種典型的鍛造類復雜零件，肋條結構和過渡結構較復雜，通常采用模鍛工藝成形，成形困難[1]。為了提高鍛件成形質量，模鍛通常會設置飛邊槽和輔料槽引導金屬的流動[2—3]。該閥蓋前期采用圓棒下料，加熱到始鍛溫度，放入預拔長模具，將其拔長成帶有錐形的圓棒，隨后進行預鍛和終鍛成形。經切邊加工成成品，發現肋條內側部位存在裂紋，肋條4個角的位置也出現褶皺缺陷。鍛造模擬軟件能夠有效模擬金屬流動行為，指導實際生產工藝的優化，可以節省模具試制成本和提高產品成形質量[4—7]。通過改善擠壓制坯過程中的金屬流動雖然可提高成形質量，但在工藝試驗時，依舊發現預鍛和終鍛后的零件表面存在不同程度的折疊缺陷。綜上所述，文中擬從制坯形狀優化出發，深入分析中間坯料幾何結構對閥蓋成形過程中金屬流動的影響規律，以期提高閥蓋模鍛件的成形質量。

1 閥蓋鍛件結構分析

閥蓋鍛件三維模型如圖1所示，該閥蓋成形難點主要在于兩側對稱肋條結構和肋條中間異型孔的成形。在原模鍛工藝中，在異性孔位置使用平板作為敷料，終鍛時金屬可能會沿著寬度方向向2個肋條外側快速流動，易于形成穿流缺陷[8—11]。綜上所述，在肋條成形時，為了使得金屬向肋條兩側流動，擬在異型孔中間位置增加較大的敷料槽，控制金屬的流動方向。

圖1 閥蓋三維模型

2 閥蓋成形工藝分析與優化設計

2.1 采用輔料槽的原工藝模擬分析

式中：為剪切流動應力；0為流動應力；為法向壓應力。

在原工藝中，預成形坯料形狀如圖2a所示。為了保證模擬結果的可靠性，坯料在預成形時，在1150 ℃下冷卻了30 s，如圖2b所示。使用圖3所示的預成形模具進行預成形，預成形后的坯料及模具相對位置如圖4a所示，預成形模擬結果如圖4b—c所示。可以看出，預成形坯料置于具有輔料槽的終鍛型腔，與水平方向有一定的角度（見圖4a），隨著上模下行，預成形坯料由傾斜轉為水平后充滿型腔。在預成形過程中，預成形坯料出現了一個缺口（見圖4b—c），經分析，這個缺口由坯料過渡區較小所致（過渡區見圖2a），且在終成形時易形成折疊缺陷。在無欠壓坯料上存在局部充型不飽滿（見圖4c），此缺陷形成的原因主要是拔長坯料直徑和長度設計不合理，使得坯料在成形過程中，軸向流動路徑短，進而形成缺陷。

為了預估預制坯在終成形模具中的成形效果，對圖4的預制坯進行終成形有限元模擬。終成形模具如圖5所示，考慮到預成形可能存在的欠壓現象，終成形采用了2種預制坯形狀，即欠壓2 mm的預成形坯和無欠壓預成形坯，用于終鍛成形。

終成形模擬結果如圖6所示。2種坯料均在圖示位置產生了折疊缺陷，綜合圖4的預成形坯外形可以得出，這是過渡區長度過短導致的累積缺陷。同時可以看出，敷料槽改善了預成形時的金屬流動，使得金屬向肋條兩側流動，避免了穿流缺陷的產生[12—15]。修改了終鍛模腔的形狀后，穿流缺陷雖然得到消除，但折疊和充型不飽滿缺陷仍然存在，因此，必須優化坯料幾何形狀。

圖2 第一火次坯料空冷后的溫度場

圖3 預成形上下模

圖4 添加輔料槽后的模鍛成形過程模擬分析

圖5 終成形模具上下模

圖6 終成形過程模擬分析

2.2 工藝全流程分析與優化

為了消除終成形時產生的折疊、充型不飽滿等缺陷，重新設計了2種拔長坯結構，并采用全工序模擬分析這2種結構對閥蓋模鍛成形質量的影響。2種拔長坯形狀為四角方坯和六角坯，分析結果如下所述。

方形坯模擬見圖7，發現預成形時存在局部內凹，在成形過程中，內凹點處金屬可能回流入框架內（見圖8），形成折疊，因此不能采用四角方坯。

六邊形坯模擬過程與方形坯一致，預成形模擬結果見圖9，終成形模擬結果見圖10，獲得的鍛件無折疊、無穿流，可作為成形首選方案。

3 閥蓋工藝實驗驗證

充分考慮實際生產過程的各個環節、工藝模擬與優化設計結果，試制了30個零件，經過拔長-預成形-終成形-沖內孔-切飛邊后，得到的閥蓋鍛件產品質量優良，無折疊和表面裂紋缺陷，且在打磨后初步發現肋條處兩側無裂紋（見圖11a—b）。隨后進行著色處理和X射線工業探傷，發現鍛件表面無折疊、內部無裂紋（見圖11c—d）。這批次試制的閥蓋鍛件全部無缺陷，產品合格率為100%。

圖7 方形坯的成形過程模擬

圖8 不同狀態下內凹區域坯料的演變

圖9 預成形過程模擬

圖10 終成形過程模擬

圖11 閥蓋鍛件及其質量無損檢測

4 結語

采用有限元方法分析了坯料在制坯/預鍛/終鍛全流程中的金屬流動規律和終鍛件成形質量，優化得到了最佳成形工藝方案，得出以下結論。

與錐形坯相比，方坯和六邊形坯是2種較好的幾何結構，而方坯在后續成形時易產生橫向流動且局部充型不飽滿；六邊型坯在預成形和終成形時流動均勻、橫向流動小且有效抑制了充型不飽滿缺陷；2種預成形坯因過渡區長度過短而產生折疊缺陷；優化得到的六邊形坯料的過渡區長度得到適當增加，可獲得無缺陷閥蓋鍛件。采用有限元模擬分析，能夠準確獲取模鍛過程的金屬流動行為，為改善閥蓋模鍛成形質量提供了理論參考和工藝指導。通過有限元模擬，確定了閥蓋的生產工序，為坯料加熱→空氣錘制六角方坯→預成形→終成形，新工序制備的閥蓋產品合格率達到了100%，驗證了有限元模擬結果的可靠性。

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Simulation Analysis and Test Verification of Valve Cover Forming

GAO Jian-fei, QIAN Xia-ye, KANG Jia-liang

(CNNC SUFA Technology Industry Co., Ltd., Suzhou 215000, China)

A certain type of stainless steel valve cover is a typical hollow part with long ribs. In the process of die forging, the valve cover forgings are prone to fold and crack defects in different degrees, so it is urgent to improve the forming process to increase the qualified rate. The metal flow law and the forming quality of the final forging were analyzed by finite element method in the whole process of billet/pre-forging/final forging, and the best forming process scheme was obtained. The square billet was easy to produce transverse flow and the local filling was not full in subsequent forming, while the hexagonal billet flowed evenly in pre-forming and final forming and the transverse flow was small and the filling defects could be effectively suppressed. In the meantime, it was found that both billets had folding defects in the short transition zone. The defect-free valve forgings could be obtained by the use of hexagonal billet and increase of transition length. The qualified rate of the valve cover forgings prepared by new process is 100%. Through the analysis on whole process, the metal flow law is obtained to optimize the die forging scheme and effectively improve the forming quality.

valve cover; die forging; forming quality; metal flow; finite element simulation

10.3969/j.issn.1674-6457.2021.06.016

TG31；TH134

A

1674-6457(2021)06-0117-06

2021-02-04

高健飛（1981—），男，工程師，主要研究方向為材料鍛造成形。