閥體多向模鍛成形缺陷分析及工藝優化仿真

文／張家偉，劉金洪，王楠楠·中冶重工(唐山)有限公司

曹峰華，任杰·上海電機學院

旋塞閥是石油礦場固井和壓裂作業時連接高壓管匯的一個不可缺少的重要部件，惡劣的使用工況對其綜合力學性能及內部組織提出了極高的要求。由于傳統的鍛造+機加工的成形方式成本高且無法滿足其性能要求，故采用了更先進的多向模鍛成形工藝。

多向模鍛技術是從兩個或更多方向對包含在可分合模腔內的坯料施加工藝力，使坯料成形的模鍛方法，是一種理想的精密優質、節能省材的鍛造技術。采用該技術鍛造既能實現近凈成形，又能利用強大的三向壓應力保證鍛件的組織致密及流線的完整，該技術已被廣泛應用于閥門閥體鍛件的制造。由于多向模鍛工藝的復雜性，在生產過程中經常會遇到鍛件表面生產充填不滿、折疊等表面缺陷。圖1 是旋塞閥鍛件噴丸、機加工后在主閥體上端面肉眼可見的鍛造折疊缺陷。

圖1 主閥體上端面折疊缺陷

本文通過Deform-3D 軟件進行有限元模擬，分析旋塞閥成形過程中折疊缺陷的產生機理，提出優化工藝方案，有效地解決了旋塞閥鍛造折疊缺陷問題，獲得了合格的旋塞閥鍛件產品。

旋塞閥體鍛造缺陷的分析

旋塞閥體多向模鍛工藝方案

原生產設計工藝方案如圖2 所示，下料(直徑210mm)→多向模鍛(合模+上沖頭穿孔+水平沖頭穿孔)→熱處理→拋丸→打磨→供貨。材質為40CrNi2Mo，鍛造技術要求是鍛件不得有過熱、過燒、折疊等表面缺陷，當存在深度不大于2mm 的裂紋或壓痕時，可經打磨去除，鍛件熱處理后逐件進行超聲波探傷和磁粉探傷。

圖2 閥體成形過程

有限元模型建立

針對上述圖1 折疊缺陷的表象特征，對工藝方案進行深入分析研究。采用三維造型軟件CATIA 對旋塞閥體及模具進行三維建模，導入Deform。旋塞閥體材質為40CrNi2Mo，本次模擬直接在Deform 材料庫中選取相近的AISI-4340 材料。采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.15，上模具和沖頭的運動速度為25mm/s，坯料始鍛溫度為1200℃，模具預熱溫度為250℃，坯料與模具熱交換系數為8kW/(m2·℃)。Deform-3D幾何模型如圖3 所示。

圖3 Deform-3D 幾何模型

數值模擬結果與分析

鍛件速度場能夠清晰地反映鍛造過程中金屬組織流動的趨勢以及判斷產生折疊缺陷的部位。圖4 所示為鍛件成形過程中金屬組織流動趨勢圖。

圖4 金屬流動趨勢

如圖4(a)所示，圓柱形坯料先進行了鐓擠，坯料上端外環面金屬隨上模向下流動，坯料中部金屬由于上部無模具施壓，因此流動緩慢形成中間凸起；圖4(b)為上沖頭向下擠壓，導致前一步圓臺凸起部分金屬反擠進入模具上型腔，產生縱向飛邊；圖4(c)為上沖頭擠壓結束，水平沖頭對向擠壓，金屬分別向主閥體上端部流動和水平端反向流動，向主閥體上端部反流的金屬與前一步形成縱向飛邊的金屬形成互擠的趨勢，最終產生折疊缺陷。

由前述圖1 不合格鍛件圖中可以發現，折疊缺陷并不是沿著圓周方向均勻形成，而是偏向于閥體水平通道側，經過分析是根據塑性成形最小阻力定律，在上模和上沖頭向下鐓擠坯料的過程中，沿閥體水平通道側的金屬會更容易向模具水平通道空腔處流動，導致上端面沿水平通道側的金屬流出較多，在水平沖頭向內對向擠壓過程中，又會形成部分金屬反流填充主閥體上端面，主要是沿水平通道側的上端面。因此，在主閥體沿水平通道側的上端面易形成折疊缺陷，見圖5 有限元分析折疊云圖深紅色區域。

優化后的鍛造方案分析

優化后的旋塞閥體多向模鍛工藝方案

針對原方案產生折疊缺陷的分析研究，折疊缺陷趨勢是在合模過程中金屬反流入模具上型腔形成凸臺，并在上沖頭擠壓的作用下產生縱向飛邊造成折疊趨勢加重的結果，經分析，可以通過調整模具之間的動作先后順序，避免鍛件的折疊缺陷形成。因此，設定如下成形工藝方案。

優化設計工藝方案(圖6)：下料(直徑210mm)→多向模鍛(上沖頭穿孔+合模+上沖頭穿孔+水平沖頭穿孔)→熱處理→拋丸→打磨→供貨。

圖6 閥體成形過程

優化后的仿真模擬結果與分析

優化后的金屬流動趨勢見圖7，鍛件金屬流動較前述方案中的不同點在于鍛造前期圓棒料上中間端面金屬未向上流入模具型腔，后續上沖頭擠壓未形成縱向毛刺，水平沖頭對向擠壓未造成過多金屬反流到主閥體上端面。

圖7 優化后的金屬流動趨勢

圖7(a)上沖頭先向下運動一定距離，對圓柱坯料進行預鐓粗成形，圓柱坯料上端面形成一定深度的凹坑，坯料上端部金屬分別沿坯料向下和徑向流動，上端部金屬凹坑形態飽滿；圖7(b)上沖頭向下擠壓，金屬向型腔兩側流動，主閥體垂直中孔處未形成縱向飛邊反流的趨勢；圖7(c)水平沖頭同時向內對向擠壓，金屬分別向主閥體上端部流動和水平端反向流動，但是由于前述步驟中閥體上端面已充填飽滿，水平沖頭擠壓過程中流向主閥體上端部的金屬量較少，未形成折疊。

優化后試驗驗證

根據優化后的工藝方案進行試驗驗證，所得鍛件經超聲波探傷和磁粉探傷，顯示無折疊產生，工藝試驗結果與模擬結果相吻合，如圖8 所示。

圖8 合格鍛件與模擬結果相吻合

結束語

⑴旋塞閥多向模鍛成形過程中出現折疊缺陷的原因：水平沖頭對向擠壓時，金屬分別向主閥體上端部流動和水平端反向流動，向主閥體上端部反流的金屬與前一步形成縱向飛邊的金屬形成互擠的趨勢，最終產生折疊缺陷。

⑵采用上沖頭穿孔→合模→上沖頭穿孔→水平沖頭穿孔復雜的模具組合動作，可以有效規避折疊缺陷。

⑶在類似旋塞閥體幾何特征的鍛件多向模鍛成形方案制定時，通過合理配置模具的動作次序，并借助數值模擬深入分析鍛件金屬流動規律，對實際生產中解決折疊缺陷有一定的指導作用。