高壓閥體模鍛工藝及模具設計

文／羅天園·中車資陽機車有限公司鍛造事業部

隨著石油行業的發展以及對鉆采設備技術要求的提高，越來越多的石油鉆采設備廠家將鑄造閥體改為鍛鋼件。我公司歷經40余年鍛造技術的沉淀，已為國內、國外用戶開發了各類高壓閥體鍛件近三十個品種，在模鍛閥體領域累積了豐富的鍛造經驗。

產品結構分析

我公司生產的閥體材料主要為ASTM4130、ASTM410SS、F91、F92等，公司生產的閥體鍛件簡圖如圖1所示，重量范圍從10kg到600kg，整體形狀趨于一致。從圖1可以看出，鍛件截面變化較大，在工藝制定及工裝設計時需考慮材料的預分料及工裝的合理設計便于金屬流動。

圖1 鍛件二維圖

工藝技術分析

鍛造原材料規格的選取一般根據鍛件料耗及市場通用材料規格選取。具體的經驗方法如下，首先通過三維建模測算鍛件重量，考慮到料耗及火耗，在鍛件重量的基礎上乘以約1.16倍作為幾個基礎重量G，其次依據兩端法蘭的直徑大小選取在該尺寸上下偏差在±5mm之間的規格棒料D。

計算最大面積

通過三維建模分析鍛件的最大截面積S，一般閥體的最大截面均在最中間部位的閥身（圖2），并將該最大截面積Smax乘以1.15倍的經驗數值后作為所需坯料的截面積，再計算出相應的Dmax。

圖2 閥體最大截面位置圖

測算鍛件的投影面積

依據投影面積來核算具體的設備噸位，一般采用鍛造經驗公式F=4S，其中F為模鍛錘噸位，S為鍛件投影與橋部、1/2倉部面積之和，依據不同的設備選型制定不同的工藝及工裝設計方案。

工藝路線及模具設計

通過上述工藝分析的數據就可以制訂具體的工藝路線和工裝設計思路，該過程又分為兩類，一類是D≥Dmax，另一類是D≤Dmax。

當D≥Dmax時

根據重量計算出坯料長度L，若L與鍛件總長接近或略短時，可以直接選取該規格作為工藝用料。當L大于鍛件總長時，可選取略大規格的材料，計算后保證L略短于鍛件總長即可。

上述分析提及的鍛件的工藝方法及工裝設計均較為簡單，其工藝方法為坯料直接送入型腔便可鍛打，過程中注意清理氧化皮及鍛件尺寸的控制。其工裝設計思路為單模腔鍛造，可設計四角鎖扣以提升工裝導向精度，具體工裝圖設計如圖3所示。

圖3 單型腔閥體鍛模結構

當D＜Dmax時

又分為兩種情況，這種情況又分為兩種類型，即D＜Dmax＜1.15D和1.15D≤Dmax。

當D＜Dmax＜1.15D時，工藝方案及工裝設計思路均可參照前文方案執行，因為即便坯料的截面小于鍛件截面Smax，但兩端法蘭頸部在變形時會將一部分金屬擠壓到中體部位，不至于鍛件中體缺料，鍛件仍可以充滿。

當1.15D≤Dmax時，就要在工藝方案和工裝設計時考慮其他制坯方法。若鍛件重量在150kg左右，且模塊足夠大，在承擊面允許的情況下可以在鍛模上設計一個鐓粗型腔，將坯料進行鐓粗后再放入終鍛型腔，在鐓粗的同時可以去除大部分氧化皮，其工裝結構設計如圖4所示，圖中圓形型腔即為坯料鐓粗型腔。

圖4 有鐓粗型腔的鍛模結構

當鍛件最大截面超過坯料直徑1.15倍且鍛件重量較大，分模面較小，不適宜在錘上鐓粗時，只能采用自由鍛造進行制坯。其工裝設計結構同圖3，其自由鍛制坯時，原材料規格選取方法仍然需參照兩端法蘭截面。同時需設計一套鐓粗用漏盤，鐓粗時將漏盤放置在坯料上下端進行自由鐓粗，鐓粗后坯料總長比熱鍛件短30～50mm，其中漏盤要有足夠的斜度且口部圓角要足夠大，否則易在鍛件過渡處形成折疊。具體制坯方式及效果圖見圖5。

圖5 自由鍛制坯方式及效果圖

為進一步降低生產成本，正在研究一種大型閥體在模鍛錘上制坯的方案，該方案將盡可能的發揮我公司10t、16t模鍛錘聯合鍛造的優勢，將自由鍛制坯成本偏高及模鍛錘上制坯不方便操作的弊端得以消除，從而實現大型閥體1～1.5火次鍛造成形。該方案不但可有效降低生產成本而且可很好的提升鍛件表面質量，在鐓粗時徹底解決表面氧化皮的困擾。思路是將上述的漏盤以鑲塊模的方式設計并裝配到10t模上，并考慮通用及互換性。坯料在10t模進行鐓粗后，采用操作機轉移至16t模鍛錘進行鍛造，從而實現一火次鍛造。其中若生產節拍較長或異常時，可將坯料稍許加熱保溫后再進行模鍛，鑲塊模設計如圖6所示。

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圖6 鑲塊模設計圖

生產中出現的問題及措施

目前，我公司已生產各類閥體三十余種，重量范圍從10kg到560kg，其中有需要制坯也有一次成形，根據產品重量、規格形成了一系列的閥體生產工藝及工裝，期間也發生了一些質量問題，隨著工藝的不斷改進及操作水平的提高，一系列質量問題正在不斷消除中。

鍛件表面質量較差

由于先期操作人員質量意識不強，未能將氧化皮有效去除，導致氧化皮粘在坯料表面，最終在鍛件上形成凹坑，嚴重影響外觀質量及加工余量。通過后期的質量意識教育并在工藝中嚴格要求，同時在生產中加入氧化皮去除工序后，表面質量得到一定提升。

鍛件彎曲

由于部分鍛件頸部尺寸較小，當鍛模型腔尺寸變大時，切邊的過程中切邊力也相應地增大，導致頸部及法蘭部位切邊力激增，而使得鍛件在長度方向發生一定量的彎曲，進而影響后續加工，給劃線加工造成不必要的麻煩。后續生產中通過及時打磨切邊模刃口使其鋒利，及時修復鍛模該類質量問題可以逐步解決。

法蘭及頸部產生折疊

此類問題主要發生在鍛模上進行鐓粗類產品，其原因主要為坯料鐓粗過度，導致過渡部位過于激凸形成臺階，進而在模鍛時形成折疊。出現該質量問題后，及時對班組做出要求，要求對鐓粗高度做出限制，同時對鐓粗型腔口部圓角進行加大，此類問題得以解決。

模具塌陷嚴重

由于鍛模四個頸部位置在生產中極易發生塌陷，一旦班組不能發現工裝塌陷導致鍛件局部缺肉，可能會生產出批量廢品。在此種情況下，首先將鍛模四個口部圓角修磨使其增大至原尺寸2～3倍，其次要求班組在生產時，必須采用噴霧進行冷卻，避免鍛模局部受熱變形。

批量生產

我公司正進行多個品種的閥體生產，在工藝、工裝設計中均采用上述方案，取得了良好的效果，同時也出現一些質量問題，通過相應的措施得以消除，圖7所示為批量生產的閥體鍛件。

圖7 批量生產的閥體鍛件

總結

我公司擁有十余年生產各類閥體的鍛造歷史，涉及三十余種平板閥、旋塞閥、截止閥、角閥類鍛件，積累了較為豐富的設計及生產經驗。在此期間走了不少彎路，最終探索出了一條成功的道路。通過多年來設計、生產閥體的經驗，已具備生產各種閥體的能力，且質量控制水平也在穩步提高，為公司繼續做大、做強鍛件產業奠定了堅實的技術基礎。