防噴器成形工藝的有限元數值模擬研究

文／楊武，談安寶，王炳正·蘭州蘭石集團有限公司鑄鍛分公司，甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心

馬鵬翔，張哲瑞，王旭明·蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心

本文以雙閘防噴器鍛件產品為研究對象，運用SolidWorks+Forge軟件進行有限元模擬仿真，通過Forge軟件模擬仿真，對其成形工藝中鐓粗、拔長、沖孔等工藝進行了模擬，成形過程中沖孔工序選取Damage功能，將斷裂準則成功應用于鍛件沖裁過程。通過模擬為生產實際提供可靠的數據，結合生產實際為客戶提供高品質產品已成為我公司目前產品開發重要程序。

概述

防噴器是用于試油、修井、完井等作業過程中關閉井口，防止井噴事故發生的安全密封井口裝置，防噴器將全封和半封兩種功能合為一體，具有結構簡單，易操作，耐高壓等特點。

本文針對某公司雙閘防噴器產品，在實際生產前，通過Forge軟件對其成形工藝進行數值模擬仿真，對其成形過程中壓機受力、坯料溫度場、沖頭尺寸設計等進行分析，選擇合理的工藝參數及沖頭尺寸，最終通過實際生產驗證了工藝的可行性。

工藝簡介

鍛造工藝路線：14.5t的8角鑄錠，材料為34CrMo4，選用50MN快速鍛造液壓機組開展鍛造成形過程。具體過程：壓鉗口→倒棱→鐓粗→壓方750mm×1020mm→兩端滾圓→沖孔，其中沖頭設計成有一定斜度，便于取出。

成形工藝數值模擬仿真

有限元模型建立及參數設置

采用SolidWorks軟件對鑄錠、平砧、沖頭等進行三維建模，鑄錠模型見圖1。

圖1 鑄錠三維模型示意圖

圖2 有限元模型網格劃分

將.STL文件導入Forge軟件并進行網格劃分及參數設定，如圖2所示，有限元模型分為三部分：上模、鑄錠、下模。鑄錠坯料網格數77001。鑄錠始鍛溫度1250℃，平砧預熱至250℃。壓機參數選擇Hydraulic，壓機速度鐓粗時40mm/s，拔長時60mm/s，停止壓力為5000t。

鑄錠材料為34CrMo4-1.7220，成分見表1。

模擬過程介紹及分析

在模擬仿真設置過程中，前期使用平砧壓鉗口、倒棱，然后進行鐓粗、拔長，最后用沖頭、墊圈沖孔。工藝流程及模擬示意圖見表2。

圖3 模具受力隨時間變化曲線示意圖

表1 34CrMo4-1.7220化學成分

表2 鍛造工藝流程及模擬示意圖

根據圖3所示模擬結果，鐓粗時壓機壓力最大為4859.8t，因此50MN壓機能滿足條件。

整個過程中坯料表面溫度，模具受力數據匯總見表3。防噴器產品毛坯件成形過程中最大力出現在鐓粗過程，此過程要選擇合適的工藝及合理的壓機速度，通過多步鐓粗以減少壓機長時間滿載荷運行。整個模擬過程顯示坯料表面溫度在1000℃左右，在熟練操作設備時可高效完成成形工藝過程。

表3 模擬過程數據匯總表

圖4 沖頭、熱處理后的防噴器毛坯鍛件

現場驗證

利用數值模擬仿真成形的工藝參數，在現場進行了試驗，圖4為沖頭、熱處理后的防噴器毛坯件。生產過程中的結果與數值模擬工藝中所采集的數據非常接近。防噴器毛坯件經探傷合格。

結束語

利用有限元數值仿真模擬軟件Forge對防噴器產品毛坯件鍛造成形過程進行全流程模擬，通過試驗驗證，生產出表面和內部質量良好的毛坯件，通過最終精加工完成客戶要求，SolidWorks+Forge軟件進行有限元模擬仿真，結合生產實際為客戶提供高品質鍛件產品。