基于Deform的三通閥體熱鍛成形工藝優化

宋昌哲

摘要：本文通過對三通閥結構概述、三通閥材料特征以及熱鍛工藝過程分析對三通閥熱鍛工藝進行簡述。通過工藝參數對三通閥鍛件的評估與仿真結果分析對三通閥鍛件質量的影響進行進一步的說明。最后文章對基于Deform的三通閥熱鍛工藝進行總結。

關鍵詞：工藝優化;三通閥體;Deform;熱鍛成形

前言：三通閥作為火電、核電、石油化工管道的常用件，三通閥由自身的端部螺紋或法蘭部與施工管道進行接通，管道接通后，內部產生高壓強與氣液體，三通閥作用于閥體外部的動載荷，與內部的閥門壓強載荷以及外部的動載荷雙方工作作用下的工作原理。三通閥的載荷較為復雜，因其適用范圍在管道建設工程中，對于閥體的性能與抗疲勞性要求較高，以此來穩定管道的氣液運輸。但由于管道的本體不同，三通閥的安裝與設置時，存在不合理支出，導致沖頭載荷過大等問題的出現。

三通閥熱鍛工藝

熱鍛是指對固定的料進行加熱后使其形成結晶溫度上，通過增加溫度與壓縮力度使材料的變形抗力產生變化，并提升其固態的可塑性。材料在進行熱鍛的過程，會因外力產生變形，隨著溫度與力度的變化會進行熱傳、微觀組織與形變等復雜反應。三通閥使用了熱鍛工藝，通過反復試驗和分析，鍛造出質量更好使用性能更高的三通閥。

1.1三通閥結構概述

鍛件是重大設備、施工材料等的重要使用部件，因其使用與工作環境較為復雜，無論是從工藝還是力學角度來講，鍛件的力學性能與要求都較高。三通閥體作為可進行內部布設管道的連通器，要承受的載荷十分巨大，且要考慮管道內部的輸送氣液體，因此對于三通閥的基本材質就有一定的要求[1]。作為左右互通、中通閥軸貫通的圓筒形閥門，中部的凸起與另外相同的筒管都各有用處。

1.2三通閥材料特征

因三通閥作為建筑施工中的重要材料之一，使用穩定性較強，且有較好的耐腐蝕性、強度等有助特點為一體，采用1Cr13合金鋼，可以更好的進行閥件本體的鍛造。如圖1中所示，為穩定三通閥的材料結構與穩定性，鍛造合金的化學組成部分較為復雜：

使用合金進行三通閥鍛造的原因是因為合金的化學元較為穩定，即使在北方的天氣中也仍舊擁有較為強的沖擊吸收力、硬度高、抗拉深度高等優勢，被廣泛的應用。

1.3熱鍛工藝過程分析

三通閥體的煅燒網格由上中、左右三部分，進行閥體的熱鍛成時，要先將三通閥的模具進行預熱。將合金放置于模具中心[2]，在放置的過程中要注意坯料要與左右沖頭進行對齊。上沖頭要留出一部分的空余位置，以便左右兩側向內進行坯料擠壓時有足夠的空間。由模具的外部向左右沖頭內部施加相同壓力，當左右沖頭都被坯料填實后，檢查兩邊距離。考慮到不同型號的三通閥體鍛造的時間、壓力與熱鍛參數等有所不同。如一段直徑75mm，長度為115mm。經過1000-1200度的溫度對合金進行加熱。初始的模具預加熱至350-400度左右，水平為沖頭進行施力。

工藝參數對三通閥鍛件質量的影響

2.1工藝參數對三通閥鍛件的評估

對合金進行加工的過程中，由于是使用熱加工過程，填充坯料的余量會對最終的三通閥鍛件的成品質量造成影響。科技的發展下，使用科技含量較高的Deform軟件可以對鍛件的鍛造進行預先演示。可以節約許多不必要的原材料浪費。在使用Deform軟件對三通閥進行鍛造時，可將選定的代替坯料進行加熱。通過對沖頭的速度與沖力的調整。三通閥在進行鍛造時，中心的溫度較低，水平的沖頭與填充坯料的接觸部分會因為熱度的問題產生不同的質量變化。沖頭設置如果存在一定的不合理時，填充的坯料雖然進行了預熱，但在沖頭速度與坯料接觸時還是會因為關鍵的中心位置溫度不足，坯料流速過大導致鍛件在后續的冷卻過程中產生應力，最終導致三通閥的鍛造質量。

2.2仿真結果分析

對Deform軟件下進行的三通閥鍛件成品進行分析，使用不同的力與速度進行三通閥鍛造，保證在熱鍛的預鍛與終鍛坯料都填充完畢，且均已充滿模具。根據鍛造時對載荷大小的變化關系中，載荷的突變情況下會在鐓粗、預鍛、終鍛處產生。因為在進行熱鍛的過程中，上模中的坯料填充物是一直在變換和運動的，上模的運動速度產生一定的變化下，填充坯料的溫度是會變化的，上文中提到鍛造過程中模具中心的位置溫度比起其他位置較低，隨著上模的運動變化，接觸能量也會有所不同，對于合金坯料的填充與分布都會產生相應的改變。如上模的運動速分別為400mm和450mm，通過反復試驗后得出，450mm的上模速度下，鍛件的周邊金屬流動性更佳，且金屬的速度場分布良好，使用Deform軟件進行三通閥鍛件可以減少流線性，對后續的使用合金金屬進行上模的載荷有一定的影響，且減少了金屬回流的折疊風險。

除此之外，垂直沖頭速率對檢測點的溫差也會對三通閥的鍛件造成參數的數值影響，各分為溫差從100度降低至55度與150度降至49度兩組進行對比試驗。設定1000-2000度的坯料加熱溫度，并分別對兩組溫度變化下的三通閥鍛件進行了對比，經過對比后發現，溫差降低率小的鍛件冷卻后的效果比溫差降低較大的鍛造應力更小，三通閥的鍛造質量更優秀。

基于Deform的三通閥熱鍛工藝總結

三通閥的熱鍛工藝技術中，以Deform軟件為基礎，通過軟件對熱鍛的形成材料與動力模型進行試驗與分析，對比模型應力、對微觀組織的演變、模型演化與熱成形開裂模型等情況集為一體[3]。從多方面的角度進行三通閥的熱鍛模型鍛造預演。對比熱成型與溫度控制下的數據，對熱鍛工藝進行分析。較快的速度與較小溫差下的三通閥熱鍛會使最終的成品效果更好。對于Deform軟件的實際生產應用中，除合金的金屬坯料。Deform軟件中使用的晶體粒子材料在溫變下達到一定程度后，并未顯示出進一步成長跡象，因此對于Deform軟件中代替實際金屬與合金等填充料進行補充的試驗材料有一定的極限數值。只有在試驗中按實際情況隨時進行晶體粒子的填充，才能更加符合金屬模型的使用度。

多次對三通閥進行熱鍛時，對于靜置等待降溫的一過程，晶體也會一定的變化，成品中的合金鍛件在進行冷卻時無金屬流動情況。需要對的組織進行數值的模擬演變，使用雙道次進行熱模擬壓縮試驗后，進行對比來形成最后的模擬數值，可以大幅度的提升演變數值的實際結果，使其更接近于真實的金屬填充物。

結束語：由此可見，Deform軟件可以模擬三通閥門的體熱鍛的填充，進行三通閥體熱鍛的工藝優化，可以大幅度的提升與優化三通閥的工藝參數。鍛件關鍵位置的優化會為鍛件最終的質量與精度提供更加穩定的保障。多次進行熱鍛形成集成，并對最終的組織演變、空洞型缺陷演化以及開裂與測等，都可以通過Deform鍛件對數值進行最終模擬，來定制合理的熱鍛工藝，并為三通閥體的鍛造工藝提供科學的依據。

參考文獻：

[1] 趙潔， 閆洪波， 侯永亮. 基于Deform的三通閥體熱鍛成形工藝優化[J]. 熱加工工藝， 2019， 48（21）：3.

[2] 張慶旭， 劉飛， 周偉. 基于Deform的鋁合金盤體件鍛造工藝參數對成形性能影響的分析[J]. 熱加工工藝， 2020， 49（13）：4.

[3] 武彬， 王紅麗. 基于Deform-3D的雙向法蘭套管溫鍛工藝優化[J]. 熱加工工藝， 2019（7）：4.