全焊接兩片式左右體一體式鍛造成形新工藝

文/余鳴亮·浙江聯(lián)大鍛壓有限公司

曹峰華·上海電機(jī)學(xué)院

隨著各工業(yè)業(yè)對(duì)技產(chǎn)品術(shù)的的使快用速發(fā)性能展和和安不全斷性進(jìn)能步，的各要行求逐漸提升。尤其在供熱管道以及天然氣傳輸?shù)南到y(tǒng)中，閥門產(chǎn)品的安全性和可靠性越來(lái)越受到社會(huì)的廣泛關(guān)注。

球閥(圖1)是管路中用來(lái)做快速切斷、分配和改變介質(zhì)流動(dòng)方向的部件。球閥外殼主要由左右體和法蘭組成，在左右體制造成形工藝中，傳統(tǒng)多采用分體式焊接工藝，圖2 為分體式焊接工藝的左右體組成結(jié)構(gòu)。分體式焊接工藝由于零件數(shù)量多、焊口數(shù)量多，產(chǎn)品的安全隱患大。隨著裝備技術(shù)和成形技術(shù)的發(fā)展，左右體一體式鍛造工藝逐漸被市場(chǎng)所認(rèn)可，圖3是一體式鍛造左右體的零件。一體式鍛造的主要優(yōu)點(diǎn)有：避免傳統(tǒng)工藝接頭焊接產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)；閥座位置直接成形，密封性能顯著提升；有效防止出現(xiàn)球壓的變形問題。

圖1 球閥裝配圖

圖2 分體式焊接產(chǎn)品

圖3 一體式鍛造產(chǎn)品

本文將闡述一種新型的左右體一體式鍛造的成形工藝，減少焊口數(shù)量，保證左右體完整性，同時(shí)降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品綜合力學(xué)性能和安全性能。

產(chǎn)品介紹

產(chǎn)品選取型號(hào)規(guī)格為DN150mm，材質(zhì)為20號(hào)鋼，產(chǎn)品質(zhì)量9kg，上端為帶有球狀喇叭口形的空心圓筒，上端球徑較大，下端直筒外徑較小，產(chǎn)品外形尺寸和結(jié)構(gòu)形狀變化大，如圖4 所示。該產(chǎn)品主要應(yīng)用于供熱閥門和天然氣閥門領(lǐng)域。

圖4 左右體零件及設(shè)計(jì)圖

成形工藝制定

由于產(chǎn)品內(nèi)、外徑尺寸變化較大，精度要求較高，難以一次鍛造成形，為了確保產(chǎn)品的完整性，制定了先冷鍛預(yù)成形，后熱鍛終成形的左右體一體化鍛造成形新工藝。

工藝流程如下：下料→冷鍛預(yù)成形→加熱→熱鍛成形→檢驗(yàn)→成品。

冷鍛預(yù)成形

產(chǎn)品外形尺寸輪廓變化較大，冷鍛預(yù)成形的主要目的是使產(chǎn)品下端收口，方便第二步終鍛成形。借助有限元仿真軟件Deform-3D 對(duì)冷鍛預(yù)成形件進(jìn)行數(shù)值模擬，選取外徑232mm，壁厚9mm；冷鍛模具選用普通碳鋼，設(shè)定環(huán)境溫度為20℃，坯料溫度與環(huán)境溫度相同。

⑴成形工藝過(guò)程：坯料經(jīng)過(guò)冷鍛擠壓，下端完成收口工序，鍛件外觀質(zhì)量良好，無(wú)折疊、開裂、起皺等缺陷。預(yù)鍛成形過(guò)程見圖5。

圖5 預(yù)鍛成形過(guò)程

⑵等效應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析：在冷鍛預(yù)變形過(guò)程中，主要獲得下端收口的預(yù)鍛件，由圖6(a)等效應(yīng)變場(chǎng)可見，產(chǎn)品下端收口部位為變形劇烈區(qū)，主要表現(xiàn)在圖中黃色和綠色區(qū)域，變形區(qū)的等效應(yīng)變數(shù)值分布較為均勻，說(shuō)明金屬變形較均勻。

圖6 數(shù)值模擬分析

由圖6(b)溫度場(chǎng)可見，最高溫度104℃，比初始坯料溫度升高了84℃，升溫區(qū)均分布在坯料變形較劇烈的部位，原始坯料內(nèi)部組織未發(fā)生改變。

終鍛熱成形

鍛件產(chǎn)品整體外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，壁厚較薄，需要借助第一步冷鍛收口將坯料預(yù)成形，預(yù)成形收口尺寸與終鍛件下端尺寸相近，便于熱成形工序坯料的放置。

⑴成形工藝過(guò)程：終鍛熱成形時(shí)需要將材質(zhì)為20 號(hào)鋼的冷鍛預(yù)成形件加熱到(1200±20)℃，模具選用模具鋼5CrNiMo，模具預(yù)熱溫度在150 ～250℃之間。

經(jīng)過(guò)熱鍛成形后，獲得終鍛件產(chǎn)品如圖7(b)所示，鍛件外表面成形良好，產(chǎn)品外形過(guò)渡區(qū)域飽滿，未產(chǎn)生折疊、褶皺等缺陷。

圖7 熱鍛成形過(guò)程

⑵等效應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)分析：在熱鍛成形過(guò)程中，鍛件在原有預(yù)成形件產(chǎn)品基礎(chǔ)上，完成左右體零件的上端擴(kuò)口工序以及過(guò)渡區(qū)域“T 形臺(tái)”部位的變形。由圖8(a)可見，終鍛熱成形工序，鍛件的等效應(yīng)變場(chǎng)數(shù)值較小，表明金屬之間變形流動(dòng)并不劇烈，變形主要存在于過(guò)渡區(qū)域的“T 形臺(tái)”部位。

圖8 數(shù)值模擬分析

由圖8(b)溫度場(chǎng)可見，左右體鍛件溫度場(chǎng)分布均勻，整個(gè)鍛造成形過(guò)程中溫度始終滿足該材料的鍛造區(qū)間，未出現(xiàn)溫降過(guò)多導(dǎo)致產(chǎn)品拉裂的風(fēng)險(xiǎn)。

試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證模擬仿真方案的可行性，在車間鍛造液壓機(jī)上開展了試驗(yàn)驗(yàn)證，最終的鍛件與模擬仿真結(jié)果相吻合，外觀質(zhì)量和外形尺寸均滿足產(chǎn)品參數(shù)要求，驗(yàn)證了該工藝方案的可行性，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了批量化的生產(chǎn)，試制產(chǎn)品和批量生產(chǎn)產(chǎn)品如圖9 所示。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得知，該類型左右體產(chǎn)品最大節(jié)約原材料質(zhì)量可達(dá)20%，最大節(jié)約生產(chǎn)成本20%以上。采用一體化鍛造成形工藝不僅降低了鑄造閥門氣孔、疏松的風(fēng)險(xiǎn)，而且減少了分體式焊接帶來(lái)的焊口多、缺陷多的風(fēng)險(xiǎn)，提高了產(chǎn)品的安全使用性能。

圖9 試驗(yàn)驗(yàn)證和批量生產(chǎn)