一种带侧法兰阀体锻件的制造工艺

一种带侧法兰阀体锻件的制造工艺

文／宋昌哲·二十二冶集团精密锻造有限公司

本文基于多向模锻成形技术，结合计算机数值模拟结果，提出了一种带侧法兰阀体锻件的制造工艺，并进行了生产验证，最终产品优于设计要求。

目前，带法兰高中压阀门广泛应用于石油、化工系统。而阀体是阀门的主要部件。根据美国石油协会《井口装置和采油树设备规范》标准，石油阀体常常需要在高压、高腐蚀气体、高气密性条件下工作，工况条件恶劣。长期以来，制造带法兰的阀体通常有焊接、铸造及锻造三种工艺。焊接工艺一般是阀体主体锻造、法兰盘部分焊接，其缺点是焊缝容易产生气孔及热裂纹，并且焊接工序复杂，生产效率低。铸造工艺的劣势是铸件内部易产生气孔、夹杂、疏松和裂纹等缺陷。鉴于石油化工类阀门上所用阀体的额定工作压力达13.8MPa～138MPa，针对焊接工艺和铸造工艺存在气密性不足及承压不理想、成品合格率不高的缺陷，锻造工艺生产石油阀体锻件被越来越多的采用。

目前，带法兰阀体一般采用分体锻造形式，然后阀体和法兰通过焊接形式对接，但其焊接部位易出现缺陷，影响阀门整体质量；也有部分厂商采用分步锻造、局部成形的胎膜锻造工艺，该工艺的缺点是操作工序繁多，且要求制坯过程中分料准确，否则极易造成锻件报废；而这些方法也无法成形外形结构复杂、接近零件尺寸的锻件；因此有厂商采用棒材直接加工成零件形状，但由于金属流线破坏严重，阀体机械性能极不稳定。而多向模锻技术能够很好的解决上述存在问题，通过一次锻造，可成形结构复杂、带凸台或中空的锻件。

因此本文阐述了一种带侧法兰阀体锻件基于多向模锻成形技术的制造工艺，可一火次锻造形状复杂，带内孔的阀体锻件，锻造流线完整，然后进行必要的锻后处理，保证了阀体的整体性能，为此种或相似阀体制造工艺的应用提供新思路。

表1 锻件机械性能要求

参数 抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/% 冲击功/J数值≥520 ≥335 ≥20 ≥27

工艺技术路线

本文研究的为Q345B材质的带侧法兰的阀体锻件的制造工艺，该阀体零件主要应用于石油化工领域，其传统工艺是采用棒材直接加工而成，机械性能要求如表1。从图1中可以发现：阀体内部由垂直和水平相互垂直的两个孔腔组成；阀体垂直面投影面积大于水平面；阀体的侧法兰体积大，较难锻造成形；阀体结构形状复杂，不规则。因此锻造成形工艺拟采用多向模锻技术，锻造完成后进行热处理，保证阀体机械性能达到要求。

结合零件形状、性能要求、液压机能力，设计图2所示的阀体锻件结构形式，拟在40MN多向模锻液压机及辅助设备上进行制造。确定主要工艺技术路线为：①计算机数值模拟→②坯料准备→③坯料加热→④模具准备→⑤多向模锻成形→⑥锻件无损检测→⑦锻件热处理→⑧锻件抛丸，其中①和⑤为重点控制环节。

图1 零件示意图

图2 带侧法兰阀体锻件结构示意图

锻件计算机模拟

结合阀体锻件成形工艺参数的要求，运用SolidWorks软件对坯料、上模、下模、凸模三维造型，如图3所示，将三维模型格式转化后导入Deform-3D软件中进行锻件成形过程模拟分析。

图3 锻件与模具三维图
1-垂直凸模 2-上模 3-锻件 4-水平凸模 5-下模

在有限元模拟过程中，坯料选择棒材，始锻温度为1150 ℃，模具温度为200 ℃。坯料设定为塑性体，模具设定为刚性体，成形过程采用刚粘塑性流动模型，坯料与模块间选用剪切摩擦模型，摩擦因子0.15。

在利用多向模锻技术成形锻件过程中，凸模可以从各方向向模具中的坯料施加压制力，可以任意组合凸模的运动顺序、运动行程及位移等。这种组合方式对锻件成形效果、载荷大小以及模具寿命影响极大。根据此阀体锻件结构形状分析，法兰盘部分容易充填不完全，成形较为困难，因此综合分析，采用的多向模锻成形过程为：上下合模→水平凸模运动→垂直凸模运动→复位。

在多向模锻过程中，凸模的运动顺序影响锻件内部材料质点流动和位移场。此阀体零件的水平孔腔直径较小，经模拟计算，成形水平孔腔时凸模受力较大，超出设备能力，且水平凸模变形大，不易拔模，容易发生断裂。因此通过调整垂直凸模的位移可以在较小的变形力下使坯料有序的充满型腔，同时可避免锻件内部撕裂和表面折叠。

综上所述，先将坯料横放在下模型腔，上下合模；然后左右水平凸模联合挤压运动指定位移，如图4b所示；整个过程可以看到金属首先流向侧法兰处，坯料中间沿垂直方向形成鼓状，如图4a、4b所示；水平凸模到达指定点后，法兰盘外侧圆角和锻件下底面未完全充填金属，如图4c，此时通过垂直凸模运动对坯料挤压使金属充满模具型腔，如图4d。模拟结果显示锻件成形效果较好，无缺陷产生，需要的合模力为20MN，垂直凸模压制力为3.2MN，水平凸模压制力为5.6MN。通过比对，选用的锻造设备能力可以满足设计要求。

图4 金属流动过程

坯料与模具

坯料选择φ145mm轧制棒材，技术要求符合GB/T 1591、GB/T 702的要求，采用锯床下料，计算下料重量时需要考虑氧化烧损率及锯切损耗，下料重量需精确控制在76.2～76.5 kg。

根据工厂条件可选用室式炉或中频加热炉对坯料进行加热，加热温度为1200℃，保证始锻温度在1150℃以上，加热后必须进行除鳞。

模具的预热温度应在200℃以上，模具润滑剂使用水基石墨乳。

多向模锻成形

该锻件带侧法兰，其多向模锻成形工艺与普通三通类锻件明显不同，因此上下模、垂直及水平凸模采用压力控制，在成形过程中根据情况调节水平缸、垂直缸的压力，获得最佳的工艺参数；而侧法兰依靠水平凸模成形，成形过程中要保证水平方向对称凸模的同步性。

其具体的成形过程如下：

①上、下模合模→②左右水平凸模运动至指定行程位置→③垂直凸模运动至指定行程位置→④垂直凸模复位→⑤水平凸模复位→⑥上模复位→⑦锻件脱模→⑧进入下一循环。

其主要的多向模锻成形控制参数见表2。

锻件后处理

锻件冷却后依据GB/T 6402对锻件外表面进行100%超声检测，未见缺陷。锻件进行910℃正火处理，保温时间5h。热处理后锻件表面进行抛丸，去除氧化皮，抛丸主要参数见表3。

表2 主要成形控制参数

成形过程 控制方式压强/MPa初始点终止点 位移量/mm上模下行 控制位移— 0 390 390上模下行 控制压力50 390 — —水平凸模运动控制位移— 0 290 290水平凸模运动控制压力50 290 — —垂直凸模运动控制位移— 0 435 435垂直凸模运动控制压力15 435 — —复位、脱模

表3 抛丸主要参数

参数 钢丸直径/mm 抛射速度/m·min-1 抛丸时间/min数值1.2 80 8

生产验证

根据工艺方案，在40MN多向模锻液压机上对该类产品进行了试制，从锻件实际结构形状观察，锻件成形与模拟结果基本一致，一火次锻造出合格产品，法兰充填饱满，经检验产品各项机械性能均优于设计要求，见表4，锻件外观质量良好，见图5。

表4 锻件的机械性能

参数 抗拉强度/MPa屈服强度/MPa延伸率/% 冲击功/J数值575 395 24 138

图5 试制产品情况

在试制基础上进行了小批次生产，一次合格率达到91%。同时在在设计过程中充分考虑凸模在金属变形中受力情况，使用压制力较小，未出现垂直凸模金属堆积、模具型腔没有明显沟痕划伤，提高了模具使用寿命。

结论

⑴采用计算机数值模拟的方式对带侧法兰阀体锻件的成形过程进行模拟，分析金属流动的规律，应力分布及变形状况，为实际生产提供了技术支持。

⑵根据此方案可以制造出质量合格的带侧法兰的阀体锻件，与数值模拟结果吻合。

⑶基于多向模锻成形工艺为核心技术的阀体制造技术，可以一火锻造成形锻件，锻件机械性能和外观质量优良，且节能节材。

⑷通过模具与凸模合理的运动顺序、位移、压制力对坯料进行多向联合挤压锻造，可以成形类似带法兰阀体锻件。