阀体多向模锻成形缺陷分析及工艺优化仿真

文／张家伟，刘金洪，王楠楠·中冶重工(唐山)有限公司

曹峰华，任杰·上海电机学院

旋塞阀是石油矿场固井和压裂作业时连接高压管汇的一个不可缺少的重要部件，恶劣的使用工况对其综合力学性能及内部组织提出了极高的要求。由于传统的锻造+机加工的成形方式成本高且无法满足其性能要求，故采用了更先进的多向模锻成形工艺。

多向模锻技术是从两个或更多方向对包含在可分合模腔内的坯料施加工艺力，使坯料成形的模锻方法，是一种理想的精密优质、节能省材的锻造技术。采用该技术锻造既能实现近净成形，又能利用强大的三向压应力保证锻件的组织致密及流线的完整，该技术已被广泛应用于阀门阀体锻件的制造。由于多向模锻工艺的复杂性，在生产过程中经常会遇到锻件表面生产充填不满、折叠等表面缺陷。图1 是旋塞阀锻件喷丸、机加工后在主阀体上端面肉眼可见的锻造折叠缺陷。

图1 主阀体上端面折叠缺陷

本文通过Deform-3D 软件进行有限元模拟，分析旋塞阀成形过程中折叠缺陷的产生机理，提出优化工艺方案，有效地解决了旋塞阀锻造折叠缺陷问题，获得了合格的旋塞阀锻件产品。

旋塞阀体锻造缺陷的分析

旋塞阀体多向模锻工艺方案

原生产设计工艺方案如图2 所示，下料(直径210mm)→多向模锻(合模+上冲头穿孔+水平冲头穿孔)→热处理→抛丸→打磨→供货。材质为40CrNi2Mo，锻造技术要求是锻件不得有过热、过烧、折叠等表面缺陷，当存在深度不大于2mm 的裂纹或压痕时，可经打磨去除，锻件热处理后逐件进行超声波探伤和磁粉探伤。

图2 阀体成形过程

有限元模型建立

针对上述图1 折叠缺陷的表象特征，对工艺方案进行深入分析研究。采用三维造型软件CATIA 对旋塞阀体及模具进行三维建模，导入Deform。旋塞阀体材质为40CrNi2Mo，本次模拟直接在Deform 材料库中选取相近的AISI-4340 材料。采用剪切摩擦模型，摩擦因子取0.15，上模具和冲头的运动速度为25mm/s，坯料始锻温度为1200℃，模具预热温度为250℃，坯料与模具热交换系数为8kW/(m2·℃)。Deform-3D几何模型如图3 所示。

图3 Deform-3D 几何模型

数值模拟结果与分析

锻件速度场能够清晰地反映锻造过程中金属组织流动的趋势以及判断产生折叠缺陷的部位。图4 所示为锻件成形过程中金属组织流动趋势图。

图4 金属流动趋势

如图4(a)所示，圆柱形坯料先进行了镦挤，坯料上端外环面金属随上模向下流动，坯料中部金属由于上部无模具施压，因此流动缓慢形成中间凸起；图4(b)为上冲头向下挤压，导致前一步圆台凸起部分金属反挤进入模具上型腔，产生纵向飞边；图4(c)为上冲头挤压结束，水平冲头对向挤压，金属分别向主阀体上端部流动和水平端反向流动，向主阀体上端部反流的金属与前一步形成纵向飞边的金属形成互挤的趋势，最终产生折叠缺陷。

由前述图1 不合格锻件图中可以发现，折叠缺陷并不是沿着圆周方向均匀形成，而是偏向于阀体水平通道侧，经过分析是根据塑性成形最小阻力定律，在上模和上冲头向下镦挤坯料的过程中，沿阀体水平通道侧的金属会更容易向模具水平通道空腔处流动，导致上端面沿水平通道侧的金属流出较多，在水平冲头向内对向挤压过程中，又会形成部分金属反流填充主阀体上端面，主要是沿水平通道侧的上端面。因此，在主阀体沿水平通道侧的上端面易形成折叠缺陷，见图5 有限元分析折叠云图深红色区域。

优化后的锻造方案分析

优化后的旋塞阀体多向模锻工艺方案

针对原方案产生折叠缺陷的分析研究，折叠缺陷趋势是在合模过程中金属反流入模具上型腔形成凸台，并在上冲头挤压的作用下产生纵向飞边造成折叠趋势加重的结果，经分析，可以通过调整模具之间的动作先后顺序，避免锻件的折叠缺陷形成。因此，设定如下成形工艺方案。

优化设计工艺方案(图6)：下料(直径210mm)→多向模锻(上冲头穿孔+合模+上冲头穿孔+水平冲头穿孔)→热处理→抛丸→打磨→供货。

图6 阀体成形过程

优化后的仿真模拟结果与分析

优化后的金属流动趋势见图7，锻件金属流动较前述方案中的不同点在于锻造前期圆棒料上中间端面金属未向上流入模具型腔，后续上冲头挤压未形成纵向毛刺，水平冲头对向挤压未造成过多金属反流到主阀体上端面。

图7 优化后的金属流动趋势

图7(a)上冲头先向下运动一定距离，对圆柱坯料进行预镦粗成形，圆柱坯料上端面形成一定深度的凹坑，坯料上端部金属分别沿坯料向下和径向流动，上端部金属凹坑形态饱满；图7(b)上冲头向下挤压，金属向型腔两侧流动，主阀体垂直中孔处未形成纵向飞边反流的趋势；图7(c)水平冲头同时向内对向挤压，金属分别向主阀体上端部流动和水平端反向流动，但是由于前述步骤中阀体上端面已充填饱满，水平冲头挤压过程中流向主阀体上端部的金属量较少，未形成折叠。

优化后试验验证

根据优化后的工艺方案进行试验验证，所得锻件经超声波探伤和磁粉探伤，显示无折叠产生，工艺试验结果与模拟结果相吻合，如图8 所示。

图8 合格锻件与模拟结果相吻合

结束语

⑴旋塞阀多向模锻成形过程中出现折叠缺陷的原因：水平冲头对向挤压时，金属分别向主阀体上端部流动和水平端反向流动，向主阀体上端部反流的金属与前一步形成纵向飞边的金属形成互挤的趋势，最终产生折叠缺陷。

⑵采用上冲头穿孔→合模→上冲头穿孔→水平冲头穿孔复杂的模具组合动作，可以有效规避折叠缺陷。

⑶在类似旋塞阀体几何特征的锻件多向模锻成形方案制定时，通过合理配置模具的动作次序，并借助数值模拟深入分析锻件金属流动规律，对实际生产中解决折叠缺陷有一定的指导作用。