文/余鳴亮·浙江聯(lián)大鍛壓有限公司

曹峰華·上海電機學院

隨著各工業(yè)業(yè)對技產品術的的使快用速發(fā)性能展和和安不全斷性進能步，的各要行求逐漸提升。尤其在供熱管道以及天然氣傳輸的系統(tǒng)中，閥門產品的安全性和可靠性越來越受到社會的廣泛關注。

球閥(圖1)是管路中用來做快速切斷、分配和改變介質流動方向的部件。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構。分體式焊接工藝由于零件數量多、焊口數量多，產品的安全隱患大。隨著裝備技術和成形技術的發(fā)展，左右體一體式鍛造工藝逐漸被市場所認可，圖3是一體式鍛造左右體的零件。一體式鍛造的主要優(yōu)點有：避免傳統(tǒng)工藝接頭焊接產生的風險；閥座位置直接成形，密封性能顯著提升；有效防止出現球壓的變形問題。

圖1 球閥裝配圖

圖2 分體式焊接產品

圖3 一體式鍛造產品

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

產品介紹

產品選取型號規(guī)格為DN150mm，材質為20號鋼，產品質量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，產品外形尺寸和結構形狀變化大，如圖4 所示。該產品主要應用于供熱閥門和天然氣閥門領域。

圖4 左右體零件及設計圖

成形工藝制定

由于產品內、外徑尺寸變化較大，精度要求較高，難以一次鍛造成形，為了確保產品的完整性，制定了先冷鍛預成形，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→冷鍛預成形→加熱→熱鍛成形→檢驗→成品。

冷鍛預成形

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

⑴成形工藝過程：坯料經過冷鍛擠壓，下端完成收口工序，鍛件外觀質量良好，無折疊、開裂、起皺等缺陷。預鍛成形過程見圖5。

圖5 預鍛成形過程

⑵等效應變場和溫度場分析：在冷鍛預變形過程中，主要獲得下端收口的預鍛件，由圖6(a)等效應變場可見，產品下端收口部位為變形劇烈區(qū)，主要表現在圖中黃色和綠色區(qū)域，變形區(qū)的等效應變數值分布較為均勻，說明金屬變形較均勻。

圖6 數值模擬分析

由圖6(b)溫度場可見，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，原始坯料內部組織未發(fā)生改變。

終鍛熱成形

鍛件產品整體外形結構復雜，壁厚較薄，需要借助第一步冷鍛收口將坯料預成形，預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成形工藝過程：終鍛熱成形時需要將材質為20 號鋼的冷鍛預成形件加熱到(1200±20)℃，模具選用模具鋼5CrNiMo，模具預熱溫度在150 ～250℃之間。

經過熱鍛成形后，獲得終鍛件產品如圖7(b)所示，鍛件外表面成形良好，產品外形過渡區(qū)域飽滿，未產生折疊、褶皺等缺陷。

圖7 熱鍛成形過程

⑵等效應變場和溫度場分析：在熱鍛成形過程中，鍛件在原有預成形件產品基礎上，完成左右體零件的上端擴口工序以及過渡區(qū)域“T 形臺”部位的變形。由圖8(a)可見，終鍛熱成形工序，鍛件的等效應變場數值較小，表明金屬之間變形流動并不劇烈，變形主要存在于過渡區(qū)域的“T 形臺”部位。

圖8 數值模擬分析

由圖8(b)溫度場可見，左右體鍛件溫度場分布均勻，整個鍛造成形過程中溫度始終滿足該材料的鍛造區(qū)間，未出現溫降過多導致產品拉裂的風險。

試驗驗證

為了驗證模擬仿真方案的可行性，在車間鍛造液壓機上開展了試驗驗證，最終的鍛件與模擬仿真結果相吻合，外觀質量和外形尺寸均滿足產品參數要求，驗證了該工藝方案的可行性，同時也實現了批量化的生產，試制產品和批量生產產品如圖9 所示。經過生產過程中的數據統(tǒng)計分析得知，該類型左右體產品最大節(jié)約原材料質量可達20%，最大節(jié)約生產成本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、疏松的風險，而且減少了分體式焊接帶來的焊口多、缺陷多的風險，提高了產品的安全使用性能。

圖9 試驗驗證和批量生產