球阀阀体的两种多向模锻成形工艺探究

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球阀是由阀体、球芯、阀座、阀杆、支架以及驱动装置等零件组成，工作原理是靠旋转球芯使阀门畅通或关闭。球阀阀体传统的制造工艺为铸造成形，但是铸造件存在着疏松、缩孔、气孔和枝晶等缺陷，对恶劣工况条件下的阀门，往往难以达到使用要求。为了提高球阀阀体的综合力学性能，众多企业和学者积极探究球阀阀体的锻造成形工艺，且多以自由锻、模锻为主，原材料浪费严重、机加工成本较高。

随着重型装备技术的进步，新型的锻造成形工艺——多向模锻工艺被市场广泛认可，该工艺具有材料利用率高、锻件内部组织纤维流线连续、锻件综合力学性能好等特点。本文借助多向模锻成形工艺，提出两种不同的球阀阀体成形工艺。

产品介绍
球阀阀体(图1)为两侧带法兰的异形零部件，阀体中部直径尺寸较小，两侧法兰直径尺寸较大，且在球体法兰侧对称方位上存有不同尺寸的凸台。球阀材质为碳钢，零件质量为128kg，设计锻件质量207kg，材料利用率约62%。


图1 阀体零件图和锻件图

两种成形工艺研究

该类型阀体使用常规锻造方法难以实现一次成形，借助重型装备和多向模锻技术优势，可以实现从两个或更多个方向对包含在可分合模腔内的坯料施加压力来获得异形锻件产品。多向模锻的分模方式主要分三种：水平分模，垂直分模，联合分模。

本文针对该类型球阀阀体提出两种多向模锻成形方案，都可以获得所需的合格锻件，主要区别在于对设备的载荷大小要求不同，模具分模结构不同。第一种成形方式为水平分模方案，第二种成形方式为垂直分模方案。

水平分模成形方案
从该阀体的整体结构可以发现，阀体两侧法兰盘较大，中间外形尺寸较小，阀体沿法兰轴向的尺寸变化较大。采用多向模锻成形工艺需要对原始坯料进行制坯，工艺流程如图2 所示。



图 2 水平分模成形方式

⑴水平分模模具设计。

球阀阀体成形水平分模方案最终采用多向模锻成形，该工序将加热到预定温度的预制坯放置于多向模锻模具型腔中，进行锻造，以锻件水平方向最大投影面建立分模面，多向模锻水平分模模具结构如图3所示。


图3 水平分模模具



图4 锻件充填情况

⑵成形过程分析。

选取圆棒料进行自由锻制坯；制坯完成后，使用红外线测温仪探测坯料表面温度，如果温度过低低于850℃，将第一步制坯好的坯料回炉加热保温一段时间，出炉再进行多向模锻锻造；如果制坯后的锻件温度整体温度较高(均在1050℃以上)，可立即开展下一步多向模锻锻造。

⑶成形质量分析。

预制坯在封闭的模具型腔中，受到左右两侧水平冲头的对向挤压，金属填充模具型腔，最后填充成形位置为阀体侧向较大的凸台圆角，通过多向模锻成形的锻件外观质量较好，金属锻件外形充填饱满，内孔及表面无折叠等缺陷。

⑷成形受力分析。

通过数值模拟对成形力的分析可以获得锻件塑性成形所需载荷的大小，为生产试验做参考性指导。该方案选取完整的模具三维模型进行数值仿真模拟分析(图5)，得出最大水平成形所需载荷为66.4MN，最大合模载荷为65.2MN。


图5 模具受力载荷

垂直分模成形方案

由于该阀体外形两端存在较大的法兰结构，阀体中部与两侧法兰尺寸相差较大，坯料的选取受限于球阀最小处的尺寸，单侧法兰镦粗时，在法兰内孔处易形成折叠缺陷以及坯料镦粗失稳等现象，针对球阀阀体垂直分模成形方案，首要考虑将棒料镦粗聚料，再挤压凹孔。

⑴垂直分模模具设计。

第一步实施棒料的镦粗聚料以及挤压冲孔；第二步在多向模锻设备的垂直分模模具中开展镦粗聚料及深孔成形，图7 为第二步实施方案中深孔成形工序。



图6 水平分模成形方式



图7 深孔成形工序
⑵成形过程分析。

考虑到球阀阀体两侧存在较大的法兰，成形过程中该处所需充填金属较多，充填难度较大。因此，首先对原始棒料进行制坯，成形一侧法兰；然后放入多向模锻模具型腔中，进行多向模锻锻造。过程中需要注意预锻件的终锻温度，若低于850℃，则需回炉重新加热保温；若生产中转运速度快，预锻件温度能够保持在1050℃以上，则可以直接进行锻造，无需回炉。

⑶成形质量分析。

图8 是球阀阀体采用垂直分模方案的成形工艺流程，成形过程需要两套凹模。首先对棒料进行镦粗聚料、底法兰凹孔成形，见图8(b)、8(c)；将预制坯放入多向模锻模具型腔中，通过将预制坯法兰底端凹孔与下顶出模具凸台相配合放置，左右合模模具对向合模，利用镦粗上冲头对预制坯进行镦粗聚料，再利用成形上冲头对坯料进行挤压成形，见图8(d)，图8(e)，图8(f)。在整个成形过程中，使用上冲头四件，上冲头参与成形过程较多，因此在生产过程中上冲头的及时更换决定了锻件成形的质量，在此需要借助灵活的上模自动更换冲头机构。


图8 球阀阀体成形工艺流程

⑷成形受力分析。

在成形过程中，首先对坯料镦粗制坯、凹孔成形，最终预锻成形载荷需要43.7MN，见图9(a)；多向模锻终锻上冲头挤压载荷需要47MN，完成球阀阀体大端法兰及阀体侧面凸台的成形，见图9(b)；垂直分模模具的左右合模载荷最大需要54.2MN，以确保阀体成形过程不胀模，锻件成形质量饱满，见图9(c)。

图9 模具受力载荷

方案对比

⑴模具的分模结构形式。水平分模面与水平面平行，垂直分模面与水平面垂直。

⑵成形所需工步不同。为了确保垂直分模和水平分模方案锻件尺寸一致，需要多次对垂直分模方案预制坯进行镦粗聚料，因此垂直分模成形方案比水平分模成形方案工步多。

⑶成形载荷不同。由模拟结果可知，水平分模方案模具所受载荷均高于垂直分模方案，由于垂直分模方案在两侧法兰成形前都存在坯料镦粗聚料，降低了金属流动成形过程中后半程的阻力。锻件难成形部位位于球阀阀体的侧面凸台，该部位金属填充难度大、金属流动阻力大。

结束语

针对该球阀阀体锻件成形工艺研究发现，要想获得相同的锻件尺寸，垂直分模的方案需要进行多次聚料，然后才能利用冲头成形深孔，如果对原始坯料直接进行镦粗和挤孔，会造成孔内侧出现折叠，产生废件。

后续试制进行生产验证，与模拟结果一致，因此，本文所述球阀锻件宜采用水平分模的方案，该方案更节省原材料，成形工艺过程更易操作，但对设备载荷能力有着更高的要求。

shangzu

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