文/劉金洪·二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司

三通閥體多向模鍛聯(lián)合分模工藝研究

文/劉金洪·二十二冶集團(tuán)精密鍛造有限公司

針對(duì)垂直端帶法蘭的三通閥體，設(shè)計(jì)了兩種多向模鍛聯(lián)合分模的鍛造方案，使用有限元軟件Deform-3D對(duì)鍛件的成形載荷、成形質(zhì)量、溫度場及應(yīng)變場進(jìn)行研究。選取一種方案進(jìn)行了實(shí)際試制并與模擬載荷進(jìn)行對(duì)比，模擬載荷比實(shí)際載荷大10%左右，鍛件成形質(zhì)量良好且力學(xué)性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

多向模鍛技術(shù)又稱多柱塞模鍛，是在凹模閉合后，多個(gè)沖頭自不同方向同時(shí)或先后對(duì)毛坯進(jìn)行擠壓，從而使坯料經(jīng)一次加熱后完成復(fù)雜變形工藝，既具有擠壓工藝變形均勻、機(jī)械性能好的特點(diǎn)，又具有閉式模鍛成形精度高的特點(diǎn)，可以成形普通模鍛無法一次鍛造完成的復(fù)雜零件。多向模鍛按照分模面位置分為水平分模，垂直分模，聯(lián)合分模三種基本形式。

多向模鍛技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：可一火成形內(nèi)有多向空腔，外有凹凸變化的復(fù)雜模鍛件，降低能源消耗，減少開模數(shù)量；鍛件外形尺寸精度高，材料利用率高；后續(xù)切削加工量減少，縮短制造周期，提高生產(chǎn)效率；鍛件內(nèi)在質(zhì)量高，可形成連續(xù)金屬流線，機(jī)械性能高。多向模鍛技術(shù)的趨勢完全符合裝備制造技術(shù)向精密、高效、低耗、低排放方向發(fā)展，正逐步應(yīng)用于火電、核電、石油化工以及航天等行業(yè)關(guān)鍵裝備的加工制造。

圖1 三通閥體零件示意圖

圖2 三通閥體的鍛件三維示意圖

鍛件的設(shè)計(jì)

火電裝備中應(yīng)用的一種三通閥體零件如圖1所示：閥體內(nèi)有3個(gè)通道，其中垂直端帶法蘭，內(nèi)孔直徑為79mm，水平端內(nèi)孔直徑為27mm。根據(jù)零件特征設(shè)計(jì)兩種不同結(jié)構(gòu)的鍛件。如圖2所示：方案一采用水平分模，分模面選取在水平孔中心處，該方案可以在垂直和水平3個(gè)方向鍛出內(nèi)孔，由于垂直方向帶法蘭，必須改變零件的外形結(jié)構(gòu)，垂直方向外徑必須加大，才能滿足脫模要求。方案二采用聯(lián)合分模結(jié)構(gòu)，選取了兩個(gè)分模面，分別在垂直方向中心處和水平方向中心處，采取兩個(gè)分模面既可以滿足脫模要求，又可以減少水平方向合模力。方案一鍛件重量32.6kg，方案二鍛件重量27.0kg，方案二比方案一節(jié)省20.7%的材料，且不改變鍛件的外形，節(jié)約后續(xù)機(jī)加工工時(shí)，因此確定對(duì)方案二進(jìn)行研究分析。

鍛件的成形方案

對(duì)于多向模鍛工藝，鍛件的外形主要由凹模合模后的型腔決定，鍛件的成形主要依靠各沖頭的不同動(dòng)作順序來完成。方案一由上沖頭進(jìn)行擠孔成形鍛件上端面，動(dòng)作順序：左右合模→坯料放入型腔→上沖頭擠壓到位。方案二采用上沖頭成形上孔，由上模成形上端面，動(dòng)作順序：左右合?！髁戏湃胄颓弧蠜_頭擠壓100mm→上模擠壓150mm→上沖頭擠壓120mm→上模擠壓到位→上沖頭擠壓到位。三通閥體多向模鍛成形方案示意圖如圖3所示。

圖3 三通閥體多向模鍛成形方案示意圖

鍛件數(shù)值模擬分析

針對(duì)上述兩種方案，采用Deform-3D有限元軟件分別進(jìn)行模擬，坯料材質(zhì)：A105，坯料尺寸：φ140mm×225mm，坯料溫度：1200℃，模具材質(zhì)選用：H13，模具溫度：200℃，坯料與模具間的熱交換系數(shù)：8kW/(m2·℃)。坯料設(shè)定為塑性體，模具設(shè)定為剛性體，坯料與模具間選用剪切摩擦模型，摩擦因子0.15?；阱懠?duì)稱性結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取模型的1/2進(jìn)行計(jì)算。不僅能減少計(jì)算量，而且有效的提高了數(shù)值模擬的精度。

鍛件的成形載荷

鍛件的成形載荷是選擇設(shè)備和評(píng)價(jià)工藝性能的關(guān)鍵指標(biāo)，鍛件的成形載荷隨時(shí)間變化曲線如圖4、圖5、圖6所示。因采用1/2模型進(jìn)行計(jì)算，圖中的載荷為實(shí)際的1/2。鍛件成形載荷如表1所示。由表1可以看出，兩種方案的成形載荷相差不大，方案一的合模載荷是方案二合模載荷的1.15倍，方案一的上沖頭載荷是方案二上沖頭加上模載荷的1.16倍。

圖4 鍛件的合模成形載荷隨時(shí)間變化曲線

鍛件的外形填充質(zhì)量

多向模鍛鍛造過程中，首先要確保鍛件成形飽滿，少無飛邊、毛刺，其次沒有影響鍛件性能的裂紋、折疊等缺陷。由圖4可以看出，兩種方案鍛件的外形填充飽滿，方案二上孔存在縱向毛刺，原因是由于上沖頭尖部與上孔之間存在較大間隙，擠壓過程中出現(xiàn)縱向毛刺。方案一在鍛造過程中存在折疊。折疊是在金屬變形流動(dòng)過程中與氧化過的表層金屬匯合而成。當(dāng)上沖頭穿孔結(jié)束后，上沖頭端面開始接觸坯料進(jìn)行鐓粗，此時(shí)坯料會(huì)向兩側(cè)流動(dòng)，在已經(jīng)成形孔的底面形成縮孔，隨著擠壓的進(jìn)行，形成折疊，如圖7所示。折疊的形成與其周圍金屬的流線方向一致，折疊的形成是流線的宏觀體現(xiàn)，由圖8鍛件的流線圖可以看出，方案一中出現(xiàn)折疊的地方存在著流線的彎曲。方案二鍛件中流線分布合理，無流線的切斷、彎曲、回流等現(xiàn)象。

圖5 鍛件的上沖頭成形載荷隨時(shí)間變化曲線

圖6 方案二上模成形載荷隨時(shí)間變化曲線

表1 兩種方案的成形載荷

圖7 方案一鍛件的折疊形成情況

圖8 鍛件成形流線分布圖

鍛件的溫度場

變形溫度對(duì)金屬塑性變形有重大影響，鍛造溫度控制不僅是為了保證鍛造過程中坯料具有良好的塑性和低的變形抗力，而且對(duì)鍛件鍛后組織和性能也有很大影響。終鍛溫度是鍛造成形后的亞動(dòng)態(tài)再結(jié)晶狀況的主要參數(shù)，終鍛溫度高，容易出現(xiàn)粗晶組合或析出第二相，終鍛溫度低于再結(jié)晶溫度，使塑性下降，容易造成鍛件開裂。從圖9中可以看出兩種方案的溫度場分布基本相同，多向模鍛不同于模鍛，合模后，沖頭再進(jìn)行擠壓，鍛件與模具接觸時(shí)間長于普通模鍛，造成鍛件的外表面溫度偏低，約700℃左右，表面溫度較低的地方是在擠壓過程中最先與模具接觸的地方，后續(xù)基本不發(fā)生變形。兩種方案的最高溫度比始鍛溫度高20℃，由于擠壓功導(dǎo)致心部溫度升高。心部溫度升高有利于坯料的流動(dòng)，同時(shí)水平端面處上部分溫度較高，有利于鍛件最后成形。

鍛件的等效應(yīng)變場

鍛件成形后的等效應(yīng)變分布表示鍛件內(nèi)部各點(diǎn)變形程度，鍛件變形越劇烈則等效應(yīng)變越大。等效應(yīng)變與變形溫度決定了鍛件的晶粒度，等效應(yīng)變大，且分布均勻、變形溫度越低，則鍛件晶粒越細(xì)小。圖10是鍛件的等效應(yīng)變場分布圖，兩種方案的等效應(yīng)變相差不大，方案一變形量最大處位于上孔底部，方案二變形量最大處位于縱向毛刺處。由于模具與坯料間存在摩擦，鍛件孔內(nèi)緣處這些部位會(huì)隨著上沖頭的擠壓而流動(dòng)，變形相對(duì)較大，鍛件與凹模接觸后基本不流動(dòng)，靠近凹模的外壁區(qū)域的變形較小。綜合鍛件的溫度場以及應(yīng)變場，終鍛溫度低的地方應(yīng)變較小，造成鍛件開裂風(fēng)險(xiǎn)較小，終鍛溫度高的地方，應(yīng)變較大，有利于發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，細(xì)化晶粒組織。

圖9 鍛件的溫度場分布

圖10 鍛件的等效應(yīng)變場分布

工藝驗(yàn)證

通過對(duì)兩種方案的模擬分析，方案一鍛件存在折疊，采用方案二進(jìn)行工藝驗(yàn)證。

工藝流程及參數(shù)

鍛件材質(zhì)：A105，在二十二冶精密鍛造有限公司40MN多向模鍛生產(chǎn)線上進(jìn)行試制，工藝流程為：坯料準(zhǔn)備→坯料加熱→模具準(zhǔn)備→多向模鍛成形→無損檢測→熱處理→檢驗(yàn)。

坯料規(guī)格為φ140mm×225mm，加熱溫度為1200℃，模具預(yù)熱溫度為200℃，采用水基石墨潤滑劑。按照模擬的方案進(jìn)行了產(chǎn)品試制，鍛件試制產(chǎn)品如圖11所示，外觀成形良好，填充飽滿，無折疊及裂紋等缺陷。

圖11 試制產(chǎn)品圖

性能檢驗(yàn)

鍛件鍛后進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，熱處理工藝參數(shù)如圖12所示，熱處理完成后對(duì)鍛件進(jìn)行本體取樣。圖13是鍛件力學(xué)性能檢測取樣位置圖，表2是鍛件力學(xué)性能和硬度檢測數(shù)據(jù)，力學(xué)性能及硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

實(shí)際成形載荷

該鍛件采用二十二冶精密鍛造有限公司40MN多向模鍛液壓機(jī)進(jìn)行試制，壓機(jī)各個(gè)液壓缸都內(nèi)置壓力傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各缸的壓力，實(shí)際生產(chǎn)中測得的壓力值如表3所示。實(shí)際值比模擬值均偏小約10%左右。

圖12 熱處理工藝曲線

圖13 拉伸取樣位置示意圖

表3 模擬載荷與實(shí)際載荷對(duì)比

結(jié)束語

⑴針對(duì)帶法蘭三通閥體設(shè)計(jì)了兩種多向模鍛聯(lián)合分模的鍛造工藝。

⑵利用有限元分析軟件Deform-3D對(duì)兩種方案的成形載荷、鍛件質(zhì)量、溫度場、應(yīng)變場進(jìn)行了分析，其中模擬成形載荷比實(shí)際成形載荷約大10%。

⑶采用方案二成功試制出鍛件，該鍛件的質(zhì)量良好，力學(xué)性能和硬度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。