防噴器成形工藝的有限元數(shù)值模擬研究

文／楊武，談安寶，王炳正·蘭州蘭石集團有限公司鑄鍛分公司，甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心

馬鵬翔，張哲瑞，王旭明·蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司，甘肅省高端鑄鍛件工程技術研究中心

本文以雙閘防噴器鍛件產(chǎn)品為研究對象，運用SolidWorks+Forge軟件進行有限元模擬仿真，通過Forge軟件模擬仿真，對其成形工藝中鐓粗、拔長、沖孔等工藝進行了模擬，成形過程中沖孔工序選取Damage功能，將斷裂準則成功應用于鍛件沖裁過程。通過模擬為生產(chǎn)實際提供可靠的數(shù)據(jù)，結合生產(chǎn)實際為客戶提供高品質(zhì)產(chǎn)品已成為我公司目前產(chǎn)品開發(fā)重要程序。

概述

防噴器是用于試油、修井、完井等作業(yè)過程中關閉井口，防止井噴事故發(fā)生的安全密封井口裝置，防噴器將全封和半封兩種功能合為一體，具有結構簡單，易操作，耐高壓等特點。

本文針對某公司雙閘防噴器產(chǎn)品，在實際生產(chǎn)前，通過Forge軟件對其成形工藝進行數(shù)值模擬仿真，對其成形過程中壓機受力、坯料溫度場、沖頭尺寸設計等進行分析，選擇合理的工藝參數(shù)及沖頭尺寸，最終通過實際生產(chǎn)驗證了工藝的可行性。

工藝簡介

鍛造工藝路線：14.5t的8角鑄錠，材料為34CrMo4，選用50MN快速鍛造液壓機組開展鍛造成形過程。具體過程：壓鉗口→倒棱→鐓粗→壓方750mm×1020mm→兩端滾圓→沖孔，其中沖頭設計成有一定斜度，便于取出。

成形工藝數(shù)值模擬仿真

有限元模型建立及參數(shù)設置

采用SolidWorks軟件對鑄錠、平砧、沖頭等進行三維建模，鑄錠模型見圖1。

圖1 鑄錠三維模型示意圖

圖2 有限元模型網(wǎng)格劃分

將.STL文件導入Forge軟件并進行網(wǎng)格劃分及參數(shù)設定，如圖2所示，有限元模型分為三部分：上模、鑄錠、下模。鑄錠坯料網(wǎng)格數(shù)77001。鑄錠始鍛溫度1250℃，平砧預熱至250℃。壓機參數(shù)選擇Hydraulic，壓機速度鐓粗時40mm/s，拔長時60mm/s，停止壓力為5000t。

鑄錠材料為34CrMo4-1.7220，成分見表1。

模擬過程介紹及分析

在模擬仿真設置過程中，前期使用平砧壓鉗口、倒棱，然后進行鐓粗、拔長，最后用沖頭、墊圈沖孔。工藝流程及模擬示意圖見表2。

圖3 模具受力隨時間變化曲線示意圖

表1 34CrMo4-1.7220化學成分

表2 鍛造工藝流程及模擬示意圖

根據(jù)圖3所示模擬結果，鐓粗時壓機壓力最大為4859.8t，因此50MN壓機能滿足條件。

整個過程中坯料表面溫度，模具受力數(shù)據(jù)匯總見表3。防噴器產(chǎn)品毛坯件成形過程中最大力出現(xiàn)在鐓粗過程，此過程要選擇合適的工藝及合理的壓機速度，通過多步鐓粗以減少壓機長時間滿載荷運行。整個模擬過程顯示坯料表面溫度在1000℃左右，在熟練操作設備時可高效完成成形工藝過程。

表3 模擬過程數(shù)據(jù)匯總表

圖4 沖頭、熱處理后的防噴器毛坯鍛件

現(xiàn)場驗證

利用數(shù)值模擬仿真成形的工藝參數(shù)，在現(xiàn)場進行了試驗，圖4為沖頭、熱處理后的防噴器毛坯件。生產(chǎn)過程中的結果與數(shù)值模擬工藝中所采集的數(shù)據(jù)非常接近。防噴器毛坯件經(jīng)探傷合格。

結束語

利用有限元數(shù)值仿真模擬軟件Forge對防噴器產(chǎn)品毛坯件鍛造成形過程進行全流程模擬，通過試驗驗證，生產(chǎn)出表面和內(nèi)部質(zhì)量良好的毛坯件，通過最終精加工完成客戶要求，SolidWorks+Forge軟件進行有限元模擬仿真，結合生產(chǎn)實際為客戶提供高品質(zhì)鍛件產(chǎn)品。