1、29 2023.3 Forging&MetalformingFeatures专题 报道全焊接两片式左右体一体式锻造成形新工艺 文/余鸣亮浙江联大锻压有限公司 曹峰华上海电机学院随着工业技术的快速发展和不断进步，各行各业对产品的使用性能和安全性能的要求逐渐提升。尤其在供热管道以及天然气传输的系统中，阀门产品的安全性和可靠性越来越受到社会的广泛关注。球阀(图 1)是管路中用来做快速切断、分配和改变介质流动方向的部件。球阀外壳主要由左右体和法兰组成，在左右体制造成形工艺中，传统多采用分体式焊接工艺，图 2 为分体式焊接工艺的左右体组成结构。分体式焊接工艺由于零件数量多、焊口数量多，产品的安全隐患大。
2、随着装备技术和成形技术的发展，左右体一体式锻造工艺逐渐被市场所认可，图 3是一体式锻造左右体的零件。一体式锻造的主要优点有：避免传统工艺接头焊接产生的风险；阀座位置直接成形，密封性能显著提升；有效防止出现球压的变形问题。本文将阐述一种新型的左右体一体式锻造的成形工艺，减少焊口数量，保证左右体完整性，同时降低生产成本，提高产品综合力学性能和安全性能。产品介绍产品选取型号规格为DN150mm，材质为20号钢，端直筒外径较小，产品外形尺寸和结构形状变化大，如图 4 所示。该产品主要应用于供热阀门和天然气阀门领域。成形工艺制定由于产品内、外径尺寸变化较大，精度要求较高，难以一次锻造成形，为了确保产品的
3、完整性，制定了先冷锻预成形，后热锻终成形的左右体一体化锻造成形新工艺。工艺流程如下：下料冷锻预成形加热热锻成形检验成品。冷锻预成形产品外形尺寸轮廓变化较大，冷锻预成形的主要目的是使产品下端收口，方便第二步终锻成形。借助有限元仿真软件 Deform-3D 对冷锻预成形件进行数值模拟，选取外径 232mm，壁厚 9mm；冷锻模具选用普通碳钢，设定环境温度为 20，坯料温度与环境温度相同。成形工艺过程：坯料经过冷锻挤压，下端完成收口工序，锻件外观质量良好，无折叠、开裂、起皱等缺陷。预锻成形过程见图 5。等效应变场和温度场分析：在冷锻预变形过程中，主要获得下端收口的预锻件，由图 6(a)等效应变场可见
4、，产品下端收口部位为变形剧烈区，主要表图 1 球阀装配图图 2 分体式焊接产品图 3 一体式锻造产品图 4 左右体零件及设计图产品质量 9kg，上端为带有球状喇叭口形的空心圆筒，上端球径较大，下锻造与冲压 2023.330Features专题 报道现在图中黄色和绿色区域，变形区的等效应变数值分布较为均匀，说明金属变形较均匀。由图 6(b)温度场可见，最高温度 104，比初始坯料温度升高了 84，升温区均分布在坯料变形较剧烈的部位，原始坯料内部组织未发生改变。终锻热成形锻件产品整体外形结构复杂，壁厚较薄，需要借助第一步冷锻收口将坯料预成形，预成形收口尺寸与终锻件下端尺寸相近，便于热成形工序坯料的
5、放置。成形工艺过程：终锻热成形时需要将材质为20 号钢的冷锻预成形件加热到(120020)，模具选用模具钢 5CrNiMo，模具预热温度在 150 250之间。经过热锻成形后，获得终锻件产品如图 7(b)所示，锻件外表面成形良好，产品外形过渡区域饱满，未产生折叠、褶皱等缺陷。等效应变场和温度场分析：在热锻成形过程中，锻件在原有预成形件产品基础上，完成左右体零件的上端扩口工序以及过渡区域“T 形台”部位的变形。由图 8(a)可见，终锻热成形工序，锻件的等效应变场数值较小，表明金属之间变形流动并不剧烈，变形主要存在于过渡区域的“T 形台”部位。由图 8(b)温度场可见，左右体锻件温度场分布均匀，整
6、个锻造成形过程中温度始终满足该材料的锻造区间，未出现温降过多导致产品拉裂的风险。试验验证为了验证模拟仿真方案的可行性，在车间锻造液压机上开展了试验验证，最终的锻件与模拟仿真结果相吻合，外观质量和外形尺寸均满足产品参数要求，验证了该工艺方案的可行性，同时也实现了批量化的生产，试制产品和批量生产产品如图 9 所示。经过生产过程中的数据统计分析得知，该类型左右体产品最大节约原材料质量可达 20%，最大节约生产成本20%以上。采用一体化锻造成形工艺不仅降低了铸造阀门气孔、疏松的风险，而且减少了分体式焊接带来的焊口多、缺陷多的风险，提高了产品的安全使用性能。(a)等效应变场(b)温度场图 6 数值模拟分析图 8 数值模拟分析(a)等效应变场(b)温度场(a)预锻件(b)终锻件(c)批量化生产图 9 试验验证和批量生产图 5 预锻成形过程(a)坯料(b)冷锻预成形件(a)冷锻预成形件 (b)终锻件图 7 热锻成形过程