8 英寸平板閘閥閥體上沖頭斷裂原因研究

文／張志鵬，徐文翠·中國二十二冶集團(tuán)有限公司

在8 英寸平板閘閥實(shí)際連續(xù)化生產(chǎn)過程中，出現(xiàn)上沖頭異常斷裂的現(xiàn)象，造成生產(chǎn)過程突然終止，不僅會增加制造成本，還會影響生產(chǎn)周期。本文從生產(chǎn)工藝、模具結(jié)構(gòu)等方面對沖頭斷裂原因進(jìn)行分析，利用Deform-3D 有限元分析軟件模擬成形過程，從鍛件成形質(zhì)量、上沖頭成形載荷等方面進(jìn)行對比分析，找出關(guān)鍵原因，提出解決方案。將改進(jìn)后的方案在120MN 多向模鍛壓機(jī)上進(jìn)行批量化生產(chǎn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示鍛件成形質(zhì)量良好，上沖頭未出現(xiàn)異常斷裂，方案可行。

近年來，高溫高壓平板閘閥在火力發(fā)電廠的應(yīng)用日益廣泛，尤其大口徑平板閘閥在高溫高壓場合的應(yīng)用優(yōu)勢更加明顯，深得客戶認(rèn)可。而平板閘閥閥體作為閥門重要的承壓部件，在整臺閥門的應(yīng)用中起到十分重要的作用，一旦出現(xiàn)問題，將會帶來嚴(yán)重的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失，因此必須嚴(yán)格控制其質(zhì)量。為了提高平板閘閥的安全性，要求閥體盡可能采用鍛造工藝制造。

8 英寸平板閘閥在120MN 多向模鍛生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)。生產(chǎn)線主要設(shè)備包括30t 臺車爐、5t 高溫加熱爐、高壓水除鱗機(jī)、無軌裝出料機(jī)、700kg重載機(jī)械手、120MN 多向模鍛液壓機(jī)等。120MN 多向模鍛液壓機(jī)合模缸的最大載荷為90MN，垂直穿孔缸最大載荷為30MN，水平穿孔缸最大載荷為18MN。

鍛件結(jié)構(gòu)及工藝流程

鍛件結(jié)構(gòu)

8 英寸平板閘閥為三通類大口徑閥體鍛件，除方形銘牌外其余結(jié)構(gòu)均對稱。鍛件質(zhì)量：430kg，材質(zhì)：ASTM A105。該鍛件三向穿孔，垂直孔直徑φ202mm，深度500mm，水平孔直徑φ157mm，深度200mm，對鍛造設(shè)備控制精度及設(shè)備能力要求較高。鍛件外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鍛件結(jié)構(gòu)圖

工藝流程

生產(chǎn)用模具三維簡圖如圖2 所示，包含上凹模1、上凹模2、下凹模、上沖頭、水平?jīng)_頭、下頂塊等。上沖頭包含連接螺紋、退刀槽、導(dǎo)向、成形等部分。上沖頭采用H13 材質(zhì)，上凹模2 采用40Cr 材質(zhì)。

圖2 模具圖

鍛件生產(chǎn)工藝流程見圖3。首先將預(yù)熱后的模具與120MN 多向模鍛液壓機(jī)進(jìn)行連接，并進(jìn)行空載試運(yùn)行，確保工藝動作均能實(shí)現(xiàn)；然后將滿足加熱工藝要求的坯料經(jīng)高壓水去除表面氧化皮后由重載機(jī)械手轉(zhuǎn)移至下模型腔指定位置；然后上凹模向下運(yùn)行，接觸下凹模表面后停止運(yùn)行并升壓至設(shè)定數(shù)值，之后上沖頭向下運(yùn)行完成上穿孔，水平?jīng)_頭對向擠壓，完成水平穿孔；最后下頂塊頂出鍛件并進(jìn)行轉(zhuǎn)移及后處理。

圖3 工藝流程圖

上沖頭斷裂介紹

在批量化生產(chǎn)過程中，隨著生產(chǎn)數(shù)量的增加，上沖頭在回程拔模階段突然斷裂，造成生產(chǎn)過程突然終止。通過對比已生產(chǎn)鍛件成形情況，發(fā)現(xiàn)鍛件上端面不僅產(chǎn)生了縱向飛邊而且飛邊逐漸變厚變高，如圖4所示。拆卸上沖頭后發(fā)現(xiàn)斷裂出現(xiàn)在連接螺紋退刀槽的位置，如圖5 所示，斷口較整齊。

圖4 鍛件縱向飛邊

圖5 上沖頭斷裂圖

觀察上凹模2 其孔口下邊緣已發(fā)生塑性變形，部分金屬在孔口堆積，如圖6 所示，嚴(yán)重影響鍛件成形質(zhì)量。

圖6 上凹模2

上沖頭斷裂后，成形部位留在鍛件中，其余部位仍與上穿孔機(jī)構(gòu)連接。隨著鍛件溫度的下降，垂直孔收縮直徑減小，留在鍛件中的上沖頭被箍緊，取出困難，上沖頭和鍛件兩項(xiàng)實(shí)物報(bào)廢，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)生產(chǎn)過程也異常終止，造成生產(chǎn)效率低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重。

上沖頭斷裂原因分析

為了解決上述問題，使生產(chǎn)正常進(jìn)行，本文采用有限元分析軟件模擬金屬在型腔中的實(shí)際變形過程并從鍛件成形質(zhì)量、成形載荷等方面進(jìn)行分析，提出針對性的解決方案。

材料的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線可在Gleeble 熱力模擬機(jī)上通過壓縮試驗(yàn)獲得。A105 材料在同一溫度不同應(yīng)變速率下的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖7 所示，由圖可見，隨著變形溫度的升高，材料的變形抗力大幅減小。將A105材料真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)導(dǎo)入Deform軟件數(shù)據(jù)庫，建立材料模擬模型。

圖7 A105 在同一溫度不同應(yīng)變速率時(shí)的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線

采用三維造型軟件建立模擬幾何模型如圖8 所示，因模型具有對稱性，采用1/2 模型進(jìn)行模擬可節(jié)省模擬時(shí)間、提高模擬精度。

圖8 幾何模型

在Deform-3D 軟件前處理中設(shè)置坯料為塑性體，模具為剛體?？紤]網(wǎng)格劃分時(shí)體積丟失等因素，模擬選取坯料質(zhì)量較實(shí)際偏大，坯料規(guī)格為φ320mm×685mm，模擬參數(shù)見表1。

表1 模擬參數(shù)

參數(shù)設(shè)置完成后，成形過程按照合?！蠜_頭穿孔→水平對向擠壓穿孔的順序進(jìn)行，鍛件成形工藝過程如圖9 所示。

圖9 模擬成形過程

上凹模整體下行時(shí)，上凹模2 上表面使坯料發(fā)生鐓粗變形，導(dǎo)致熱坯料上端面部分金屬進(jìn)入上凹模2垂直孔腔中，如圖9(b)所示，形成小凸起；上沖頭穿孔過程中，該部分金屬向上流動，進(jìn)入上凹模2 孔腔與上沖頭間隙中，形成縱向飛邊，隨著上沖頭的繼續(xù)下行，上凹模與上沖頭的間隙逐漸減小，縱向飛邊變高變薄如圖9(c)、圖9(d)所示，當(dāng)上沖頭穿孔結(jié)束時(shí)，由于網(wǎng)格畸變等原因，縱向飛邊未顯示，如圖9(e)所示。

通過模擬結(jié)果可知，鍛件上端面產(chǎn)生了縱向飛邊，與實(shí)際情況相符?？v向飛邊的產(chǎn)生對鍛件及成形模具有如下影響：⑴縱向飛邊需經(jīng)后續(xù)打磨消除，浪費(fèi)人力，增加成本，延長供貨周期；⑵因縱向飛邊高度及厚度不均勻，上沖頭將承受水平方向的偏載力，影響上沖頭使用壽命；⑶縱向飛邊將加大上凹模2 孔腔的磨損及變形，影響上凹模2 的使用壽命。

為進(jìn)一步確定上沖頭斷裂的根本原因，應(yīng)分析上沖頭水平方向的受力。模擬成形過程中，當(dāng)上沖頭位移為411mm、縱向飛邊高度為57mm 時(shí)，上沖頭受水平方向偏載力最大為7.9MN，如圖10 所示。因此成形過程中鍛件上端面產(chǎn)生不均勻縱向飛邊，直接導(dǎo)致上沖頭承受較大的偏載載荷，而在后續(xù)多次穿孔、拔模過程中，當(dāng)受力超過抗拉強(qiáng)度時(shí)，上沖頭突然斷裂。

圖10 上沖頭X 向時(shí)間-載荷曲線

上沖頭斷裂解決方案

通過以上分析，縱向飛邊的產(chǎn)生造成上沖頭受到過大的偏載載荷并導(dǎo)致了上沖頭異常斷裂。在不改變現(xiàn)有鍛件及模具結(jié)構(gòu)的情況下，應(yīng)著重從坯料規(guī)格、成形工藝角度進(jìn)行改進(jìn)。為避免成形過程中鍛件上端面縱向飛邊的產(chǎn)生，提出以下解決方案。

方案一：增大坯料直徑，降低坯料高度，減小合模過程鐓粗量。坯料直徑由φ320mm 調(diào)整為φ330mm，坯料高度則由685mm 減小至640mm。

方案二：改變成形工藝動作，將合?！蠜_頭穿孔→水平?jīng)_頭穿孔，調(diào)整為上沖頭鐓擠→合?！蠜_頭穿孔→水平?jīng)_頭穿孔。

下面將分別對上述兩種方案進(jìn)行有限元模擬，觀察成形過程中縱向飛邊的變化，為避免上沖頭斷裂提供指導(dǎo)意義。

方案一有限元模擬

按照前述步驟導(dǎo)入模擬模型、設(shè)定邊界參數(shù)并進(jìn)行模擬。鍛件成形情況如圖11所示。由模擬結(jié)果可知，合模過程中上凹模型腔上表面對坯料沒有鐓粗變形，但型腔圓錐側(cè)壁對坯料圓柱面進(jìn)行了合模鐓粗，并將多余金屬擠壓至上下凹模分模面處，形成了分模面橫向飛邊。該方案雖解決了上端面縱向飛邊及偏載，但帶來新的問題，方案不可行。

圖11 方案一成形鍛件

方案二有限元模擬

因縱向飛邊的產(chǎn)生僅發(fā)生在合模及上沖頭穿孔階段，本方案不再研究水平穿孔階段對成形的影響。調(diào)整后具體工藝動作為上沖頭鐓擠(行程100mm)→合模(行程150mm)→上沖頭穿孔(行程688mm)。

在原因分析模擬模型及參數(shù)設(shè)定的基礎(chǔ)上調(diào)整工藝動作參數(shù)并進(jìn)行模擬，模擬過程如圖12 所示。

圖12 模擬過程

由圖12(a)可知：上沖頭鐓擠坯料時(shí)，坯料上部金屬主要向徑向及下端變形，坯料高度由685mm 變化至670mm。由圖12(b)可知：合模過程中上凹模型腔上表面對坯料表面沒有鐓粗變形；合模結(jié)束時(shí)，分模面處無橫向飛邊產(chǎn)生，且第一步成形的垂直孔腔未出現(xiàn)折疊等缺陷。由圖12(c)可知：上穿孔過程中，金屬主要向側(cè)壁及水平型腔流動，穿孔結(jié)束時(shí)，鍛件上表面未產(chǎn)生縱向飛邊。因此由模擬可知，該方案可行。

工藝試驗(yàn)驗(yàn)證及性能檢測

試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)圖12 提出的解決方案，在120MN 多向模鍛生產(chǎn)線上進(jìn)行小批量試驗(yàn)，以驗(yàn)證方案的可操作性及合理性。

按照模具裝配圖逐一裝配模具，裝配后的模具放入臺車爐進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度400℃，預(yù)熱時(shí)間不小于10 小時(shí)，加熱曲線如圖13 所示。

圖13 模具加熱曲線

坯料放入高溫加熱爐進(jìn)行加熱，要求保溫時(shí)間不少于0.75h，總加熱時(shí)間不少于3.0h，加熱曲線如圖14 所示：

圖14 加熱曲線

120MN 多向模鍛液壓機(jī)的液電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)模具動作及參數(shù)的精確控制，按照圖12 所示的工藝步驟調(diào)整壓機(jī)程序，參數(shù)詳見表2。

表2 壓機(jī)程序參數(shù)

經(jīng)過前期準(zhǔn)備，試驗(yàn)采用新的改進(jìn)工藝，小批量壓制的鍛件如圖15 所示。從圖中可看出，鍛件成形較好，未產(chǎn)生不均勻的縱向飛邊。

圖15 工藝改進(jìn)后鍛件上端面

小批量驗(yàn)證后，進(jìn)行批量化生產(chǎn)，并統(tǒng)計(jì)縱向飛邊及上沖頭斷裂數(shù)據(jù)如表3 所示。改進(jìn)成形工藝后，基本消除了縱向飛邊，生產(chǎn)過程中，上沖頭運(yùn)行穩(wěn)定，無斷裂等異常情況發(fā)生，改進(jìn)方案可行，措施有效。

表3 批量生產(chǎn)數(shù)據(jù)

性能檢測

根據(jù)產(chǎn)品檢驗(yàn)要求，鍛件表面不應(yīng)存在肉眼可見的壓痕或裂紋；鍛件外表面應(yīng)逐件進(jìn)行100%磁粉檢查。鍛件拋丸后應(yīng)對主要表面進(jìn)行超聲波探傷。經(jīng)測量，鍛件尺寸滿足圖紙及加工要求；經(jīng)無損探傷，鍛件內(nèi)外表面均無折疊、裂紋等缺陷，符合產(chǎn)品檢驗(yàn)要求。

結(jié)論

本文通過對成形工藝進(jìn)行分析，利用有限元模擬軟件進(jìn)行鍛造過程的模擬，分析并找出上沖頭斷裂的根本原因，并提出了改進(jìn)工藝的解決方案，通過生產(chǎn)驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

⑴上沖頭斷裂的主要原因是由于縱向飛邊的產(chǎn)生，造成上沖頭承受過大偏載載荷，導(dǎo)致異常斷裂。

⑵通過更改壓機(jī)工藝動作，使上沖頭在合模前對坯料產(chǎn)生微鐓粗，可消除縱向飛邊的產(chǎn)生，改善上沖頭受力情況，避免沖頭異常斷裂，改進(jìn)措施可行。

⑶經(jīng)無損探傷后，鍛件未形成折疊和裂紋，符合產(chǎn)品檢驗(yàn)合格要求。