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 多向模鍛壓機上進(jìn)行批量化生產(chǎn)驗證，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、無軌裝出料機、700kg重載機械手、120MN 多向模鍛液壓機等。120MN 多向模鍛液壓機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 多向模鍛液壓機進(jìn)行連接，并進(jìn)行空載試運行，確保工藝動作均能實現(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械手轉(zhuǎn)移至下模型腔指定位置；然后上凹模向下運行，接觸下凹模表面后停止運行并升壓至設(shè)定數(shù)值，之后上沖頭向下運行完成上穿孔，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，上沖頭和鍛件兩項實物報廢，給企業(yè)造成一定的經(jīng)濟損失，同時生產(chǎn)過程也異常終止，造成生產(chǎn)效率低、能源浪費嚴(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。

材料的真實應(yīng)力應(yīng)變曲線可在Gleeble 熱力模擬機上通過壓縮試驗獲得。A105 材料在同一溫度不同應(yīng)變速率下的真實應(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)變速率時的真實應(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)格劃分時體積丟失等因素，模擬選取坯料質(zhì)量較實際偏大，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，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，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，與實際情況相符。縱向飛邊的產(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，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)受力超過抗拉強度時，上沖頭突然斷裂。

圖10 上沖頭X 向時間-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，將合模→上沖頭穿孔→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，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，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，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。

工藝試驗驗證及性能檢測

試驗驗證

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，以驗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)熱時間不小于10 小時，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，要求保溫時間不少于0.75h，總加熱時間不少于3.0h，加熱曲線如圖14 所示：

圖14 加熱曲線

120MN 多向模鍛液壓機的液電系統(tǒng)可實現(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)整壓機程序，參數(shù)詳見表2。

表2 壓機程序參數(shù)

經(jīng)過前期準(zhǔn)備，試驗采用新的改進(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

小批量驗證后，進(jìn)行批量化生產(chǎn)，并統(tǒng)計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)品檢驗合格要求。