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大型阀门阀体的锻造工艺分析及方案对比

 

 前言

阀体是石油机械阀门中的一个主要零部件,根据压力等级有不同的成形方法,例如:铸造、锻造等。阀体的材质根据不同的工艺介质,选用不同的材料,常用材质有:铸铁、铸钢、不锈钢、合金结构钢等。阀体锻造分为压机模锻和锻锤自由锻,本文主要介绍产品通过自由锻成形,分析比较多种工艺方案,最终给出一种最佳的阀体锻件成形工艺。

锻造阀体锻件工艺分析

该阀体(图1为产品零件图)两头为法兰形状,中间部位上下两个对称圆凸台,两凸台之间为多边形设计,锻造过程中允许适度塌边。整体设计为偏心结构,原材料选用钢锭,产品材质为AISI4130,产品零件重量为1050kg,由于锻件尺寸大,所用钢锭锭形也大。为了确保钢锭心部锻透,内部夹杂物、树枝状结晶组织能够有效击碎,疏松等缺陷能够有效焊合,应控制锻造温度区间。锻造温度越高,钢锭内部缺陷越容易锻合,因此应尽量保持在高温下进行锻造。

锻造阀体.jpg
图1 零件图
用钢锭锻造锻件,就必须考虑锻造比,阀体锻坯基本锻造过程分为锻比控制和锻坯成形。根据锻造设备的锻造能力及锻件材质尺寸选取6t电液锤,加热设备选取天然气炉,锻件材料始锻温度为1180℃,终锻温度为850℃,锻后冷却方式为坑冷。

锻造阀体工艺方案

由于该锻件形状复杂,整体锻造难度大,根据该零件的特点,我公司工艺人员对其成形可行性进行了分析,结合我公司的实际生产情况,研究制定出三种阀体锻造成形工艺方案。

方案一

直接锻造成方块毛坯,尺寸为492mm×657mm×915mm,经过锻后冷却,在锻坯上画线,最后在锯床上锯角(图2为锻坯图)。

阀门锻坯图.jpg
图2 锻坯图
方案二

先锻造成过渡方块毛坯,锻方截面为510mm×690mm,保证中间方块关键尺寸,用小圆棒在方坯两端进行压痕,以压痕位置为基准用剁刀进行人工分料,然后进行压肩拔长,再将锻坯放在阀体模具上进行表面整形(图3),随后再将阀体两端面进行平整,最终毛坯成形为三段方体(图4)。

锻造阀体锻件.jpg
图3 锻坯图
1-模具 2-阀体
锻造阀体模具.jpg
图4 锻坯图
方案三

将毛坯锻造成圆柱状,截面圆直径为φ480mm,然后将毛坯上部和底部分别套上模具圈,沿锻坯轴线方向镦粗(图5),当中间锻方满足工艺尺寸后,再将锻坯与模具圈横向放置在锤砧上,锻造毛坯偏心结构。最后,将两端模具圈撤掉,对毛坯进行平整处理,确保锻件(图6)的工艺尺寸和表面质量满足要求。

锻造阀体过程.jpg
图5 锻造过程图
锻造阀体锻坯图.jpg
图6 锻坯图

阀体锻造工艺对比分析

⑴方案一中阀体锻造工艺下料重量为2430kg,锻造火次为两火次;方案二中阀体锻造工艺下料重量为2335kg,锻造火次为三火次;方案三中阀体锻造工艺下料重量为2030kg,锻造火次为三火次。

⑵方案一是将坯料整体锻造为方块毛坯,方案二锻造过程中为了便于人工分料,防止两头端部出现凹心,增加了锻坯两端余量。这两种方案设计的阀体在后续进行机械加工过程中,均存在加工余量大的现象,而且锻造流线被切断,降低了零件使用寿命,使得产品质量无法得到保证。

⑶方案一中锻造后通过锯床锯掉两个余料,重量轻,利用价值不高,只能作为废料处理,同时使用锯床增加了锯条损耗,而且加一道工序,就多一重质量控制风险,如存在锯角过程中将产品锯废的可能。方案二在锻造过程中有人工分料工序,在分料位置余块大,而且剁刀切口面不一定整齐,使该位置易产生折叠。

试验证明,方案一锻造工艺虽然简单,但锻造余量大,而且材料利用率低,有两道生产工序,生产周期长,质量控制风险大。方案二为了便于人工分料,增加了锻坯余量,同时分料位置容易产生裂纹,锻坯质量控制难度大。方案三的成形方法具有经济快速的优点,锻坯结构更接近于零件结构,提高了原材料的利用率,锻造过程中采取套圈工艺,生产节奏快,产品质量得到了有效保证。对比前两种工艺方案,很显然方案三是满足要求的最佳工艺方案。

结束语

综上所述,对于阀体锻件成形工艺的选择,应从多角度分析,要结合生产成本与实际生产效率,综合评估选择最佳锻造工艺。只有通过这种工艺不断优化的方式,才能生产出质量合格的阀体锻件。该工艺方案的试验成功,使我公司阀体锻造技术又上升了一个台阶,同时增强了我公司在阀体锻件市场的竞争力,也为阀体套圈工艺延伸打下很好的基础。

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