胡福生 , 张磊 , 林峰
清华大学 机械工程系, 北京 100084

收稿日期: 2015-07-20
基金项目: 国家科技重大专项(2012ZX04010082)
作者简介: 胡福生(1979-）, 男, 博士后。
通讯作者: 林峰, 教授, E-mail: linfeng@tsinghua.edu.cn

摘要：多向模锻是现阶段大口径阀门阀体生产工艺。多向模锻冲头存在过早断裂以及表面压溃变形等问题, 冲头使用寿命较短。锻件金属流动的不均匀性是导致冲头受力偏载发生断裂的首要原因, 冲头材料热强性较低导致表面发生压溃变形。该文通过优化模具设计改善锻件金属流动趋势, 改变冲头与压机的连接方式以减少冲头根部应力集中, 采用FGH96高温合金作为锻压冲头材料, 提高冲头的高温变形抗力。工艺分析及实验表明: 优化模具圆角, 水平冲头表面采用光滑化设计, 可有效降低冲头连接部位应力集中水平, 防止冲头在生产中发生断裂; 采用FGH96材料制造的水平冲头在连续生产时, 冲头应力水平低于屈服强度, 冲头未发生压溃现象。所设计的锻压3吋(7.62 cm)旋塞阀用压机水平冲头, 经现场实验, 其冲压次数达到100件, 未发生断裂及表面压溃, 冲头的使用寿命有较大幅度延长。
关键词： 多向模锻 阀体 冲头 高温合金
Optimal design of a multi-ram forging mold for large-diameter valve bodies
HU Fusheng, ZHANG Lei, LIN Feng
Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China


Abstract:Multi-ram forging is the main production process for large-diameter valves. However, premature cracking at the root of the punch and plastic deformation at the top of the punch are the main problems in the forging process with the punches often having short service lives. This study analyzes the forging process, especially the irregular metal flow that creates offset loading forces on the punch, which leads to punch failures. The low thermal resistance causes the plastic deformation at the top of the punch. This analysis optimizes the metal flow during the forging through die optimization to reduce the stress concentrations at the punch root by changing the joint between the punch and the press. The FGH96 super alloy is used to improve the deformation resistance at high temperatures. Optimization of the fillet radius in the mold and smoothing of the punch surface reduce the stress concentration at the joint to effectively reduce cracking. The stresses at the top of the punch are below the yield strength with the FGH96 super alloy so plastic deformation does not occur at the top of the punch. A horizontal punch made to forge a 3 inch (7.62 cm) valve body works very well with no cracks or deformation at the punch top for 100 cycles. The punch service life is then much longer.
Key words: multi-ram forgingvalve bodypunchsuper alloy
多向模锻技术是一种精密优质、节能省材的锻造技术,其特点是模具闭合后,几个冲头自不同方向对毛坯进行穿孔、挤压,可一次成形带内空腔或凹凸外形锻件,是大型复杂锻件的理想锻造工艺。多向模锻是国际公认的大口径核电阀门阀体生产工艺,其工艺特点确保了阀体在高温高压下稳定可靠工作^[1-4]。
现行锻压冲头主要靠尾端螺纹固定到压机水平液压缸上^[5]。锻压时,锻件金属分料不均产生偏载力,此偏载力在冲头螺纹根部产生额外弯矩,导致螺纹根部产生应力集中,反复冲压时会造成冲头在螺纹根部断裂。现行冲头材料为H₁₃模具钢,H₁₃钢在600 ℃以下使用时,其屈服强度可达到950 MPa,但在600～700 ℃区间使用时,其屈服强度急剧降低到280 MPa^[6]。锻压时,冲头在冲入锻件内部后,温度升至650 ℃以上,冲头顶端软化现象严重,在锻件变形抗力反复作用下,冲头顶端产生塑性变形,造成冲头报废。
针对上述问题,本文借助有限元法研究大口径核电阀门阀体的多向模锻工艺,揭示金属流动规律,优化模具结构,降低金属流动不均匀性,减少冲头偏载和应力集中情况。采用FGH₉₆高温合金作为冲头制造材料,提高冲头的高温力学性能及耐磨性能,以期解决冲压过程中冲头出现的过早断裂及表面压溃变形问题。
1 多向模锻大口径阀门阀体冲头存在的问题多向模锻水平冲头的基本结构如图 1所示,是由冲头本体、连接杆和螺母套环组成,冲头本体以螺纹的形式固定到连接杆上,连接杆通过螺母套环固定到液压缸活塞杆顶端。现行冲头本体材料为H₁₃钢材,调质处理,表面渗氮,冲头尖端表面硬度为52~55 HRC^[6]。水平冲头的设计应考虑冲头本体与冲头连接杆的连接方式及冲头新材料的选取等因素^[7-8]。

图 1 水平冲头结构

图选项

1.1 冲头断裂现行冲头与连接杆的连接有多种方式,多为螺纹连接或螺栓连接(图 1),其共同特点是冲头冲压时,锻件金属流动分布不均匀,冲头受到偏载^[9],在螺纹根部形成较大弯矩,引起螺纹根部应力集中。图 2所示为利用Deform有限元成形软件仿真的多向模锻锻压3吋(7.62 cm)加氢阀的过程。上冲头冲压圆棒料,在上下模具作用下左右分料,分料过程中图 2 的A处金属通过的截面面积小于B处,A处金属流动阻力大于B处,导致分料上下不均。图 3所示为锻压成形过程中金属流动速度矢量图。锻压后期,下部金属在模具作用下上翻,形成图 3所示方向金属流动,导致水平冲头冲入锻件过程中径向受力,对水平冲头根部产生弯矩,形成应力集中。图 4所示为水平冲头冲入锻件后其应力分布。可以看出,水平冲头根部应力集中情况严重。上述问题造成现场生产过程中水平冲头频繁断裂,平均使用寿命10次左右,其裂纹均在螺纹连接处螺纹根部。针对此问题,设计冲头时,冲头本体表面应尽量光滑化,以降低冲头表面螺纹沟槽引起的应力集中^[10-11]。

图 2 有限元软件仿真锻压过程

图选项

图 3 锻压过程中的金属流动速度矢量图

图选项

图 4 冲头螺纹根部产生的应力集中

图选项

1.2 冲头冲尖压溃现场生产所用冲头材料为H₁₃钢,其热处理工艺为1 050 ℃油淬,760 ℃ 3次回火,得到组织均匀的回火索氏体组织。经测试,硬度在45~48 HRC,冲头除螺纹部位外表面渗氮,硬度为53 HRC以上。对生产所用冲头取样,作室温到800 ℃热拉伸实验,得到H₁₃钢在各温度下的比例极限强度,如表 1所示。H₁₃钢在700 ℃时,其比例极限强度下降至300 MPa以下。经生产测试,冲头冲入锻件,其尖端温度可高达650~700 ℃,已突破普通热锻模具钢材的最高使用温度。上述问题造成冲头反复冲压尖端产生塑性变形,影响使用寿命,如图 5所示。FGH₉₆合金作为一种高温使用合金材料,在750 ℃以上时,其屈服强度仍可达到1 000 MPa以上,本文选取FGH₉₆高温合金作为锻压冲头的制造材料,以满足锻压冲头所需高温变形抗力。
表 1 钢在不同温度下比例极限强度

温度/℃	20	300	600	700	800
比例极限强度/MPa	1 713	1 600	1 182	296	167

表选项

图 5 H13钢冲头尖压溃

图选项

2 优化设计方案本文从模具结构设计和冲头材料选取两个方面来进行优化。
2.1 模具优化与锥面连接针对锻件金属流动分布的不均匀现象,可增大图 2所示A部位模具倒角,从而增大金属通过截面面积。图 6所示为模具A处倒角为80 mm时,竖直冲头完成冲压后得到的金属流动速度矢量图; 图 3所示为模具A处倒角为20 mm时,竖直冲头完成冲压后得到的金属流动速度矢量图。从图 3和6的比较可以看出,锻件材料流动速度均匀性有较大提高。

图 6 模具优化后金属流动速度矢量图

图选项

将图 2所示螺纹连接设计改为图 7所示锥面连接,冲头1与螺母套环2的结合部位为锥面,固定于连接杆3上,冲头表面较光滑,无螺纹沟槽、轴肩等易产生应力集中部位。图 8所示为Deform软件仿真的多向模锻锻压3吋加氢阀时,水平冲头冲入后应力分布图。与图 4比较可以看出,冲头应力明显降低,未超材料屈服强度。

图 7 锥面连接冲头结构图

图选项

图 8 锥面连接冲头应力分布

图选项

2.2 冲头材料优化FGH₉₆为镍基沉淀硬化型粉末冶金高温合金,主要强化相为γ'相,体积分数约占合金的36%,700 ℃下可长期使用。FGH₉₆合金具有优异的耐腐蚀和抗高温氧化性能,为当前航空发动机涡轮盘用高温合金之一^[12]。合金主要成分质量分数为： C 0.02%、 Cr 15%、 Co 12.5%,W 3.8%,Mo 3.8%,Al 2%,Ti 3.5%,Fe 0.5%,Nb 0.6%,其余为Ni。FGH₉₆高温合金一般采用制粉——热等静压成形——机加工——热处理等工艺制备^[13-14],其制造成本相对较高。本项目采用传统冶炼——铸造——锻压——热处理——机加工工艺制备FGH₉₆合金。冶炼时采用梯度温度场控制铸件凝固,较粉末冶金工艺制备冲头坯料成本降低50%以上,其热拉伸性能如表 2所示,热拉伸性能与粉末冶金制备工艺差别不大。可以看出,FGH₉₆合金在750 ℃时的屈服强度仍在1 000 MPa以上,大大高于H₁₃钢。
表 2 FGH₉₆高温合金热拉伸实验结果

温度	抗拉强度	比例极限强度	断后伸长率	断面收缩率
℃	MPa	MPa	%	%
400	1 520	1 160	20	21
650	1 450	1 080	20	20.5
750	1 190	1 070	15.5	18.5

表选项






图 9所示为FGH₉₆高温合金冲头。其终锻温度为 1 050 ℃,经1 080 ℃固溶,4 h空冷,760 ℃时效8 h,表面硬度45～48 HRC。

图 9 FGH96高温合金冲头

图选项

3 锻压生产实验生产实验在中国二十二冶集团精密锻造有限公司40 MN液压机上进行。FGH₉₆高温合金冲头以锥面连接到液压缸上,冲压前冲头预热至188 ℃,经连续生产,测试得到冲头尖端温度最高可达到650~670 ℃,低于FGH₉₆高温合金的使用温度。图 10为水平冲头冲压过程中各模具所受载荷,水平冲头工作时的峰值压力为1.96 MN,可推算出水平冲头冲压时所受峰值压应力约为700 MPa,此数值高于H₁₃钢在700 ℃时的屈服强度,低于FGH₉₆高温合金在700 ℃时的屈服强度。本次生产实验锻压的是3吋旋塞阀阀体,一次性锻压100件。图 11为锻压完成后水平冲头损伤情况,冲头未发生断裂及表面压溃现象。

图 10 锻压生产各模具锻压力

图选项

图 11 生产实验完成后的水平冲头

图选项

4 结 论1) 本文通过有限元软件对锻压过程的仿真,发现锻件金属流动分布不均是导致冲头受偏载的主要原因,偏载力在冲头螺纹连接根部产生应力集中,连续生产时冲头易发生断裂。
2) 通过生产实验观察测试,冲头连续生产时温度可达到670 ℃,H₁₃钢冲头工作时所受应力超出其屈服强度,导致冲头表面塑性变形,产生所谓压溃现象。
3) 优化模具圆角,水平冲头采用锥面连接至液压缸,可有效缓解锻件金属流动不均匀,消除冲头偏载,降低冲头连接部位应力集中水平,有效避免冲头在生产中发生断裂。
4) 采用FGH₉₆高温合金制造的水平冲头,冲压时冲头所受应力远小于材料的屈服强度,连续生产时冲头不会发生塑性变形,有效延长了冲头的使用寿命。

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