CN104907475A - 一种带法兰阀体整体锻造模具及锻造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带法兰阀体整体锻造模具及锻造方法，属于金属锻造技术领域。该模具的上凸模下部具有与阀体圆柱主体形状相配的上凸半圆弧以及由半圆弧分别朝两端延伸与阀体上半法兰颈和法兰盘相配的上凸型腔；下凹模上部具有与阀体圆柱主体形状相配的下凹半圆弧以及由半圆弧分别朝两端延伸与阀体下半法兰颈和法兰盘相配的下凹型腔；上凸模对应上半法兰颈的两侧和下凹模对应下半法兰颈的两侧分别具有延伸至阀体圆柱主体端面的飞边浅池，上凸模或下凹模之一具有阀体圆柱主体两端面以及两法兰端面相对的封闭面。采用本发明无需制坯，且避免了失效、开裂的问题，只需在普通的单向压机上即可批量锻造。

Description

一种带法兰阀体整体锻造模具及锻造方法

技术领域

本发明涉及一种锻造模具，尤其是一种带法兰阀体整体锻造模具，同时还涉及相应的锻造方法，属于金属锻造技术领域。

背景技术

阀体是阀门上的重要构成部分。根据美国石油协会(AmericanPetroleum Institute)制定的API Spec 6A《井口装置和采油树设备规范》标准，石油阀体常常需要在高压、高腐蚀气体、高气密性条件下工作，工况条件恶劣。

长期以来，制造此类带有法兰的石油阀体通常有焊接、铸造及锻造三种工艺。

(1)焊接阀体——生产流程为：[阀体主体锻造、机加工；法兰锻造、机加工]→[阀体主体、法兰焊前预热；焊材预热]→[阀体主体及法兰焊接并缓慢冷却]→[焊后去应力退火]。热处理后，还需对焊缝部位超声波探伤及渗透探伤。焊接工艺的缺点是焊缝容易产生气孔及热裂纹，焊接后需缓冷及退火热处理，并且焊接工序复杂，生产效率低，会产生烟雾造成空气污染，焊接辐射影响施工人员健康。

(2)铸造阀体——通常采用砂型铸造，生产的阀体表面粗糙，存在沙眼及气孔缺陷，需要后续打磨、焊补或机加工清除表面缺陷。如果采用精密铸造，即溶模铸造，其铸件虽尺寸精度高，表面光整，外观质量好，但由于铸件在凝固冷却过程存在热胀冷缩效应，因此会导致铸件体积和尺寸缩小，铸件内部易产生气孔、夹杂、缩松和裂纹等缺陷。

(3)锻造阀体——鉴于石油类阀门上所用阀体额定工作压力在高达13.8MPa～138MPa，针对焊接阀体和铸钢阀体存在气密性不足及承压不理想、成品合格率不高的缺陷，锻造工艺生产石油阀体锻件被越来越多的采用。

中国发明专利申请CN104439032A公开了一种阀体锻造方法，制坯后需要自由锻锤先铆锻圆钢再压肩分料，两端法兰锻出后，将阀体主体部分锻成260°八角形，同时利用压块压槽及整形；之后半模锻，采用扣压模锻出坯体中间八角，利用垫块控制高度锻造法兰；最终还需修整各部分尺寸。此法步骤多，且受制于自由锻造设备，很难精确控制锻造下压量，容易尺寸超差造成锻件报废。由于无法很好控制锻造的形变程度，该锻造方法不适合生产对形变程度及锻造温度敏感的不锈钢阀体锻件。并且，由于锻件成型采用半模锻工艺，锻件成品仍需机加工，锻件流线部分割断，对阀门总体质量产生不利影响。

中国发明专利CN102873239B公开了一种大型阀体全封闭多向整体模锻成型工艺，可一次锻造完成阀体整体结构，主要得益于多向模锻液压设备。但多向模锻液压设备造价高，且所用模具采用全封闭式设计，锻造过程坯料金属无变形流动空间，因此要求坯料下料尺寸十分精确：小了——阀体锻件缺肉，造成阀体报废；大了——过多的坯料金属对模具产生超常挤压应力，锻件成型不完全，导致模具出现磨损、塌陷失效，甚至模具开裂，寿命极大下降；因此该发明具有较大的局限性，难以推广应用。

据申请人了解，在普通压机上进行模锻分为开式和闭式模锻两种类型。闭式模锻适用于轴对称类的锻件成型，优点在于减少飞边材料损耗(飞边金属约为锻件重量的10％～50％，平均约为30％)。闭式模锻时金属处于明显的三向压应力状态，在充满阶段，金属沿水平方向流动基本停止，只有沿竖直方向产生少量的飞边，在极大的模压力下，对低塑性材料的成型有利。而石油阀体中法兰及两侧边法兰尺寸大，颈部尺寸小，整个阀体锻件外形复杂，截面变化大，是典型的三通长轴向锻件，不适用闭式模锻生产。

现阶段，阀体模锻工艺均采用开式模锻，在阀体分模面一周存在飞边浅池。利用飞边浅池桥部，增加金属横向外流的阻力，迫使更多的金属沿纵向流动，流入型腔内部，充满模膛，最后多余的金属由飞边处流出。整个模锻成型过程，金属沿横向的外流始终存在。中国发明专利文献CN100567786C公开了一种整体法兰阀门和阀体的模锻成型方法，此工艺选用的模具即为典型的开式锻模。先制坯：材料外径需大于阀体两侧边法兰外径；中部压扁，中部压扁后的厚度大于阀体中法兰的外径；制成长度大于阀体两侧边法兰方向长度的毛坯。将制坯后的毛坯放在上、下模具中进行模锻生产。此开式锻模整个成形过程，金属沿横向的外流始终存在，横向流动的金属遇到桥部的阻力后，部分金属继续沿横向流动，部分金属沿纵向流动，填充法兰区域。如预先无制坯工艺对坯料进行合理分料，必然会使过多金属外流，导致两侧边法兰与中法兰成型困难，锻件成型不完全，造成报废。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，提出一种在普通压机上即可以简单工艺步骤完成高质量锻造的带法兰阀体整体锻造模具，进而给出采用该模具完成的相应锻造方法，从而为满足石油输送管路阀门的阀体特殊要求奠定基础。

为了达到以上目的，本发明的带法兰阀体整体锻造模具包括固定在上模板下的上凸模和与之相对固定在下模板上的下凹模；

所述上凸模下部具有与阀体圆柱主体形状相配的上凸半圆弧以及由半圆弧分别朝两端延伸与阀体上半法兰颈和法兰盘相配的上凸型腔；

所述下凹模上部具有与阀体圆柱主体形状相配的下凹半圆弧以及由半圆弧分别朝两端延伸与阀体下半法兰颈和法兰盘相配的下凹型腔；

所述上凸模对应上半法兰颈的两侧和下凹模对应下半法兰颈的两侧分别具有延伸至阀体圆柱主体端面的飞边浅池，所述上凸模或下凹模之一具有阀体圆柱主体两端面以及两法兰端面相对的封闭面；所述上凸模和下凹模对应所述浅池部位设有顶出机构。

采用本发明模具完成的带法兰阀体整体锻造方法包括以下步骤：

步骤一、下料——选择直径等于阀体两端法兰直径85％-95％、长度等于阀体两端法兰端面间距110％-120％的锻造棒料；

步骤二、加热——将棒料加热到可锻温度，并保温使棒料心部热透；

步骤三、镦粗——先将棒料沿轴向镦粗成高度等于两端法兰端面间距85％-95％的鼓形坯料；

步骤四、模锻——将镦粗后的坯料旋转90°放置在整体锻造模具上，加压使坯料锻造成仅具有法兰颈两侧局部飞边的阀体锻件；

步骤五、切边——将阀体锻件顶出后切去局部飞边，完成锻造。

申请人针对阀体圆柱主体端面、尤其是两侧法兰锻造成型最晚，填充困难，而颈部区域存在过多的外流金属的问题，采用了法兰颈局部区域飞边浅池结构，阀体圆柱主体端面、两侧法兰闭式结构，使之既留存足够的补充金属，从而将闭式锻模和开式锻模结构合理的有机结合起来，无需制坯，且避免了完全闭式锻模成型难以完全、模具因承受巨大挤压应力容易失效甚至开裂的问题，只需在普通的单向压机上即可批量锻造，因此可以锻造出高品质的阀体，为满足石油行业的需求奠定的良好基础。

与CN104439032A相比，本发明提供的模锻工艺，步骤简单，锻造过程温度下降在可控范围内，能够保证锻造终锻温度。锻造过程能够精确控制锻造下压量，并很好控制锻造的形变程度，该锻造工艺可用于普通的碳钢及合金钢阀体锻件生产，亦可用于对形变程度及锻造温度敏感的低塑性材质的阀体锻件生产。

与CN102873239B相比，采用本发明提供的模锻工艺与模具，可以达到多向闭式模锻锻造阀体的成型效果。同时增加金属流动空间，减小成型应力，降低对模具的损耗，延长模具寿命。

与CN100567786C相比，采用改良后的模具，工艺上采用镦粗台进行镦粗聚料，达到中心聚料，合理分料效果。工艺上能够摒弃制坯工序，简化操作步骤，提高生产效率。

进一步，所述上凸模两侧边分别对应法兰端面，且对应圆柱主体端面处形成矩形空缺，构成呈工字形结构的闭式锻模区域。

进一步，所述下凹模具有与所述上凸模矩形空缺相配、形成使阀体圆柱主体两端面相对封闭面的中部凸台，以及与上凸模两侧边相配、形成使两法兰端面相对封闭面的两侧凸台。

进一步，所述飞边浅池在合模状态下，由邻近闭式锻模区域的内侧桥缝区域和外侧仓缝区域构成，所述桥缝区域的高度和长度分别小于仓缝区域的高度和长度。

进一步，所述桥缝区域通过渐扩口过渡到仓缝区域。所述渐扩口的渐扩角为45°-60°。

进一步，所述顶出机构由顶杆构成。

进一步，所述步骤二装炉加热前均匀喷涂玻璃润滑剂，550℃以下装炉，随炉逐渐升温至800℃，然后转入1180℃±10℃的高温炉加热，到温后保温120～200min。

进一步，所述步骤三的形变量每次控制在10％以内。

附图说明

图1为本发明需要锻造的阀体主视图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明实施例一棒料高径比≤2.2时的工艺过程示意图。

图4为本发明实施例一的整体锻造模具结构示意图，41-上模板，42-上凸模，43-锻件，44-下凹模，45-顶出机构，46-下模板。

图5为图4中上凸模的主视图。

图6为图5的俯视图。

图7为图4中下凹模的主视图。

图8为图7的俯视图。

图9为合模状态下，沿开式飞边浅池区域的锻模剖视结构图。

图10为过高棒料(高径比＞2.2)镦粗时出现双鼓形示意图。

图11为本发明实施例二棒料高径比＞2.2时的工艺过程示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例要锻造的柱塞式全盘带法兰阀体如图1、图2所示，由圆柱主体、由圆柱主体外圆中部朝两侧通过法兰颈延伸出的法兰盘构成。该石油阀体重量464kg，材料为API-75K不锈钢1Cr13，适用于CO2和H2S酸性气体工况。外法兰直径D0＝321mm，阀体宽度L0＝677mm。

1Cr13为马氏体-铁素体型不锈钢，虽耐蚀、耐热，特别适合制造在550℃～600℃以下及湿热条件下工作的承压件，但由于马氏体不锈钢在空气中淬硬、焊接性能不良，无法采用焊接工艺制造阀体。此外，不锈钢相对于普通碳素钢和低合金钢塑性变形困难，锻造过程容易开裂，需要控制变形温度和变形程度。如果采用“自由锻制坯+半模锻成型”锻造方法，锻造过程无法很好控制锻造形变量，容易导致锻件开裂，锻造时间过长，导致锻件温度下降过快，需要二次回炉重新加热，生产效率低。

本实施例采用了图3所示的工艺过程，下料圆形棒料高径比≤2.2，图中3(a)为上镦粗台，3(b)为下镦粗台。其中，工序31为圆棒下料、加热；工序32为圆棒镦粗；工序33为模锻成型；工序34为锻件切边。L1为下料圆形棒料高度，ΦD1为下料圆形棒料直径，L2为镦粗后的圆棒高度。

本实施例带法兰阀体整体锻造模具如图4所示，包括固定在压机上模板41下的上凸模42和与之相对固定在压机下模板46上的下凹模44。

上凸模42如图5、图6所示，下部具有与阀体圆柱主体形状相配的上凸半圆弧以及由半圆弧分别朝两端延伸与阀体上半法兰颈和法兰盘相配的上凸型腔；上凸模42两侧边b分别对应法兰端面，对应圆柱主体端面处形成矩形空缺a，从而呈工字形结构的闭式锻模区域42(b)。上凸模42对应上半法兰颈的两侧具有延伸至阀体圆柱主体端面的飞边浅池，因此形成开式锻模飞边浅池区域42(a)。

下凹模44如图7、图8所示，上部具有与阀体圆柱主体形状相配的下凹半圆弧以及由半圆弧分别朝两端延伸与阀体下半法兰颈和法兰盘相配的下凹型腔；下凹模44具有与上凸模42矩形空缺a相配、从而形成使阀体圆柱主体两端面相对封闭面的中部凸台A，以及与上凸模42两侧边b相配、从而形成使两法兰端面相对封闭面的两侧凸台B。下凹模44对应下半法兰颈的两侧分别具有延伸至阀体圆柱主体端面的飞边浅池，因此形成开式锻模飞边浅池区域44(a)，44(b)区域为闭式锻模区域。上凸模42和下凹模44对应浅池部位设有顶杆顶出机构45。由于顶出机构安装在模具内部，在颈部飞边上施加顶出力，将锻件顶出时，可以避免锻件本体变形。

飞边浅池在合模状态下剖视结构如图9所示，由邻近闭式锻模区域的内侧桥缝区域和外侧仓缝区域构成，桥缝区域的高度h^桥和长度b^桥分别小于仓缝区域的高度h^仓长度b^仓。桥缝区域通过渐扩口过渡到仓缝区域，渐扩角β取45°。

采用42(b)、44(b)闭式锻模区域，为阀体锻造成型最晚的圆柱主体端面、尤其是两侧法兰储备了足够的填补金属，在无制坯情况下，也能填满填实，从而将闭式锻模和开式锻模结构合理的有机结合起来。

具体工艺主要包括以下步骤：

步骤一、下料——根据阀体外法兰直径选择直径等于阀体两端法兰直径90％、长度等于阀体两端法兰端面间距115％的锻造棒料。

步骤二、加热——将棒料加热到可锻温度，并保温使棒料心部热透，具体为圆形棒料装炉前，均匀喷涂玻璃润滑剂，加热设备选用电阻炉，550℃以下装炉，随炉逐渐升温至800℃，然后转入1180℃±10℃的高温炉加热，到温后保温120～200min，总加热时间≥330min后出炉。

步骤三、镦粗——先将棒料沿轴向镦粗成高度等于两端法兰端面间距90％的鼓形坯料；1Cr13不锈钢的形变程度每次控制在10％以内，镦粗过程分多次，镦粗后的棒料高度小于阀体宽度L0；

步骤四、模锻——将镦粗后的坯料旋转90°放置在整体锻造模具上，加压使坯料锻造成仅具有法兰颈两侧局部飞边的阀体锻件；1Cr13不锈钢材料塑性较低，变形抗力较高，阀体锻件法兰最大外端最晚成型，填充困难，本实施例的模具可以阻挡法兰区域金属沿横向的流动，更多金属沿纵向流动填充法兰区域，可以保证锻件成型顺利。同时为防止锻造过程出现裂纹，压力机分多次下压，控制每次变形程度，将阀体锻造成型，终锻温度≥900℃。

步骤五、切边——将阀体锻件顶出后切去局部飞边，完成锻造。切边温度≥850℃；不锈钢阀体锻件切边后不宜在空气中冷却，需采取灰冷、沙冷、炉冷或堆冷的方式进行缓慢冷却。

实践证明，采用本实施例的模锻成型工艺及模具，工序简单，不需要二次回炉加热，避免了锻造过程出现锻件开裂现象，工艺稳定，生产效率高，锻件成品率高。

实施例二

本实施例的阀体由于圆棒高径比＞2.2，直接镦粗易产生图10所示的双鼓形，因此镦粗台中心做成凹形，利用凹形槽降低圆棒高径比，增加镦粗时中心部位聚料效果，工艺过程参见图11，6(a)为带凹形槽的上镦粗台，6(b)为带凹形槽的下镦粗台，利用凹形槽，可以降低镦粗过程圆棒高径比。工序61为圆棒下料、加热；工序62为圆棒镦粗；工序63为锻造成型；工序64为锻件切边。图中，L3为下料圆形棒料高度，ΦD3为下料圆形棒料直径，L4为镦粗后的圆棒高度；其它情况与实施例一基本相同，不另赘述。

总之，本发明提供的模具结构简单，工作可靠，汲取闭式模锻的优点，在法兰端难以填充区域，建立强烈的三向压应力状态，显著提高锻件成型完整性，有利于改善锻件内部金相组织和力学性能。与开式模锻相结合，给予颈部区域多余金属一定的流动空间，降低模具失效开裂倾向，显著提高模具使用寿命。可以在普通锯床下料，降低整体锻件成本。利用顶出器，作用于锻件飞边将锻件顶出，避免锻件本体变形。同时，本发明工艺流程合理，锻造工艺稳定，锻件成形精确，完整，不易产生锻造缺陷，在普通的单向压机上即可实现批量生产。与自由锻造阀体工艺相比，采用此方法锻造阀体，工序简单，生产效率及材料利用率高，其法兰与阀体主体部分净成型，不需要机加工，锻造流线完整，外形漂亮，既节约锻件材料，降低锻件成本，又减少后续工艺机加工量。与焊接与铸造阀体相比，机械性能优异，没有气孔、沙眼、裂纹等缺陷，承压性与耐蚀性大幅提高。

Claims (10)

1.一种带法兰阀体整体锻造模具，包括固定在上模板下的上凸模和与之相对固定在下模板上的下凹模；其特征在于：

所述上凸模下部具有与阀体圆柱主体形状相配的上凸半圆弧以及由半圆弧分别朝两端延伸与阀体上半法兰颈和法兰盘相配的上凸型腔；

所述下凹模上部具有与阀体圆柱主体形状相配的下凹半圆弧以及由半圆弧分别朝两端延伸与阀体下半法兰颈和法兰盘相配的下凹型腔；

所述上凸模对应上半法兰颈的两侧和下凹模对应下半法兰颈的两侧分别具有延伸至阀体圆柱主体端面的飞边浅池，所述上凸模或下凹模之一具有阀体圆柱主体两端面以及两法兰端面相对的封闭面；所述上凸模和下凹模对应所述浅池部位设有顶出机构。

2.根据权利要求1所述的带法兰阀体整体锻造模具，其特征在于：所述上凸模两侧边分别对应法兰端面，且对应圆柱主体端面处形成矩形空缺，构成呈工字形结构的闭式锻模区域。

3.根据权利要求2所述的带法兰阀体整体锻造模法，其特征在于：所述下凹模具有与所述上凸模矩形空缺相配、形成使阀体圆柱主体两端面相对封闭面的中部凸台，以及与上凸模两侧边相配、形成使两法兰端面相对封闭面的两侧凸台。

4.根据权利要求3所述的带法兰阀体整体锻造模具，其特征在于：所述飞边浅池在合模状态下，由邻近闭式锻模区域的内侧桥缝区域和外侧仓缝区域构成，所述桥缝区域的高度和长度分别小于仓缝区域的高度和长度。

5.根据权利要求4所述的带法兰阀体整体锻造模具，其特征在于：所述桥缝区域通过渐扩口过渡到仓缝区域。

6.根据权利要求6所述的带法兰阀体整体锻造模具，其特征在于：所述渐扩口的渐扩角为45°-60°。

7.根据权利要求6所述的带法兰阀体整体锻造模具，其特征在于：所述顶出机构由顶杆构成。

8.使用权利要求1至7所述的带法兰阀体整体锻造模具锻造方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、下料——选择直径等于阀体两端法兰直径85％-95％、长度等于阀体两端法兰端面间距110％-120％的锻造棒料；

步骤二、加热——将棒料加热到可锻温度，并保温使棒料心部热透；

步骤三、镦粗——先将棒料沿轴向镦粗成高度等于两端法兰端面间距85％-95％的鼓形坯料；

步骤四、模锻——将镦粗后的坯料旋转90°放置在整体锻造模具上，加压使坯料锻造成仅具有法兰颈两侧局部飞边的阀体锻件；

步骤五、切边——将阀体锻件顶出后切去局部飞边，完成锻造。

9.根据权利要求8所述的带法兰阀体整体锻造模具锻造方法，其特征在于：所述步骤二装炉加热前均匀喷涂玻璃润滑剂，550℃以下装炉，随炉逐渐升温至800℃，然后转入1180℃±10℃的高温炉加热，到温后保温120～200min。

10.使用权利要求9所述的带法兰阀体整体锻造模具锻造方法，其特征在于：所述步骤三的形变量每次控制在10％以内。