CN110681712B - 一种大型阀体热挤压成形的预应力组合内冷却模芯和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型阀体热挤压成形的预应力组合模芯和内冷却方法，将模芯分解为芯心、芯套和法兰三个部分，结构简单，加工方便，采用预应力组合构造，无需紧固件装配，芯心更换容易，提高了模芯整体结构强度和芯心寿命，降低了模芯制造成本，减少了模具消耗。本发明还公开了大型阀体热挤压成形的预应力组合模芯的内冷却方法，在芯心与芯套之间设置螺旋式和回形针式冷却流道，将冷却水或压缩空气从芯套引入到法兰部位的回形针式冷却流道，然后沿着带锥度的螺旋式冷却流道流出芯套，能够有效降低热挤压时芯心的温度，避免芯心早期破坏失效，提高了芯心寿命。采用本发明的冷却方法，能有效改善金属流动性，提高金属的充模和成形质量。

Description

一种大型阀体热挤压成形的预应力组合内冷却模芯和方法

技术领域

本发明属于金属材料塑性成形技术领域，尤其涉及一种大型阀体热挤压成形的预应力组合内冷却模芯和方法。

背景技术

带左右双法兰的大型三通阀体是油气井口装置和采油树设备中高端阀门的关键零部件。传统的生产方式主要采用自由锻造方法，锻件肥头大耳，需要经过机械加工去除大量材料，才可获得阀体的法兰和内外形结构，材料利用率低，制品金属流线不连续，使用寿命低；采用模锻方法时，虽可改善上述状况，但对于大型阀体的双法兰模膛充满困难，易于产生折叠缺陷，往往需要预制坯，且无法成形内孔，外形会产生较大飞边，需增加切边工序，材料利用率也较低。因此，一种先进的多向双动精密挤压近净成形方法应运而生：尺寸精确、金属流线完整、耐蚀性和强韧性高，将大幅度提高产品力学性能和材料利用率，大幅度降低材料消耗，缩短制造周期，解决制约异形多孔腔复杂零部件的制造工艺上的瓶颈问题。

但是，挤压模具作为多向双动精密挤压成形的核心技术装置，由模座和模芯，以及挤压杆和穿孔针构成。其中的模芯一般为整体结构，重量极大，材料昂贵，型腔复杂，制造工艺难度大，同时，由于高温坯料与模芯内部直接接触的时间长达30秒，模芯受热剧烈，加之高温金属的强烈摩擦和挤压，内外受力复杂，应力分布极不均匀，极易使模芯内部产生高温磨损、压塌、变形或局部熔化和热裂纹，导致整体模芯报废，因而在生产成本中的占比较高。

因此，需要开发一种新的大型阀体的热挤压成形的预应力组合模芯和内冷却方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对整体模芯现有技术的缺陷，提供一种能够充分均衡模芯内外部材料的应力水平，进一步减少接触高温坯料的模芯重量，有效降低模芯的热应力，提高模芯的使用寿命，提高金属充模质量，减少阀体成形缺陷的大型阀体热挤压成形的预应力组合模芯和内冷却方法。

本发明的具体方案为：一种大型阀体热挤压成形的预应力组合模芯，包括上模芯、下模芯和阀体左右法兰，上模芯和下模芯上下相对设置，阀体左右法兰设置在上模芯和下模芯之间，分布在它们的左右两侧，上模芯和下模芯的分模面设置在阀体左右法兰中心的水平剖分面上。

上模芯包括上模芯套、上模芯心和上模左右法兰半环。

下模芯包括下模芯套、下模芯心和下模左右法兰半环。

上模芯套与上模芯心适配，下模芯套与下模芯心适配，上模芯心和下模芯心的外壁与阀体左右法兰适配，它们相互适配的面统称为配合面。

配合面从左右法兰内侧面剖切后，呈一个圆柱面和两个位于圆柱面两端的带有锥度的圆锥面，圆柱面与圆锥面的过渡处设有定位台阶，上模左右法兰半环通过上模芯套、上模芯心和定位台阶进行定位和固定。下模左右法兰半环通过下模芯套、下模芯心和定位台阶进行定位和固定。定位台阶使得本装置无需紧固螺钉，结构简单，靠上下模芯就能将半环压紧，且能够承受模腔内的挤压力。

进一步的，上模芯套与上模芯心选用过盈装配，下模芯套和下模芯心选用过盈装配。过盈装配构成预应力组合模芯，使芯心和芯套之间的应力分布趋于均匀，可提高模芯的整体结构强度。

进一步的，所述上模芯套圆柱面部位设有一定位台阶，构成圆柱形空间。所述上模左右法兰半环与装配在该圆柱形空间中的上模芯心的剖切面贴合在一起。所述下模芯套圆柱面部位设有一定位台阶，构成圆柱形空间。所述下模左右法兰半环与装配在该圆柱形空间中的下模芯心的剖切面贴合在一起。

进一步的，上模左右法兰半环和下模左右法兰半环构成法兰成形时的料仓，法兰成形金属充填饱满，同时有利于芯心和芯套的加工。同时，在半环上加工出环形槽料仓，加工简单，根据生产需要修改容易，更换方便，不致于将整体芯套报废，成本极低。

进一步的，上模芯心和下模芯心的圆柱面上设有回形针式冷却流道，两个圆锥面上设有螺旋式冷却流道。能够有效降低热挤压时芯心的热应力，避免芯心早期破坏失效。

进一步的，还包括上模座和下模座，上模芯和下模芯分别通过键定位和安装在上模座和下模座上。

一种大型阀体热挤压成形的预应力组合模芯和内冷却方法，包括

步骤(1)冷却介质首先从上模芯套和下模芯套的入口孔道分别进入上模芯心和下模芯心的圆柱面上的回形针式冷却流道内；

步骤(2)圆柱面上回形针式冷却流道内的冷却介质汇集后分别进入上模芯心和下模芯心的螺旋式冷却流道内；

步骤(3)上模芯心和下模芯心的螺旋式冷却流道内的冷却介质分别从上模芯套和下模芯套的出口孔道流出，实现上下模芯的内冷却循环；

步骤(4)由测温装置随机检测模芯的温度，以控制模芯的内冷却强度和周期时间。

有益效果：在芯心与芯套之间设置螺旋式和回形针式冷却流道，将冷却水或压缩空气从芯套引入到法兰部位的回形针式冷却流道，然后沿着带锥度的螺旋式冷却流道流出芯套，能够有效降低热挤压时芯心的热应力，避免芯心早期破坏失效，提高了芯心寿命。采用本发明的冷却方法，能有效改善金属流动性，提高金属充模和成形质量。

附图说明

图1是本发明的原整体模芯结构简图；

图2是本发明的组合模芯主视图；

图3是本发明的组合模芯侧剖视图，其中的芯心为半剖视图；

图4是本发明的挤压成形的带左右双法兰的大型三通阀体的成品示意图；

图5是本发明的组合模芯俯视图。

附图标记：

1-上模芯，2-下模芯，3-水平分模面，41-阀体主体模膛，42-左右法兰模膛，5-定位键，6-上模座，7-下模座，8-配合面，11-上模芯套，12-上模芯心，13-上模左右法兰半环，21-下模芯套，22-下模芯心，23-下模左右法兰半环，81-圆柱面，82-圆锥面；91-冷却水入口，92-冷却水出口。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本种大型阀体热挤压成形的预应力组合内冷却模芯，包括上模芯1和下模芯2。上模芯1使用键5固定在上模座6上，下模芯使用键5固定在下模座7上。

上模芯1和下模芯2上下相对设置。它们合模时，形成如图4所示的带左右双法兰的大型三通阀体。故合模时，如图1所示，形成模膛，模膛包括阀体主体模膛41和左右法兰模膛42。上模芯1和下模芯2的分模面位于模膛的中心水平剖分面上。

上模芯1包括上模芯套11、上模芯心12和上模左右法兰半环13，下模芯2包括下模芯套21、下模芯心22和下模左右法兰半环23。

上模芯套11和上模芯心12之间相互适配，下模芯套21和下模芯心22之间相互适配。它们的适配面统称为配合面8。配合面8包括从左右法兰模膛42内侧面剖切后的圆柱面81和带有一定锥度的圆锥面82，圆锥面为1～1.5％锥度。所述圆柱面81与圆锥面82的过渡处设置定位台阶。所述上模芯套11和下模芯套21的内侧设有一级台阶。与定位台阶构成环形空间。上模左右法兰半环13和下模左右法兰半环23设置在该环形空间内，分别由上模芯套11、下模芯套21和上模芯心12、下模芯心22进行定位和固定。

在圆柱面处，设有回形针状的冷却流道；在圆锥面处，设有螺旋状的冷却流道。本实施例中，冷却流道的形成如下：上模芯心和下模芯心的外表面加工出的半圆槽，当芯心与芯套装配后，由配合面密封，自然形成了冷却流道。

本实施例的冷却流道，上模芯套11和下模芯套21上均设置了冷却水入口91和冷却水出口92。回形针式的冷却流道中段设有连接入口分别与上模芯套11、下模芯套21的冷却水入口91对应贯通；回形针式的冷却流道还设有连接出口，分别与螺旋状的冷却管道的一端衔接贯通，螺旋状的冷却管道的另一端与冷却水出口92贯通。冷却水的流动顺序为：从上模芯套11和下模芯套21处的冷却水入口91进入，通入上模芯心12和下模芯心22的回形针式的冷却管道内，冷却液在回形针式的冷却管道内流动，随后流动至螺旋状的冷却管道，冷却液在螺旋状式的冷却管道内流动，最后从上模芯套11和下模芯套21的冷却水出口92流出。

本种大型阀体热挤压成形的预应力组合内冷却方法，包括如下步骤

1)冷却介质首先从上模芯套和下模芯套的冷却水入口分别进入上模芯心和下模芯心的圆柱面上回形针式冷却流道内；

2)圆柱面上回形针式冷却流道内的冷却介质汇集后分别进入上模芯心和下模芯心的螺旋式冷却流道内；

3)上模芯心和下模芯心的螺旋式冷却流道内的冷却介质分别从上模芯套和下模芯套的冷却水出口流出，实现上下模芯的内冷却循环。

冷却过程中，由测温装置随机检测模芯的温度，以控制模芯的内冷却强度和周期时间。

本发明的大型阀体热挤压成形的预应力组合模芯，芯套可以选择普通耐热模具钢，芯心则选择高强度和硬度的耐热模具钢，其装配面均可采用简单的车或镗方法加工。冷却流道在芯心的配合面加工，冷却介质进出口在芯套上加工。然后，选择适当的过盈配合，采用热装的方式将法兰半环、芯套和芯心装配在一起，而无需使用任何紧固件。

装配好后的组合模芯通过定位键与模座装配在一起，安装在具有垂直穿孔缸和水平穿孔缸的多向双动复合挤压液压机上。上模座固定在液压机的活动横梁上，下模座固定在液压机的工作台上，上下模座与模芯在水平面上分模。

当芯心在适用若干次数发生磨损或损坏后，采用整体加热、局部冷却芯心的方法，即可将芯心从芯套中拆出，或修复使用，或更换新芯心，从而大大减少了昂贵的模芯的重量、材料、加工难度和加工成本。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种大型阀体热挤压成形的预应力组合模芯，其特征在于：包括上下相对设置的上模芯（1）和下模芯（2），上模芯（1）和下模芯（2）合模时形成模膛，所述模膛包括阀体主体模膛（41）和左右法兰模膛（42），上模芯（1）和下模芯（2）的分模面（3）设置在左右法兰模膛（42）中心的水平剖分面上；

所述上模芯（1）包括上模芯套（11）、上模芯心（12）和上模左右法兰半环（13），所述下模芯（2）包括下模芯套（21）、下模芯心（22）和下模左右法兰半环（23），所述上模芯套（11）与上模芯心（12）适配，所述下模芯套（21）与下模芯心（22），适配，它们相互适配的面统称为配合面（8）；

所述配合面（8）从左右法兰模膛（42）内侧面剖切后，呈一个圆柱面（81）和两个位于圆柱面两端的带有锥度的圆锥面（82），所述圆柱面（81）与圆锥面（82）的过渡处设有定位台阶，所述上模左右法兰半环（13）通过上模芯套（11）、上模芯心（12）和定位台阶进行定位和固定；所述下模左右法兰半环（23）通过下模芯套（21）、下模芯心（22）和定位台阶进行定位和固定；所述圆柱面（81）上设有回形针式冷却流道，两个圆锥面（82）上设有螺旋式冷却流道；在圆柱面处，设有回形针式的冷却流道；在圆锥面处，设有螺旋式的冷却流道；冷却流道的形成如下：上模芯心和下模芯心的外表面加工出的半圆槽，当芯心与芯套装配后，由配合面密封，形成了冷却流道；

所述上模芯套（11）圆柱面（81）部位设有一定位台阶，构成圆柱形空间；所述上模左右法兰半环（13）与装配在该圆柱形空间中的上模芯心（12）的剖切面贴合在一起；

所述下模芯套（21）圆柱面（81）部位设有一定位台阶，构成圆柱形空间；所述下模左右法兰半环（23）与装配在该圆柱形空间中的下模芯心（22）的剖切面贴合在一起；

所述上模左右法兰半环（13）和下模左右法兰半环（23）构成法兰成形时的料仓。

2.根据权利要求 1 所述的大型阀体热挤压成形的预应力组合模芯，其特征在于：所述上模芯套（11）与上模芯心（12）选用过盈装配，所述下模芯套（21）和下模芯心（22）选用过盈装配。

3.一种基于权利要求1所述的大型阀体热挤压成形的预应力组合模芯的内冷却方法，其特征在于：包括步骤（1）冷却介质首先从上模芯套和下模芯套的冷却水入口分别进入上模芯心和下模芯心的圆柱面上的回形针式冷却流道内；

步骤（2）圆柱面上回形针式冷却流道内的冷却介质汇集后分别进入上模芯心和下模芯心的螺旋式冷却流道内；

步骤（3）上模芯心和下模芯心的螺旋式冷却流道内的冷却介质分别从上模芯套和下模芯套的冷却液出口流出，实现上下模芯的内冷却循环；采用测温装置随机检测模芯的温度，以控制模芯的内冷却强度和周期时间。

Images