浅析阀体锻件成形工艺

阀体产品是我公司的主要API 6A产品，阀体是石油钻采领域常用的零部件，产品结构复杂，锻造难度大，产品质量要求高。本文介绍了通过自由锻设备并结合工具和工装，分析多种工艺方案，寻找一种最佳的阀体锻件成形工艺。

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。

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。

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。

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）。

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）。

图3 锻坯图

1-模具 2-阀体

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。

图5 锻造过程图

图6 锻坯图

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。

——本文节选自《锻造与冲压》2019年第5期。