闸阀阀杆锻压成型制作工艺的探索与研究

王胜原 赵光胜 宋永启

（铜陵天海流体控制股份有限公司，安徽 铜陵 244000）

一、前言

阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能，可用于控制空气、水、蒸汽、各种腐蚀性介质、泥浆、油品、液态金属和放射性介质等各种类型流体介质。其中闸阀作为一种结构简单、操作使用方便、性价比高的阀门，在自来水工程、污水处理、环保、建筑、化工、电力、食品等工程项目中应用十分广泛。

闸阀，主要由阀体、阀杆、阀瓣、阀盖、阀杆螺母及密封件等零件组成。将阀杆螺母安装在阀瓣的T形定位槽中，阀杆螺母与阀杆之间通过梯形螺纹进行连接，而阀杆固定在阀盖上，最后将安装有阀杆、阀瓣、阀杆螺母后的阀盖再安装在阀体零件上，组成了整个闸阀结构框架。其中阀杆是阀门的一个重要零部件，用于阀门扭矩的传递。阀杆上部连接动力执行机构或者手柄，下部连接阀杆螺母直接带动阀瓣移动或转动，从而实现阀门开关或者调节开度大小的作用。

锻压工艺是锻造和冲压的合称，是利用锻压机械的锤头、砧块、冲头或通过模具对坯料施加压力，使之产生塑性变形，从而获得所需形状和尺寸的制件的成形加工方法[1]。在阀杆制作过程中，棒料待加工部位经过加热而发生明显的塑性变形，有着塑性流动，再利用冲压加工，改变不锈钢棒料待加工部位的形状，且不出现较大距离的塑性流动。锻压用于加工阀杆坯料制件，使阀杆结构更加稳定、综合性能好、使用可靠。

本文针对软密封闸阀的阀杆在加工制作过程中存在的缺陷，结合锻压成型工艺，采用一种局部锻打的制作方法，并通过实际的试验，加工制作及使用验证，证明了这种制作方法的可靠性和实用性，并且列举了软密封闸阀阀杆坯料采用局部锻打制作的优点。

二、闸阀的结构及阀杆零件

铜陵天海流体控制股份有限公司设计的软密封闸阀，主要由阀体、阀杆、阀瓣、阀盖、阀杆螺母及密封件等零件组成。先将阀杆螺母安装在阀瓣的T形定位槽中，阀杆螺母与阀杆之间通过梯形螺纹进行连接，套有O型圈的阀杆通过定位环固定在阀盖上，接着将安装有阀杆、阀瓣、阀杆螺母以及密封垫的整体阀盖安装在阀体零件上，配合着装上密封圈，压盖及防尘圈，最好装配上操作装置手轮，便组成了整个闸阀。其结构如下（见图1）：

图1 软密封闸阀结构图

从上图可以看出，阀杆在阀门开关过程中不但是运动件、而且外径与O形圈或其它密封件配合起到密封作用，因此阀杆零件在整个阀门中起着至关重要的作用，所以在制作阀杆零件时，必须保证它在规定的工况下有足够的强度、良好的冲击韧性[2]、抗摩擦性和耐腐蚀性。而良好的工艺方法是降低产品成本、提高产品质量的保证。

图2 软密封闸阀阀杆图

上图是DN350软密封闸阀阀杆的零件图，右边是梯形螺纹与阀杆螺母连接，中间部位φ60圆柱段安装在阀盖上，左端的端部安装操作零件如手轮，阀杆的材料为20Cr13不锈钢 。从图中可以看出，阀杆存在中间偏上部位直径大，两端直径小的情况。若采用一根φ65圆钢棒料下料来加工，存在浪费材料、加工效率低、成本高等缺点，现在一般不再使用此种工艺。若中间直径大的部位采用φ65*10直径的圆钢下料后与φ45直径的圆钢焊接制作坯料来加工，由于焊接及工艺方面的原因，容易出现焊接部位脱落的质量隐患。

三、不锈钢焊接工艺

不锈钢焊接性一般分为两个方面：一是结合性即一种金属材料在指定的焊接工艺下，对焊接缺陷的敏感性；二是使用性即金属材料在指定的焊接条件下所形成的焊接接头适用使用的情况[3]。

现在不锈钢焊接的方式有很多种，例如不锈钢手工钨极氩弧焊或氩弧焊机、不锈钢钎焊连接、不锈钢的电阻焊连接及不锈钢的激光焊连接等方式，而铜陵天海流体控制股份有限公司目前运用最广泛的是手工氩弧焊和氩弧焊机。手工钨丝氩弧焊电弧热量集中、操作灵活方便，适用于多种复杂工况。

铜陵天海流体控制股份有限公司最初制作闸阀阀杆采用的是氩弧焊的方式，将加工好的定位环坯料套入不锈钢棒料中，从侧面现配打孔，将两个定位销从两侧敲入，使定位环和不锈钢棒料固定，再采用手工氩弧焊热化焊条堆焊定位环和不锈钢棒料上下接触面，完成阀杆坯料的制作。但是将所得到的阀杆坯料加工成阀杆以及装入阀门的使用中会遇到很多问题。首先因为焊接的原因在定位环上下位置会留下焊疤，在加工过程中对于焊疤的处理会很麻烦，加工会降低连接的强度，而不加工会留下焊疤的痕迹，在美观、使用等方面差很多。将阀杆放入闸阀中使用，对于开启扭矩小的闸阀不会有问题，但是当运用于开启扭矩大的闸阀，开关几次后，焊接的定位环和中间的丝杆会因为扭矩过大而分离开，从而很难起到止推的作用。多次试验过后，得到的还是相同的结果。焊接阀杆强度低，稳定性差，再加工焊接工艺过程耗时长，在大批量生产上很难实行，最后放弃采用焊接的方式。

四、锻压成型工艺

锻压成型工艺发展历史悠久，早可追溯人类新石器末期，当时就已经出现了采用锻打的方式加工铜器等小工艺品，而锻压成型进入现代文明要追溯到英国工业革命时期第一台蒸汽锤及液压机，使锻造和冲压进入机械化使用当中，如今锻压成型所使用的机械化装置不断发展，使之在机械生产中已经被广泛运用。

锻压分两类：一是按成形方式锻压，可分锻造和冲压两类；二是按变形温度锻压，可分热、冷、温及等温锻压等[1]。

热锻压是在金属再结晶温度以上进行的锻压，改善金属的塑性，减小金属的变形抗力。虽然热锻压工序多，工件精度差，表面不光洁，但闸阀阀杆对于坯料的外观要求并不高。

冷锻压是在低于金属再结晶温度下进行的锻压，在常温下冷锻压成形的工件，其形状和尺寸精度高，表面光洁，加工工序少，便于自动化生产。但冷锻时金属的塑性低，易产生开裂，闸阀阀杆合格利用率会降低，锻压设备要求高，成本较大。

锻压是使金属进行塑性流动，将棒料制成所需形状的工件。而且生产中，锻压成型工艺常根据这些规律控制工件形状，实现镦粗拔长、扩孔、弯曲、拉深等变形。

结合对闸阀阀杆的加工过程,坯料的强度要求以及考虑锻压机械需求，所以想到用热锻压的方式来进行阀门阀杆的试做。公司采购了锻压机械，采用锻压机械和锻压生产线，准备组织专业化大批量或大量生产。

将不锈钢棒料待加工部位经过热锻压成型后，坯料被压实；同时改变坯料锻压部分偏析和不均匀分布，使组织均匀，从而获得内部密实、均匀、细微、综合性能好、使用可靠的坯料。因为锻压出的工件尺寸精确、有利于组织批量生产，所以满足阀杆批量生产的要求。

锻压工艺未来的发展的方向会向提高锻压件的内在质量、发展精密锻造和精密冲压技术、研制生产率和自动化程度更高的锻压设备和锻压生产线、发展新型锻压材料和锻压加工方法等方面发展。主要提高锻压件机械性能(强度、塑性、韧性、疲劳强度)和可靠性。

锻压成型工艺发展方向说明采用锻压工艺来制作闸阀阀杆不仅能满足当下，而且还有很多的发展空间；锻压成型工艺制作的阀杆坯料能减少甚至无切削加工，这是机械生产提高材料利用率、提高劳动生产率和降低能源消耗的最重要的主题和方向，所以也不容易被淘汰。

五、局部锻打工艺

鉴于原整体圆钢坯料下料及加工存在的缺点，我司采用一种局部锻打成型工艺制作阀杆坯料，热处理后再进行机加工。其局部锻打后的坯料图如下（见图 3）。

图3 闸阀阀杆坯料图

局部锻打制作坯料的步骤如下：

（一）下料：一般按下述公式核算下料长度，即下料长度=坯料长度+凸起部位长度*锻造比。下料长度除了保证正常的偏差外，还需要考虑锻造比[2]。锻造比为下料后锻打成坯料中间凸起的部位长度与锻打前所需圆钢的长度的比值。如图3所示的坯料，按图纸要求阀杆长度为597，考虑到锻造比，按铜陵天海流体控制股份有限公司的经验为1.35，则：下料长度=597+20*1.35=624。即可采用φ45直径的20Cr13圆钢下料624，制作DN350软密封闸阀的阀杆坯料。

（二）加热：下料后的坯料，在锻打前需要加热。此处采用的是一种自制的电磁感应圈局部加热的方法，加热的部位及需要加热段的长度应根据坯料的图纸来确定。加热段的长度可以通过增加或减少感应圈的圈数来实现，被锻部位需加热至1100～1150℃，并应注意高温区停留时间不宜过长，否则易造成严重过氧化、元素贫化和晶粒粗化的缺陷。一般情况下，加热部位即为锻打后的凸起部位，加热段的长度应略长于凸起部位长度*锻造比，并根据圆钢的直径和压机的压力大小进行调整。本公司使用的是定制高频炉，型号为TP200，电磁感应圈采用φ8直径的铜管绕成，可根据需要调整加热长度。如图3所示的坯料，加热部位为图3从左到右105至140处，加热长度约为35（见图4）。

图4 阀杆坯料加热及锻压部位图

（三）局部锻打：加热后的坯料，放入锻模中，采用压力机一次锻打成型。锻模主要由下锻模、中锻模、上锻模三部分组成 （见图5）。下锻模用于坯料的固定，可以通过下端的调节杆和调节块，根据需要调节阀杆台阶下端的长度；中锻模用于坯料的局部锻打成型，腔体的直径和长度应满足坯料尺寸要求；上锻模用于承受压力机的压力并辅助锻打成型。在锻打进行前，应将锻模放在压力机的工作台上，调整压力机的下行程长度，保证压力机的下行程位置正好为锻件成型后的尺寸位置。还应注意加热的坯料不可以倒放，应使加热部位在中锻模的位置。局部锻打后，直接采用空冷的方式自然冷却。锻打一般采用开式固定压力机，φ40及以下圆钢坯料一般要求压力为800-1650kN，φ40以上一般要求压力大于1650 kN。如果坯料外径较细，凸起部位直径较粗，即变形量大，应用2次或多次锻压成型，多次锻压成型应抛光坯料外面的氧化层，不然容易产生夹渣现象。目前本公司一般采用一次锻压成型，使用的是浙江高精锻压股份有限公司生产的J21系列开式固定压力机，最大压力达到3150 kN，能加工DN800的闸阀阀杆。

图5 锻模结构图

（四）热处理：由于坯料局部锻打后存在热应力、组织应力和残余应力，为消除应力及改善机械性能[4]，锻打后的坯料须及时进行软化退火处理，将坯料缓慢加热至 620～680℃左右并保温5～6h[5]左右，消除内应力，降低硬度便于机械加工并改善机械性能。本公司使用型号为01-90-11，功率为90KW的工业电阻炉进行热处理，工作室尺寸为2400*600*1000。客户有特殊要求的，还要进行调质处理。

六、局部锻打阀杆坯料的优点

局部锻打阀杆坯料的工艺，主要体现了如下优点：

（一）节省材料用量成本

若直接采用圆钢下料加工而成，如图2所示的阀杆，须采用φ65*597mm的20Cr13圆钢加工，其重量约为15.45kg;采用局部锻打成型的工艺，其重量约为7.7kg，较直接采用圆钢下料加工相比，局部锻打方法节省材料重量一半左右。根据我们的总结，与此类似的阀杆采用局部锻打工艺制作坯料后，仅加工阀杆节省材料用量就可达三分之一至二分之一左右。

（二）降低加工成本

原阀杆是由圆钢直接加工而成，由于两端直径和中间部分的外径相差较大，为了满足阀杆材料的强度和机械性能要求，圆钢必须先粗车并留2～3mm余量后再进行热处理和机加工；而采用局部锻打工艺制作坯料后，不进行粗加工即可进行热处理，节省了粗加工的加工成本费用。

（三）提高产品质量可靠性

若中间直径大的部位采用钢管下料后与圆钢焊接来加工，20Cr13材料存在焊接工艺性不好的特点及阀杆台阶部位是转动并受力部位，在使用过程中容易使得阀杆焊接部位脱落，使得阀杆的运行可靠性大大降低，对阀门的质量存在极大隐患，而采用局部锻打工艺制作坯料的工艺则避免了该问题的出现。

七、局部锻打阀杆坯料的实际应用

我司采用局部锻打工艺制作的阀杆坯料经热处理后，对锻打成型的部位取样进行材料的拉伸、冲击等机械性能检测，与整体圆钢坯料的机械性能基本一致，进行X射线检测后未发现有异常的缺陷。局部锻打坯料与采用大直径圆钢加工的阀杆零件分别组装后在我司测试台上进行扭矩、压力、密封性能、寿命耐久对比试验，通过相关试验数据表明：局部锻打坯料与采用大直径圆钢加工的阀杆组装的闸阀试验数据一致，均满足相应的国家标准要求。通过最后拆解检查，局部锻打坯料制作的阀杆无异常情况产生。

经实际试验表明，除20Cr13材料外，14Cr17Ni2和07Cr19Ni9等其它材料也可以采用局部锻打的工艺制作阀杆的坯料。

八、结论

通过试验验证表明：局部锻打软密封闸阀阀杆坯料的方案是可行的，其强度等各方面均可满足使用要求，并且总体上可以节省产品零件的成本，增强了产品在市场上的竞争优势。产品批量生产并经客户实际使用验证，使用效果很好。