基于Deform的三通阀体热锻成形工艺优化

宋昌哲

摘要：本文通过对三通阀结构概述、三通阀材料特征以及热锻工艺过程分析对三通阀热锻工艺进行简述。通过工艺参数对三通阀锻件的评估与仿真结果分析对三通阀锻件质量的影响进行进一步的说明。最后文章对基于Deform的三通阀热锻工艺进行总结。

关键词：工艺优化;三通阀体;Deform;热锻成形

前言：三通阀作为火电、核电、石油化工管道的常用件，三通阀由自身的端部螺纹或法兰部与施工管道进行接通，管道接通后，内部产生高压强与气液体，三通阀作用于阀体外部的动载荷，与内部的阀门压强载荷以及外部的动载荷双方工作作用下的工作原理。三通阀的载荷较为复杂，因其适用范围在管道建设工程中，对于阀体的性能与抗疲劳性要求较高，以此来稳定管道的气液运输。但由于管道的本体不同，三通阀的安装与设置时，存在不合理支出，导致冲头载荷过大等问题的出现。

三通阀热锻工艺

热锻是指对固定的料进行加热后使其形成结晶温度上，通过增加温度与压缩力度使材料的变形抗力产生變化，并提升其固态的可塑性。材料在进行热锻的过程，会因外力产生变形，随着温度与力度的变化会进行热传、微观组织与形变等复杂反应。三通阀使用了热锻工艺，通过反复试验和分析，锻造出质量更好使用性能更高的三通阀。

1.1三通阀结构概述

锻件是重大设备、施工材料等的重要使用部件，因其使用与工作环境较为复杂，无论是从工艺还是力学角度来讲，锻件的力学性能与要求都较高。三通阀体作为可进行内部布设管道的连通器，要承受的载荷十分巨大，且要考虑管道内部的输送气液体，因此对于三通阀的基本材质就有一定的要求[1]。作为左右互通、中通阀轴贯通的圆筒形阀门，中部的凸起与另外相同的筒管都各有用处。

1.2三通阀材料特征

因三通阀作为建筑施工中的重要材料之一，使用稳定性较强，且有较好的耐腐蚀性、强度等有助特点为一体，采用1Cr13合金钢，可以更好的进行阀件本体的锻造。如图1中所示，为稳定三通阀的材料结构与稳定性，锻造合金的化学组成部分较为复杂：

使用合金进行三通阀锻造的原因是因为合金的化学元较为稳定，即使在北方的天气中也仍旧拥有较为强的冲击吸收力、硬度高、抗拉深度高等优势，被广泛的应用。

1.3热锻工艺过程分析

三通阀体的煅烧网格由上中、左右三部分，进行阀体的热锻成时，要先将三通阀的模具进行预热。将合金放置于模具中心[2]，在放置的过程中要注意坯料要与左右冲头进行对齐。上冲头要留出一部分的空余位置，以便左右两侧向内进行坯料挤压时有足够的空间。由模具的外部向左右冲头内部施加相同压力，当左右冲头都被坯料填实后，检查两边距离。考虑到不同型号的三通阀体锻造的时间、压力与热锻参数等有所不同。如一段直径75mm，长度为115mm。经过1000-1200度的温度对合金进行加热。初始的模具预加热至350-400度左右，水平为冲头进行施力。

工艺参数对三通阀锻件质量的影响

2.1工艺参数对三通阀锻件的评估

对合金进行加工的过程中，由于是使用热加工过程，填充坯料的余量会对最终的三通阀锻件的成品质量造成影响。科技的发展下，使用科技含量较高的Deform软件可以对锻件的锻造进行预先演示。可以节约许多不必要的原材料浪费。在使用Deform软件对三通阀进行锻造时，可将选定的代替坯料进行加热。通过对冲头的速度与冲力的调整。三通阀在进行锻造时，中心的温度较低，水平的冲头与填充坯料的接触部分会因为热度的问题产生不同的质量变化。冲头设置如果存在一定的不合理时，填充的坯料虽然进行了预热，但在冲头速度与坯料接触时还是会因为关键的中心位置温度不足，坯料流速过大导致锻件在后续的冷却过程中产生应力，最终导致三通阀的锻造质量。

2.2仿真结果分析

对Deform软件下进行的三通阀锻件成品进行分析，使用不同的力与速度进行三通阀锻造，保证在热锻的预锻与终锻坯料都填充完毕，且均已充满模具。根据锻造时对载荷大小的变化关系中，载荷的突变情况下会在镦粗、预锻、终锻处产生。因为在进行热锻的过程中，上模中的坯料填充物是一直在变换和运动的，上模的运动速度产生一定的变化下，填充坯料的温度是会变化的，上文中提到锻造过程中模具中心的位置温度比起其他位置较低，随着上模的运动变化，接触能量也会有所不同，对于合金坯料的填充与分布都会产生相应的改变。如上模的运动速分别为400mm和450mm，通过反复试验后得出，450mm的上模速度下，锻件的周边金属流动性更佳，且金属的速度场分布良好，使用Deform软件进行三通阀锻件可以减少流线性，对后续的使用合金金属进行上模的载荷有一定的影响，且减少了金属回流的折叠风险。

除此之外，垂直冲头速率对检测点的温差也会对三通阀的锻件造成参数的数值影响，各分为温差从100度降低至55度与150度降至49度两组进行对比试验。设定1000-2000度的坯料加热温度，并分别对两组温度变化下的三通阀锻件进行了对比，经过对比后发现，温差降低率小的锻件冷却后的效果比温差降低较大的锻造应力更小，三通阀的锻造质量更优秀。

基于Deform的三通阀热锻工艺总结

三通阀的热锻工艺技术中，以Deform软件为基础，通过软件对热锻的形成材料与动力模型进行试验与分析，对比模型应力、对微观组织的演变、模型演化与热成形开裂模型等情况集为一体[3]。从多方面的角度进行三通阀的热锻模型锻造预演。对比热成型与温度控制下的数据，对热锻工艺进行分析。较快的速度与较小温差下的三通阀热锻会使最终的成品效果更好。对于Deform软件的实际生产应用中，除合金的金属坯料。Deform软件中使用的晶体粒子材料在温变下达到一定程度后，并未显示出进一步成长迹象，因此对于Deform软件中代替实际金属与合金等填充料进行补充的试验材料有一定的极限数值。只有在试验中按实际情况随时进行晶体粒子的填充，才能更加符合金属模型的使用度。

多次对三通阀进行热锻时，对于静置等待降温的一过程，晶体也会一定的变化，成品中的合金锻件在进行冷却时无金属流动情况。需要对的组织进行数值的模拟演变，使用双道次进行热模拟压缩试验后，进行对比来形成最后的模拟数值，可以大幅度的提升演变数值的实际结果，使其更接近于真实的金属填充物。

结束语：由此可见，Deform软件可以模拟三通阀门的体热锻的填充，进行三通阀体热锻的工艺优化，可以大幅度的提升与优化三通阀的工艺参数。锻件关键位置的优化会为锻件最终的质量与精度提供更加稳定的保障。多次进行热锻形成集成，并对最终的组织演变、空洞型缺陷演化以及开裂与测等，都可以通过Deform锻件对数值进行最终模拟，来定制合理的热锻工艺，并为三通阀体的锻造工艺提供科学的依据。

参考文献：

[1] 赵洁， 闫洪波， 侯永亮. 基于Deform的三通阀体热锻成形工艺优化[J]. 热加工工艺， 2019， 48（21）：3.

[2] 张庆旭， 刘飞， 周伟. 基于Deform的铝合金盘体件锻造工艺参数对成形性能影响的分析[J]. 热加工工艺， 2020， 49（13）：4.

[3] 武彬， 王红丽. 基于Deform-3D的双向法兰套管温锻工艺优化[J]. 热加工工艺， 2019（7）：4.