文 献 综 述
摘要：本文介绍了阀体锻造在制造与数值模拟的研究现状，其中主要介绍了近些年国内外研究人员在这两方面的研究进展。
关键词：阀体；闭式锻造；数值模拟
1 引言
阀门是管路流体输送系统中控制部件，用来改变通路断面和介质流动方向，是核电、石油、航空以及电气装备上的重要部件，阀体是阀门上的主要零部件，起着承压、支撑的重要作用。随着机械工业的飞速发展，阀体需求量愈来愈大，同时对其质量提出了更高的要求。
阀体的传统生产形式是铸造，成本低，易成形。但由于铸造的特性，其内部不可避免地存在着缩孔、缩松等缺陷[1]。这些缺陷在高温、高压下易造成阀体渗漏，无法满足不断提升的性能要求。
为提高阀门的性能，锻造工艺逐渐取代了传统的铸造工艺。锻造的阀体组织致密、承压高、体积小。目前，应用的锻造工艺主要有开式模锻和闭式模锻。开式锻造虽然也能制造符合要求的复杂锻件，但需要后续大量的机加工用来切除多余的飞边，材料利用率不高。而且金属流线的切断，使得锻件强度降低，在复杂环境下如高温或酸性条件，阀体更容易发生应力腐蚀，使得其应用环境受限[2]。采用闭式模锻工艺就可以很好的克服上述缺点。
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图1 锻造阀体 |
闭式模锻[3 4]又称无飞边模锻，其基本原理是在封闭的型腔中，采用上下两个模具或镶块组合模具对毛坯进行模锻成形，可以使毛坯在一次行程中获得形状复杂的无毛边锻件。因此，闭式模锻可以使得锻件的形状尺寸、表面精度和组织性能最大程度地接近成品零件。但是，由于锻件在高温高压的模腔中塑性变形，对材料流动性要求较高，可能出现充不满或者流线折叠等缺陷；而且模具中凸出部位很容易发生磨损和变形，造成模具的寿命大大缩短。为此，国内外研究人员采用工艺实验和有限元模拟方法[5]对阀体锻造成形工艺进行了大量研究，取得了一些重要的研究成果，为阀体锻造工艺的发展提供了重要依据。
2 阀体锻造的工艺性研究现状
刘忠德[6]采用模锻工艺取代切削加工后,材料消耗大幅度下降,零件的内在质量也明显地得到改善。
张发廷等[7]合理设计锻造工艺及模具，采用自由锻制坯、半闭式模锻成型的工艺，解决了生产该锻件时设备载荷能力不足的问题，获得了力学性能和几何尺寸优于开式模锻的锻件，解决了开式模锻锻件打不靠、充不满的问题，同时也降低了材料消耗。
杜九江等[8]重点分析模锻的关键部位，加入合理预锻工艺。解决了模锻件特殊部位充不满的问题，经过试锻成功生产出合格的锻件。
李增国和刘庚武[9]通过工艺改进，即采用“两个一连”的锻造工艺，使得温度分布不均导致材料流动困难，引起的裂纹、缩口以及接头处参差不齐的质量问题得到了彻底地解决。
石玉萍[10]采用实验和数值模拟相结合的方法，分析了材料的高温塑性和热处理工艺，设计终锻模具，模拟了各个场的分布，明确缺陷出现的原因。解决了锻造过程中出现在分模面处的裂纹及低温冲击韧性较低等一系列缺陷。
开式模锻是目前大量应用的阀体锻造工艺，但由于开式模锻件的机加工量较大，强度不足，闭式模锻正逐渐发展并取代开式模锻。阀体的闭式模锻工艺尚不成熟，目前阀体闭式模锻工艺的主要改进措施有：改善热处理工艺、在终锻前增加预锻工序、改进闭式模具结构、与数值模拟结合分析改进工艺。模锻工艺中，材料种类、温度分布、毛坯形状、模具参数等均对材料变形会产生影响，依照传统的经验设计反复改进，浪费大量人力物力。传统的“试错法”已经逐渐被模拟设计取代，作为一种行之有效的模拟计算方法，有限元模拟[11]广泛应用于金属塑性加工的设计与制造。
3阀体锻造的有限元模拟分析研究现状
李琦等[12]利用刚粘塑性有限元方法, 对非等径大型三通阀体多向模锻成形过程进行了三维热力耦合模拟。通过对成形过程中的速度场、温度场、应力应变场的分析, 得到了各主要场量的分布及金属流动规律, 为合理确定锻造工艺方案提供了参考依据。
胡洋[13]通过 DEFORM-3D 软件模拟汽车转向节制坯、多向模锻成形，分析其制坯、终锻成形过程中金属的流动规律、应力应变分布、速度场、温度场等，为优化制坯毛坯、锻件结构尺寸、预测模具寿命，并对模具结构做一定调整，得出一种汽车转向节可行的多向模锻成形工艺。
康海鹏[14]采用Forge2D/3D 有限元分析模拟软件，设计阀体胎模和坯料；经过模拟分析了成型过程中坯料的温度变化、整体的应力、应变、金属的流动趋势和流线分布等；通过生产验证了胎模和坯料设计的合理性和工艺的可行性。
任运来等[15]针对水平带法兰阀体的几何形状特点，设计了３种多向模锻成形工艺方案。使用Forge软件对3种多向模锻成形方案下的锻件内部温度场、应变场、力能参数、模具温度场、锻件的成形质量进行了研究比较。结果表明，不同的多向模锻成形方案，对成形力的大小、锻件的成形质量和模具的温度场有较大的影响；对锻件内部温度场和应变场也有一定的影响。同时，对优选后的多向模锻成形工艺方案进行了实验，锻件成形结果良好。
有限元模拟优点明显，但其精确度浮动性比较大，建模的水平和边界条件、载荷工况的模拟是否实际情况相符，仍需与试验结合不断修正。
4 本课题研究目的及意义
应用计算机模拟锻造成形过程是解决模具设计长期以来依赖经验的有效手段。本课题运用DEFORM数值模拟软件，对阀体的闭式锻造进行计算机仿真，通过在计算机上建立与实际情况相符的材料、运动和边界条件，研究不同工艺参数和模具参数对成形过程的影响，进行求解分析。采用不同的形式定性定量地描述模锻过程中金属流动填充情况、变形趋势、温度分布规律、应力应变、预测损伤或缺陷出现的部位，从而起到改进闭式模锻工艺、优化设计模具结构和延长模具使用寿命的作用。
参考文献
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- 李振红,黄英娜,陈聪等. 基于DEFORM的轮毂法兰盘锻造工艺优化设计[J]. 热加工工艺,2015,21:111-113 116.
- 胡红磊. 水平带法兰阀体多向模锻工艺研究[D].燕山大学,2015.
- 胡运宝. 井口锻件多向模锻成形工艺与数值模拟研究[D].太原科技大学,2011.
- 左旭,卫原平,陈军,阮雪榆. 金属体积成形三维数值仿真的研究进展[J]. 力学进展,1999,04:549-556.
- 刘忠德,王华冠,张强等. 空气锤上阀体多模膛模锻工艺的研究[J]. 江苏工学院学报,1993,04:66-69.
- 张发廷,赵慧颖. 大圆锥齿轮锻件半闭式模锻工艺研究[J]. 热加工工艺,2010,15:90-91 95.
- 杜九汪,王强,王宏伟等. 低合金钢阀体的模锻工艺研究[J]. 热加工工艺,2014,07:120-122.
- 李增国,刘庚武. 阀体的锻造工艺改进[J]. 锻压技术,2007,06:34-36.
- 石玉萍. 1Cr13马氏体不锈钢热加工基础研究及锻造工艺模拟[D].太原科技大学,2013.
- 陈锡栋,杨婕,赵晓栋,范细秋. 有限元法的发展现状及应用[J]. 中国制造业信息化,2010,11:6-8 12.
- 李琦,薛克敏,袁美玲等. 非等径大型三通阀体多向模锻热力耦合数值模拟[A]. 安徽省科学技术协会.2008年安徽省科协年会机械工程分年会论文集[C].安徽省科学技术协会:,2008:5.
- 胡洋. 汽车转向节多向模锻精密成形数值模拟研究[D].重庆理工大学,2013.
- 康海鹏. 基于Forge 2D/3D的阀体胎模锻模拟分析[J]. 热加工工艺,2012,01:86-87 91.
- 任运来,曹峰华,任杰等. 水平带法兰三通阀体多向模锻工艺研究[J]. 上海电机学院学报,2015,05:249-254.
文 献 综 述
摘要：本文介绍了阀体锻造在制造与数值模拟的研究现状，其中主要介绍了近些年国内外研究人员在这两方面的研究进展。
关键词：阀体；闭式锻造；数值模拟
1 引言
阀门是管路流体输送系统中控制部件，用来改变通路断面和介质流动方向，是核电、石油、航空以及电气装备上的重要部件，阀体是阀门上的主要零部件，起着承压、支撑的重要作用。随着机械工业的飞速发展，阀体需求量愈来愈大，同时对其质量提出了更高的要求。
阀体的传统生产形式是铸造，成本低，易成形。但由于铸造的特性，其内部不可避免地存在着缩孔、缩松等缺陷[1]。这些缺陷在高温、高压下易造成阀体渗漏，无法满足不断提升的性能要求。
为提高阀门的性能，锻造工艺逐渐取代了传统的铸造工艺。锻造的阀体组织致密、承压高、体积小。目前，应用的锻造工艺主要有开式模锻和闭式模锻。开式锻造虽然也能制造符合要求的复杂锻件，但需要后续大量的机加工用来切除多余的飞边，材料利用率不高。而且金属流线的切断，使得锻件强度降低，在复杂环境下如高温或酸性条件，阀体更容易发生应力腐蚀，使得其应用环境受限[2]。采用闭式模锻工艺就可以很好的克服上述缺点。
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