防喷器成形工艺的有限元数值模拟研究

文／杨武，谈安宝，王炳正·兰州兰石集团有限公司铸锻分公司，甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心

马鹏翔，张哲瑞，王旭明·兰州兰石能源装备工程研究院有限公司，甘肃省高端铸锻件工程技术研究中心

本文以双闸防喷器锻件产品为研究对象，运用SolidWorks+Forge软件进行有限元模拟仿真，通过Forge软件模拟仿真，对其成形工艺中镦粗、拔长、冲孔等工艺进行了模拟，成形过程中冲孔工序选取Damage功能，将断裂准则成功应用于锻件冲裁过程。通过模拟为生产实际提供可靠的数据，结合生产实际为客户提供高品质产品已成为我公司目前产品开发重要程序。

概述

防喷器是用于试油、修井、完井等作业过程中关闭井口，防止井喷事故发生的安全密封井口装置，防喷器将全封和半封两种功能合为一体，具有结构简单，易操作，耐高压等特点。

本文针对某公司双闸防喷器产品，在实际生产前，通过Forge软件对其成形工艺进行数值模拟仿真，对其成形过程中压机受力、坯料温度场、冲头尺寸设计等进行分析，选择合理的工艺参数及冲头尺寸，最终通过实际生产验证了工艺的可行性。

工艺简介

锻造工艺路线：14.5t的8角铸锭，材料为34CrMo4，选用50MN快速锻造液压机组开展锻造成形过程。具体过程：压钳口→倒棱→镦粗→压方750mm×1020mm→两端滚圆→冲孔，其中冲头设计成有一定斜度，便于取出。

成形工艺数值模拟仿真

有限元模型建立及参数设置

采用SolidWorks软件对铸锭、平砧、冲头等进行三维建模，铸锭模型见图1。

图1 铸锭三维模型示意图

图2 有限元模型网格划分

将.STL文件导入Forge软件并进行网格划分及参数设定，如图2所示，有限元模型分为三部分：上模、铸锭、下模。铸锭坯料网格数77001。铸锭始锻温度1250℃，平砧预热至250℃。压机参数选择Hydraulic，压机速度镦粗时40mm/s，拔长时60mm/s，停止压力为5000t。

铸锭材料为34CrMo4-1.7220，成分见表1。

模拟过程介绍及分析

在模拟仿真设置过程中，前期使用平砧压钳口、倒棱，然后进行镦粗、拔长，最后用冲头、垫圈冲孔。工艺流程及模拟示意图见表2。

图3 模具受力随时间变化曲线示意图

表1 34CrMo4-1.7220化学成分

表2 锻造工艺流程及模拟示意图

根据图3所示模拟结果，镦粗时压机压力最大为4859.8t，因此50MN压机能满足条件。

整个过程中坯料表面温度，模具受力数据汇总见表3。防喷器产品毛坯件成形过程中最大力出现在镦粗过程，此过程要选择合适的工艺及合理的压机速度，通过多步镦粗以减少压机长时间满载荷运行。整个模拟过程显示坯料表面温度在1000℃左右，在熟练操作设备时可高效完成成形工艺过程。

表3 模拟过程数据汇总表

图4 冲头、热处理后的防喷器毛坯锻件

现场验证

利用数值模拟仿真成形的工艺参数，在现场进行了试验，图4为冲头、热处理后的防喷器毛坯件。生产过程中的结果与数值模拟工艺中所采集的数据非常接近。防喷器毛坯件经探伤合格。

结束语

利用有限元数值仿真模拟软件Forge对防喷器产品毛坯件锻造成形过程进行全流程模拟，通过试验验证，生产出表面和内部质量良好的毛坯件，通过最终精加工完成客户要求，SolidWorks+Forge软件进行有限元模拟仿真，结合生产实际为客户提供高品质锻件产品。