球阀被广泛的应用于石油炼制、长输管线、化工、水利、电力、核电等行业，球体是球阀的启闭件，是球阀的关键元件。采用Z2CND17-12 制造的DN80 球体应用于核电站管线领域，对产品力学性能及耐腐蚀性能都有很高的要求。目前，该类球体元件主要制造方法有以下三种：

⑴铸造，该方法的主要缺点是铸件内部易产生夹杂、气孔、缩松和裂纹等缺陷，且生产效率和合格率低。

⑵机械加工，按照球体球径采用合适规格棒料，然后机械加工而成。该方法的主要缺点是材料利用率低，生产周期长，且对棒料力学性能要求高。

⑶普通模锻，该方法将原材料加热后锻打成实心球体毛坯，再通过机加工完成内孔，材料利用率仍然不高，总生产周期长。

综合不同制造方法的优缺点，通过有限元数值模拟，我们研发出一种基于多向模锻成形技术的闭式挤压工艺，在压机一个行程内，加热一次毛坯便可成形球体外形及主要内孔，不仅显著提高了材料的利用率，减少了机械加工工时，缩短生产周期，更因闭式挤压的变形特点提高了球体的机械性能。

锻件及模具设计

锻件设计

产品规格为DN80，材质Z2CND17-12，零件质量3.98kg。图1 为DN80 球体零件的示意图，零件结构对称，通道直径φ74mm。根据零件的结构形式结合闭式挤压成形工艺特点，设计DN80 球体锻件如图2 所示。锻件采用水平分模方式，该结构形式有利于坯料定位及金属流动，且方便生产操作。锻件机械加工余量、圆角半径、冲孔连皮等按照规范设计。设计锻件质量5.65kg，材料利用率约为70%。锻件A 处结构为压余设计，以保证金属充满模膛及减少凸模成形力。

模具设计

根据图2 球体锻件图，结合多向模锻工艺特点，运用SolidWorks 三维造型软件，设计模具结构如图3所示，该结构由上、下凹模、水平凸模、下顶出杆组成。

有限元数值模拟

几何模型建立

将图3 所示坯料及模具几何模型导入Deform-3D前处理中。坯料及模具模型均具有对称性，为减少运算量、提高模拟精度，以坯料及模具的1/2 模型进行模拟。

边界条件设定

坯料材料模型：AISI-F316L，该材料模型与Z2CND17-12 化学成分几乎一致。形状：圆棒料，规格：φ85mm×125.5mm，质量：5.65kg，坯料定义为塑性体。模具材料模型：AISI-H13，凹模及凸模运行速度：25mm/s。坯料与模具热交换系数：8kW/m2·℃，坯料与模具间的摩擦选用剪切摩擦模型，摩擦因子0.12。

模拟成形方案

在多向模锻技术中，凹模与凸模不同的动作组合对成形载荷、锻件充填情况等都有较大的影响，本锻件拟采用的模具动作过程为：上凹模合模→水平凸模对挤成形→上凹模回程→水平凸模回程。为简化模拟过程，数值模拟分析时省略下顶出杆。

模拟结果分析

图4 所示为数值模拟成形过程及锻件成形情况。由图可知，上凹模下压过程中对坯料进行镦粗，镦粗量为10mm，合模结束时，毛坯中部金属如自由锻镦粗一样形成鼓形，如图4(b)。水平凸模在对向挤压过程中，接触毛坯后，先对毛坯进行镦粗，使金属向着凹模型腔前后方向流动，如图4(c)，直至前后方向接触凹模型腔，水平凸模开始对金属反挤压，使金属向型腔左右两端流动，如图4(d)，直至充满型腔。根据图4(e)及Deform-3D 后处理结果显示，锻件充填饱满且在成形过程中无缺陷产生。上凹模合模载荷：11MN，水平凸模载荷5.6MN。

试验验证

在我公司40MN 多向模锻生产线及配套设备上进行该球体锻件闭式挤压试验，工艺流程为：下料→坯料加热→模具准备→去除氧化皮→镦挤成形→无损检测→锻件热处理→锻件抛丸。

坯料及模具准备

采用带锯床对坯料进行下料，下料规格为φ85mm×125.5mm，长度偏差±0.5mm。采用箱式电阻炉加热坯料，空炉升温至1180℃，放入坯料，保温1.5h。始锻温度为1180℃，模具预热温度200 ～300℃，为保证模具热透，预热时间不小于5h。润滑剂采用埃奇森F568，按配比1∶3 与水混合。

工艺方案

为获得最优的成形结果，挤压过程中应保证水平凸模运行的同步性，具体水平凸模控制方式采取位移控制，上凹模采取压力控制，压力40MPa。该锻件具体成形过程为：上凹模合模（位移250mm）→水平凸模对向穿孔至终点位置（位移150mm）→水平凸模卸荷→上凹模回程→水平凸模回程→下顶出上行顶出锻件。

锻件成形质量

按照上述工艺方案，在40MN 多向模锻液压机生产线上进行了试制试验，图5(a)为试制锻件，图5(b)为加工后零件。由图5 可看出，锻件压余处已流入金属，锻件填充饱满，表面无裂纹、折叠等缺陷，分模面处无毛刺、错模，锻件内孔光滑。超声检测结果显示，锻件内部无折叠、裂纹等缺陷。

锻件力学性能

对锻件进行固溶加淬火热处理后本体取样。图6是锻件拉伸试样取样位置图。锻件力学性能与标准要求值对比情况见表1，由表1 可看出经闭式挤压工艺成形的球体锻件各项力学性能均优于标准要求值，屈服强度提高了37.1%，抗拉强度提高了8.1%，伸长率提高了36.7%。

成形载荷

试验所用压机液压缸内置压力传感器，可实时监测液压缸的压力，由于上凹模采用压力控制，压力为设定值，本文仅对水平凸模实测成形载荷和数值模拟成形载荷进行对比，见表2。模拟载荷比实测载荷偏大16.7%，今后同类型、同材质锻件水平凸模成形力可采用该参数进行修正。

结果分析

基于多向模锻成形技术，将DN80 球阀球体内孔及上下端面一火锻造成形，与采用φ135mm 棒料机械加工该零件相比，材料利用率可提高一倍，显著缩短加工工时，大大降低了生产成本，提高了生产效率。且采用多向模锻技术制造的锻件组织致密，质量优良，在三向静水压力作用下，经剧烈大变形，锻件晶粒细化，性能显著提高。

结论

通过对DN80 球阀球体闭式挤压成形工艺的有限元数值模拟及试验验证，得到以下结论。

⑴通过闭式挤压成形工艺获得的DN80 球体锻件，锻件表面质量良好，无折叠、裂纹等缺陷，且力学性能较标准值有较大提高。

⑵水平凸模模拟载荷比实测值偏大0.8MN（16.7%），为同类型、同材质锻件成形力的计算提供了可靠依据。

⑶有限元数值模拟的金属流动规律、锻件填充情况，与试验相吻合，有限元数值模拟可作为多向模锻成形工艺的分析工具，为后续生产提供技术支持。