1.5 套管头四通多向模锻成形

1.5.1 问题描述

套管头是采油（气）生产设备中的重要连接件，而套管头四通是关键零部件，其在高压载荷下工作，因此对其力学性能、耐腐蚀性能等要求较高。图1-36所示是某型号套管头四通锻件示意图，分析该阀体类锻件的特点，选择多向模锻成形方案，可在提高材料利用率和生产效率的同时，保证金属流线的完整性，从而保证锻件性能。但由于一次成形带有高法兰和深孔的套管头锻件难度较大，宜采用水平分模、水平双动模锻成形方式。

其模具由上、下模及左、右凸模（冲头、法兰为一体）构成，几何模型如1-37所示。

坯料初始放置位置在模锻成形过程中起着重要作用，影响成形过程中的材料流动和型腔充填。坯料在锻模中的位置恰当还可以降低压力，减少锻造飞边、折叠和充不满等缺陷。因此，本案例的任务为：利用有限元数值模拟方法研究套头管四通多向模锻成形，分析在坯料不同初始放置位置的材料流动和型腔充填情况，改善锻件质量。

图1-36 套管头四通锻件示意图

图1-37 套头管四通锻件模具模型

根据生产实际，此案例采用温锻成形工艺。成形设备为可在水平方向上实现双缸动作的多向模锻液压机，能提供130MN的载荷。在有限元模拟时，采用圆柱形坯料，坯料的材料为AISI-4140，模具材料为H13；模具和坯料间的传热系数设为11kW/（m2·K）；采用剪切摩擦模型，设置摩擦因子为0.3；坯料预热温度为1230℃，模具预热温度为300℃。从仿真的角度至少需要完成的工序见表1-2。以坯料在上、下模型腔中的合理位置为研究任务，设三个初始位置，分别为坯料在左端型腔的长度L为196.5mm、226.5mm、256.5mm，成形方案见表1-3。采用有限元分析软件DEFORM-3D对不同位置下的模锻成形过程进行数值模拟。