水輪機(jī)葉片模擬件的鍛造成形工藝研究

于海艷，楊開黎

（1. 哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，哈爾濱 150000；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

引言

葉片是水輪機(jī)中的關(guān)鍵部件，葉片的質(zhì)量直接影響到整個(gè)水輪機(jī)組的運(yùn)行壽命、效率、空化性能、出力、抗氣蝕性能和運(yùn)行穩(wěn)定性等。水輪機(jī)葉片由于其曲面形狀較為復(fù)雜，表面質(zhì)量要求很高，所以其制造工藝尤為重要[1]。

目前水輪機(jī)葉片的加工工藝主要有三種：(1)砂型鑄造工藝(2)數(shù)控加工(3)熱成形工藝。砂型鑄造工藝容易在葉片表面出現(xiàn)縮孔、裂紋和缺肉等鑄造缺陷，而且后續(xù)的打磨拋光勞動(dòng)強(qiáng)度很大，得到的葉片形線不準(zhǔn)確，葉片的表面質(zhì)量較差。數(shù)控加工方法是目前應(yīng)用較廣的方法之一，但是此加工方法對(duì)原材料利用率低，而且由于毛坯表面的流線被切斷、微觀組織較粗大，所以成形后的葉片綜合機(jī)械性能較差。熱成形工藝是指利用模鍛的方法來(lái)成形水輪機(jī)葉片，此工藝可以提高毛坯的利用率，鍛后的葉片表面狀態(tài)較好，葉片內(nèi)的微觀組織細(xì)小且均勻，葉片的綜合機(jī)械性能較高[2-4]。

由于常規(guī)的水輪機(jī)葉片尺寸巨大，所需的成形溫度高、壓力機(jī)的開間大、噸位高、熱成形模具造價(jià)昂貴。本課題擬對(duì)水輪機(jī)葉片的模擬件進(jìn)行熱模鍛，以得到合理的工藝路線。

1 試驗(yàn)材料與方法

本文采用Q235鋼為葉片模擬件的材料。Q235鋼的晶粒形態(tài)為等軸狀，包含先共析的鐵素體，位于晶界處的珠光體，該材料的強(qiáng)度、塑性等綜合性能較好。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 傳統(tǒng)鍛造工藝試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了如下的葉片坯形狀與尺寸，如圖1所示。并加工了一套葉片成形的鍛模。模具的材料為 H13。鍛模的模膛部分采用電火花加工，其他部分采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法。模具的熱處理采用一次淬火+兩次回火。

先將Q235坯料表面及模具型腔預(yù)熱至100oC左右，把石墨潤(rùn)滑劑均勻地涂在其表面，然后將坯料裝入模具中一同放入電爐中，加熱到500oC保溫1h。最后放在300t壓力機(jī)下快速鍛造，在空氣中直接開模取件。如下圖2所示為此工藝成形后的葉片實(shí)物圖。從圖可以看出，飛邊較多，葉片的榫頭和葉身連接處出現(xiàn)凸臺(tái)，葉身的前端出現(xiàn)缺肉。

圖1 葉片坯料形狀和尺寸

圖2 Q235鋼鍛件

2.2 傳統(tǒng)鍛造工藝有限元分析

用三維有限元模擬軟件3D-DEFORM對(duì)以上成形過(guò)程進(jìn)行了有限元分析。整個(gè)成形過(guò)程設(shè)置為等溫過(guò)程，上下模和坯料的溫度設(shè)定為500oC。熱摩擦系數(shù)設(shè)定為0.3。利用熱模擬試驗(yàn)機(jī)GLEEBLE-1500在500oC對(duì) Q235作熱壓縮實(shí)驗(yàn)(應(yīng)變?chǔ)?0.7，應(yīng)變速率=0.1,0.01,0.001)，建立了相應(yīng)的本構(gòu)關(guān)系，導(dǎo)入DEFORM-3D材料庫(kù)中，最終計(jì)算得到如圖(3)的葉片最終成形圖和圖4、5所示的等效應(yīng)變和溫度場(chǎng)分布圖。

圖3 葉片最終成形圖

圖4 等效應(yīng)變分布圖

從圖3可以看出，葉片最終成形件的飛邊較多，榫頭與葉身的連接處出現(xiàn)凸臺(tái)，葉身前端并未填充完成。從圖4可以看出，在整個(gè)變形過(guò)程中葉身兩側(cè)的進(jìn)氣邊附近以及榫頭與葉身過(guò)渡區(qū)域應(yīng)變形量較大。從圖5可以看出，溫度較高的區(qū)域主要集中在榫頭和葉身前端，由于鍛件直接在空氣中開模，葉身前端的金屬降溫較快，開模后一部分金屬黏在了模膛內(nèi)造成了缺肉。

圖5 溫度場(chǎng)分布圖

2.3 改進(jìn)后的鍛造成形工藝試驗(yàn)方案

為了改善葉片的成形效果，必須對(duì)模具和葉片坯重新設(shè)計(jì)。為此重新加工了K403模具。鑄態(tài)K403在900oC的強(qiáng)度能達(dá)到700～800MPa，可以減少在鍛造過(guò)程中的磨損，同時(shí)增加模具的強(qiáng)度。模具的模膛部分采用電火花加工，其他部分采用機(jī)械加工，加工完畢不需要進(jìn)行熱處理。

針對(duì)傳統(tǒng)鍛造工藝中水輪機(jī)葉片模擬件的缺陷分析，重新設(shè)計(jì)了坯料形狀、鍛造工藝和后續(xù)的去應(yīng)力退火工藝。將裝配好后的模具以及葉片坯，一起裝入700oC的電爐中，保溫1h，然在壓力機(jī)上鍛造。鍛造完畢，將未開模的模具整體放入200oC的爐中進(jìn)行去應(yīng)力退火，待冷卻至室溫再開模，之后對(duì)鍛件的飛邊進(jìn)行加工得到如下圖6所示的水輪機(jī)葉片模擬鍛件[5]。

圖6 改進(jìn)工藝后的葉片鍛件

由圖7可以看出，金屬填充性良好，飛邊較少，無(wú)凸臺(tái)和缺肉等成形缺陷。

3 結(jié)論

(1)葉片坯料的形狀和尺寸設(shè)計(jì)應(yīng)該合理，避免因分料不合理造成的凸臺(tái)和飛邊過(guò)多；

(2)成形后，應(yīng)對(duì)鍛件進(jìn)行適當(dāng)去應(yīng)力退火處理，消除鍛件在開模過(guò)程中由于降溫過(guò)快造成的缺肉。

[1]賀元. 水輪機(jī)葉片制造技術(shù)[J]. 東方電氣評(píng)論，2004, 18(4): 210-214.

[2]賴喜德. 大型X混流式水輪機(jī)葉片五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工技術(shù) [J]. 兵工自動(dòng)化，2001, 61(3): 40-43.

[3]王地召，王貞凱. 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片模壓成型技術(shù)[J]. 東方電氣評(píng)論，2006, 20(1): 42-46.

[4]王樂安. 難變形合金鍛件生產(chǎn)技術(shù) [M]. 國(guó)防工業(yè)出版社, 2005: 8.

[5]呂炎。鍛件缺陷分析與對(duì)策 [M]. 機(jī)械工業(yè)出版社, 1999: 99.