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)
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。
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。
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
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
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。
(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.