葉輪蓋盤成形新工藝數(shù)值模擬和試驗研究

文/范淑琴，趙升噸，韓曉蘭，徐凡，張琦·西安交通大學機械工程學院

葉輪蓋盤成形新工藝數(shù)值模擬和試驗研究

文/范淑琴，趙升噸，韓曉蘭，徐凡，張琦·西安交通大學機械工程學院

葉輪蓋盤是一種較復雜的旋轉(zhuǎn)體構件，是離心風機的主要組成部分，其中心部位有孔且厚度最大，外側(cè)厚度小。其作用是引導和改善氣流，同時加強葉片的強度和剛度，它的形狀和加工制造質(zhì)量將直接影響到風機的工作性能。如圖1所示為一個典型的葉輪蓋盤外形圖。

圖1 典型的葉輪蓋盤外形圖

目前葉輪蓋盤主要用機械加工的方法來制造，即在坯料的基礎上進行切削加工，包括粗加工和精加工兩個工序。葉輪蓋盤的特點是隨著直徑的增大，零件的厚度逐漸變薄，外側(cè)的最薄部位僅約5mm，中心部位最厚處達到110mm。因此，隨著直徑的增大，切削掉的金屬材料急劇增加。葉輪蓋盤所用的材料為不銹鋼FV520B，該材料為專用材料，價格約為4.5萬元/t。采用純機械加工的方法存在材料利用率低（小于10％）、后續(xù)機械加工量大、制造成本高和周期長等問題。隨著風機產(chǎn)業(yè)競爭的日益激烈，如何采用新型制造方法生產(chǎn)出低成本、高質(zhì)量的葉輪蓋盤和輪盤顯得尤為重要。

為了減少切削加工量，提高材料利用率，本文欲采用鐓粗→沖孔→擴孔→鐓粗＋旋鍛→壓彎的多工步成形方法來獲得粗加工的蓋盤鍛件，然后再進行少量的切削加工，從而得到最終的葉輪蓋盤。為了研究該蓋盤成形新工藝的可行性，指導實際的工藝改造和設備選型，本文采用DEFORM-3D有限元分析軟件對西安陜鼓動力股份有限公司某規(guī)格型號的蓋盤成形過程進行了塑性成形有限元數(shù)值模擬，獲得了工件在成形過程中成形力的變化情況，然后進行了葉輪蓋盤新工藝試驗，驗證了蓋盤成形新工藝的可行性和優(yōu)越性，為后續(xù)的工藝改進提供了可靠的試驗依據(jù)。

數(shù)值模擬

如圖2所示為本文采用鐓粗→沖孔→擴孔→鐓粗＋旋鍛→壓彎得到的某規(guī)格蓋盤粗加工鍛件的幾何外形尺寸圖。

圖2 蓋盤粗加工鍛件的幾何外形尺寸

鐓粗

由計算可得鍛件的體積為80503311.75mm3，根據(jù)塑性變形體積不變的原則可知，棒料的尺寸為φ500mm×410mm。

根據(jù)坯料和模具的幾何尺寸及成形工藝要求，建立了蓋盤成形工藝的鐓粗成形有限元模型。坯料的材料為FV520B，其應力應變曲線是通過材料熱模擬試驗得到的；上模和下模的材料直接用DEFORM-3D自帶的材料庫中的AISI-H-13［1450-1850F（800-1000C）］。摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導系數(shù)為11。坯料劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)為37144，節(jié)點數(shù)為8332；上模的單元數(shù)為4289，節(jié)點數(shù)為1168；下模的單元數(shù)為4288，節(jié)點數(shù)為1168。最終得到的有限元模型如圖3所示。

圖3 鐓粗有限元模型

工件第一火鐓粗時的始鍛溫度設為1150℃，鐓粗到245mm時第一火鐓粗結束。第一火鐓粗時鐓粗力的變化曲線如圖4所示，最大力為929t。

圖4 第一火鐓粗時鐓粗力的變化曲線

在鐓粗到245mm時進行第二火鐓粗，始鍛溫度為1135℃，最終鐓粗到135mm。第二火鐓粗時鐓粗力的變化曲線如圖5所示，最大力為2297t。

沖孔

在鐓粗后的工件上進行沖孔，始鍛溫度為1135℃，最終得到的工件形狀如圖6所示。

圖5 第二火鐓粗時鐓粗力的變化曲線

圖6 沖孔成形后工件的最終外形尺寸

如圖7所示為蓋盤沖孔有限元模型。坯料、上模和下模的材料均與前面工藝模擬中的設置相同，摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導系數(shù)為11。坯料劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)為35221，節(jié)點數(shù)為8084；上模的單元數(shù)為5694，節(jié)點數(shù)為1395；下模的單元數(shù)為5277，節(jié)點數(shù)為1315；沖頭的單元數(shù)為7617，節(jié)點數(shù)為1811。

圖7 沖孔有限元模型

沖孔前加熱工件到1135℃，沖孔過程中沖頭施加力的變化情況如圖8所示，最大力約為196t。

圖8 沖孔過程中沖頭施加力的變化曲線

擴孔

將前面沖孔后的工件進行擴孔，擴孔后工件的外形尺寸如圖9所示。

圖9 蓋盤擴孔后的外形尺寸

鐓粗＋旋鍛

在擴孔后的工件上進行鐓粗和旋鍛，所獲得的工件形狀如圖10所示。

圖10 蓋盤鐓粗及旋鍛后的外形尺寸

根據(jù)坯料和模具的幾何尺寸及成形工藝要求，建立了蓋盤擴孔工序后的鐓粗有限元模型。坯料的材料為FV520B，上模和下模的材料為AISI-H-13［1450-1850F（800-1000C）］。摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導系數(shù)為11。坯料劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)為36239，節(jié)點數(shù)為8462；上模的單元數(shù)為3764，節(jié)點數(shù)為1017；下模的單元數(shù)為24757，節(jié)點數(shù)為5734。最終得到的有限元模型如圖11所示。

圖11 擴孔后的蓋盤鐓粗有限元模型

鐓粗成形的始鍛溫度為1150℃，鐓粗20mm后結束。鐓粗過程中鐓粗力的變化曲線如圖12所示，最大力為2477t。

圖12 擴孔后蓋盤鐓粗過程中鐓粗力的變化曲線

圖13 擴孔后的蓋盤旋鍛有限元模型

擴孔后工件的旋鍛成形有限元模型如圖13所示。坯料、旋鍛錘頭和下模的材料均與前面的設置相同，摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導系數(shù)為11。坯料劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)為36239，節(jié)點數(shù)為8462；旋鍛錘頭的單元數(shù)為6628，節(jié)點數(shù)為1584；下模的單元數(shù)為24757，節(jié)點數(shù)為5734。

在上一步鐓粗的基礎上，再將工件加熱到1135℃進行多步旋鍛，旋鍛過程中測溫，旋鍛過程中旋鍛力的變化曲線如圖14所示，最大力為1827.5t。

圖14 擴孔后蓋盤旋鍛過程中旋鍛力的變化曲線

壓彎

旋鍛后對工件進行壓彎成形，始鍛溫度為1135℃，壓彎成形用模具如圖15所示。

圖15 壓彎模具

如圖16所示為蓋盤壓彎有限元模型。坯料、上模和下模的材料均與前面成形工藝模擬中的設置相同，摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導系數(shù)為11。坯料劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)為29936，節(jié)點數(shù)為7234；上模的單元數(shù)為17664，節(jié)點數(shù)為4288；下模的單元數(shù)為16087，節(jié)點數(shù)為3865。

壓彎前加熱工件到1135℃，完成壓彎工藝，壓彎過程中壓彎力的變化曲線如圖17所示，最大力為732.7t。

圖16 壓彎有限元模型

圖17 壓彎過程中壓彎力的變化曲線

試驗研究

本文蓋盤工藝試驗中的制坯是在10t電液錘上完成的，其余工藝均是在YDZ2000鍛造液壓機上完成的。從蓋盤成形模擬結果中可以知道，始鍛溫度為1150℃時鐓粗力的最大值超過了2000t，由于升高始鍛溫度可以降低鐓粗力，因此在試驗中始鍛溫度采用（1180±10）℃，終鍛溫度不低于850℃，鍛造比取3，控制鐓粗力在2000t之內(nèi)。

蓋盤成形模擬中第一次的鐓粗分為兩火，第一火鐓粗量為165mm，第二火鐓粗量為110mm，而試驗中由于提高了始鍛溫度，因此將第一火的鐓粗量增加為200mm，并且在試驗中增加了滾圓工序，滾圓可以減小工件受力面積，從而減小第二火的鐓粗力。第二火鐓粗后鍛件達到工藝尺寸，然后在其上進行φ200mm的沖孔以及馬架擴孔，達到φ515mm的內(nèi)孔尺寸要求，然后在始鍛溫度1180℃的條件下對擴孔后的鍛件進行鐓粗和旋鍛，并對得到的鍛件進行滾圓，最后進行壓彎成形。得到的最終的蓋盤粗加工鍛件如圖18所示。

圖18 最終的蓋盤粗加工鍛件

結束語

采用DEFORM-3D有限元分析軟件對蓋盤成形過程中的各個工序進行了模擬計算，獲得了工件在成形過程中成形力的變化情況。模擬結果表明，采用鐓粗→沖孔→擴孔→鐓粗＋旋鍛→壓彎多工步成形蓋盤的新工藝方案是可實現(xiàn)的，按照該工藝方案進行了蓋盤成形工藝試驗，并在試驗中增加了滾圓工序，提高了始鍛溫度，減小了成形力，滿足目前2000t鍛造液壓機的設備現(xiàn)狀。試驗結果表明，葉輪蓋盤的試驗鍛件尺寸基本符合設計要求，驗證了本文工藝方案的合理性和可行性，為后續(xù)蓋盤成形工藝的改進奠定了基礎。

范淑琴，博士后，主要從事塑性成形工藝及裝備的研究。