大型離心風(fēng)機(jī)葉輪輪盤(pán)熱鍛成形技術(shù)

文/韓曉蘭，趙升噸，范淑琴，徐凡·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

大型離心風(fēng)機(jī)葉輪輪盤(pán)熱鍛成形技術(shù)

文/韓曉蘭，趙升噸，范淑琴，徐凡·西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

大型離心風(fēng)機(jī)是我國(guó)冶金、石油、化工和制藥等行業(yè)的主要設(shè)備。葉輪是離心風(fēng)機(jī)部件中對(duì)氣體做功的惟一轉(zhuǎn)子件，葉輪通常由輪盤(pán)、葉片、蓋盤(pán)等組成，葉片焊在輪盤(pán)上，蓋盤(pán)焊在葉片上。在離心風(fēng)機(jī)中，蓋盤(pán)和輪盤(pán)是成對(duì)配合使用的。一臺(tái)離心風(fēng)機(jī)有時(shí)也會(huì)用到多組的蓋盤(pán)和輪盤(pán)。輪盤(pán)是離心風(fēng)機(jī)葉輪的主要組成部分之一，其形狀和加工制造質(zhì)量將直接影響到風(fēng)機(jī)的工作性能。本文所研究的風(fēng)機(jī)輪盤(pán)外形尺寸為1190mm，目前葉輪輪盤(pán)的制造方法是切削加工，包括粗加工和精加工兩個(gè)工序。葉輪輪盤(pán)所用材料為不銹鋼FV520B，該材料為專(zhuān)用材料，價(jià)格昂貴，采用切削加工存在材料利用率低、制造成本高等問(wèn)題。在日益競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境下，如何采用新型制造方法生產(chǎn)出低成本、高質(zhì)量的輪盤(pán)成為企業(yè)所關(guān)注的重點(diǎn)。本文采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究相結(jié)合的方法開(kāi)展了葉輪輪盤(pán)成形工藝的研究。

鍛造工藝

葉輪輪盤(pán)是一種較復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)體構(gòu)件，其中心部位有孔且厚度最大，外側(cè)厚度小，中心部位的厚度比邊部大很多。根據(jù)機(jī)械加工余量確定的輪盤(pán)鍛件如圖1所示。

輪盤(pán)鍛件質(zhì)量為889kg，芯料質(zhì)量和燒損質(zhì)量為54kg，所以坯料總重為943kg。根據(jù)鐓粗鍛造時(shí)高徑比的關(guān)系，可確定棒料的尺寸為D=450mm，H=680mm。

圖1 輪盤(pán)鍛件圖

圖2 輪盤(pán)成形工藝流程圖

該鍛件的坯料采用棒狀坯料，其成形工藝流程如圖2所示，輪盤(pán)的新成形工藝包括以下步驟：下料（圖2a），按照塑性變形體積不變的原則將棒料鋸成坯料；鐓粗（圖2b），將坯料鍛造到一定高度，鍛造出胎模側(cè)的凸臺(tái)；旋鍛（圖2c），將鐓粗后的坯料鍛造到指定高度，鍛造出自由鍛側(cè)的凸臺(tái)；沖孔（圖2d），將旋鍛結(jié)束后的工件進(jìn)行沖孔。

數(shù)值模擬

在熱模擬壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立輪盤(pán)用材料FV520B的高溫本構(gòu)方程，基于DEFORM-3D軟件，對(duì)大型離心風(fēng)機(jī)葉輪輪盤(pán)的熱鍛塑性成形工藝進(jìn)行了數(shù)值模擬，為實(shí)際的模具設(shè)計(jì)和設(shè)備的選擇提供了理論依據(jù)。

根據(jù)輪盤(pán)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成形工藝要求，建立了輪盤(pán)成形工藝的鐓粗成形有限元模型。坯料的材料為FV520B，其應(yīng)力應(yīng)變曲線是通過(guò)材料熱模擬試驗(yàn)得到的；上模和下模的材料直接用DEFORM-3D自帶的材料庫(kù)中的AISI-H-13［1450-1850F（800-1000C）］。摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導(dǎo)系數(shù)為11。坯料劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)為41900，節(jié)點(diǎn)數(shù)為9324；考慮模具的熱傳導(dǎo)作用，將模具也劃分了網(wǎng)格，上模單元數(shù)為3764，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1017；下模單元數(shù)為21368，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4978。最終得到的鐓粗有限元模型如圖3所示。

從鍛造降溫情況來(lái)看，將鐓粗調(diào)整為三火成形，鍛造開(kāi)始時(shí)將鐓粗上下模具的溫度設(shè)置為300℃，鐓粗第一火始鍛溫度為1150℃，鐓粗220mm，使得工件高度達(dá)到465mm，鐓粗力的最大值為722t。在坯料溫度低于終鍛溫度850℃時(shí)，需要對(duì)坯料進(jìn)行再次加熱。在鐓粗第一火成形的基礎(chǔ)上，將坯料溫度設(shè)為1150℃后，再進(jìn)行第二火的鐓粗成形，向下壓80mm后停止，工件總高度為405mm，鐓粗力的最大值為718.5t。之后進(jìn)行第三火鐓粗，鐓粗工件溫度設(shè)為1135℃，鐓粗力的最大值為1553.3t。在鐓粗的過(guò)程中，在坯料與模具的接觸面上產(chǎn)生的應(yīng)力相對(duì)比較大，等效應(yīng)力如圖4所示。在上述成形過(guò)程中，鐓粗力均小于2000t。

在輪盤(pán)成形過(guò)程中，首先鍛造出輪盤(pán)胎模側(cè)的凸臺(tái)，再進(jìn)行自由鍛側(cè)凸臺(tái)的旋轉(zhuǎn)鍛造。輪盤(pán)旋鍛成形有限元模型如圖5所示，旋鍛錘頭、坯料及下模的材料均與前面的設(shè)置相同：摩擦系數(shù)為0.3，熱傳導(dǎo)系數(shù)為11；坯料劃分網(wǎng)格后的單元數(shù)為36292，節(jié)點(diǎn)數(shù)為8286；旋鍛錘頭單元數(shù)為5886，節(jié)點(diǎn)數(shù)為1418；下模單元數(shù)為21368，節(jié)點(diǎn)數(shù)為4978。

圖3 輪盤(pán)鐓粗成形有限元模型

圖4 輪盤(pán)鐓粗成形過(guò)程中等效應(yīng)力變化情況

圖5 輪盤(pán)旋鍛成形有限元模型

旋鍛時(shí)工件的初始溫度為1135℃，模具的溫度為300℃，旋鍛時(shí)旋鍛錘頭加載的最大力約為1639.4t。旋鍛后工件的等效應(yīng)力分布情況如圖6a所示，旋鍛過(guò)程中的成形力曲線如圖6b所示。

輪盤(pán)沖孔成形有限元模型及坯料、上模、下模和沖頭的材料均與前面的設(shè)置相同，通過(guò)數(shù)值模擬可以知道沖孔過(guò)程中沖頭對(duì)工件施加的最大力約為223.6t。

通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)輪盤(pán)成形工藝過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化，在上模加載速度大于80mm/s時(shí)，坯料與模具接觸產(chǎn)生的等效應(yīng)力較小。此外，輪盤(pán)鐓粗及旋鍛成形方法具有成形力小的特點(diǎn)，在2000t的壓機(jī)上即可進(jìn)行鍛造加工，且鍛造凸臺(tái)時(shí)采用的模具簡(jiǎn)單，主要包括胎模、墊板及壓環(huán)3個(gè)部分，通過(guò)更換不同的墊板和壓環(huán)，可鍛造不同尺寸的凸臺(tái)，適用于輪盤(pán)的小批量成形。

圖6 輪盤(pán)旋鍛成形等效應(yīng)力圖和成形力曲線

圖7 未沖孔的輪盤(pán)鍛件

圖8 鍛造前后微觀組織的對(duì)比

工藝試驗(yàn)

在上述模擬的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了輪盤(pán)熱鍛成形的模具，選用2000t的壓機(jī)，選擇棒狀坯料熱鍛成形。輪盤(pán)的鐓粗及旋鍛成形過(guò)程始鍛溫度為（1180±10）℃，終鍛溫度不低于850℃，鍛造比取3，鐓粗φ490mm后滾圓，然后鍛至工藝尺寸后進(jìn)行沖孔、修整成形。最終得到的未沖孔的輪盤(pán)鍛件如圖7所示。

事實(shí)證明，2000t的壓機(jī)可以成功地試制出輪盤(pán)。該熱鍛成形方案所試制出的輪盤(pán)零件，比傳統(tǒng)的切削加工輪盤(pán)零件節(jié)約材料，節(jié)材率達(dá)30％。對(duì)熱鍛成形方案試制出的輪盤(pán)鍛件進(jìn)行表面切削加工后的結(jié)果表明，該鍛件表面無(wú)夾雜、凹坑、氣孔等缺陷，外觀質(zhì)量滿足實(shí)際要求。如圖8所示，該鍛件的金相組織結(jié)果表明，鍛件的內(nèi)部組織也得到了明顯的細(xì)化。

結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)鍛件質(zhì)量檢驗(yàn)，大型離心風(fēng)機(jī)葉輪輪盤(pán)尺寸及性能均達(dá)到要求。與傳統(tǒng)的工藝相比，熱鍛成形的節(jié)材率達(dá)30％。大型離心風(fēng)機(jī)葉輪輪盤(pán)的研制成功表明，在科學(xué)、合理的工藝方案的基礎(chǔ)上，利用現(xiàn)有設(shè)備、采用新工藝，可實(shí)現(xiàn)大型盤(pán)類(lèi)鍛件的生產(chǎn)。

韓曉蘭，博士研究生，研究方向?yàn)橄冗M(jìn)的成形控制技術(shù)。

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