汽輪機導(dǎo)葉片多向模鍛制坯工藝技術(shù)研究

何應(yīng)強 謝 彬 龍正建 劉明松

(東方汽輪機有限公司制造技術(shù)處，四川618000)

多向模鍛是幾個方向?qū)ε髁线M行鍛造成形，它綜合了擠壓與模鍛的優(yōu)點，可以鍛出形狀復(fù)雜、尺寸精確、無飛邊、無拔模斜度的近成品中空鍛件，從而顯著提高材料利用率。金屬經(jīng)一次加熱和壓機一次行程便可使鍛件成形，減少模鍛工序，大大提高了生產(chǎn)效率，并且一次加熱成形使金屬發(fā)生大塑性變形，能夠強烈細化晶粒，使材料力學(xué)性能得到很大提高[1]。運用數(shù)值模擬技術(shù)分析多向模鍛成形工藝，可以得到金屬變形過程中的流動規(guī)律、應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等變化，通過模擬結(jié)果分析采取相應(yīng)的措施優(yōu)化工藝和提高模具壽命，從而減少生產(chǎn)試制周期，提高材料利用率和生產(chǎn)效率[2]。

本文對汽輪機導(dǎo)葉片多向模鍛制坯工藝進行研究，將自由鍛制坯、模鍛制坯、多向模鍛制坯工藝技術(shù)進行對比分析，多向模鍛制坯成形質(zhì)量最優(yōu)、效率最高，極大解決了自由鍛制坯一致性差、表面棱角多、微裂紋等缺陷。本文運用DEFORM-3D數(shù)值模擬技術(shù)詳細分析了葉片多向模鍛制坯成形過程，得到了鍛坯成形充填、溫度分布、應(yīng)力分布、載荷變化和模具溫度、應(yīng)力分布等情況。通過對這些數(shù)據(jù)分析，有效預(yù)測成形過程中存在的問題，從而采取相應(yīng)措施預(yù)防缺陷產(chǎn)生。

1 葉片制坯工藝分析

該模鍛葉片的毛坯簡圖如圖1所示，模鍛葉片單件鍛件重55 kg。傳統(tǒng)的模鍛葉片毛坯生產(chǎn)是由人工自由鍛加一定的輔助工裝鍛造而成，因此每個鍛件的毛坯不可能達到理論要求，且每個自由鍛毛坯形狀尺寸不盡相同，葉片毛坯表面質(zhì)量及其一致性差，這就較大影響了葉片鍛件模鍛成形質(zhì)量。自由鍛制坯實物如圖2所示，局部視圖如圖3所示。從圖中可以看出，自由鍛毛坯表面質(zhì)量較差、棱角分明，這些棱角的存在很可能形成鍛造過程中的折疊，甚至引起微裂紋的滋生。除表面質(zhì)量太差的鍛坯需要人工打磨光滑過渡外，一般情況下不會對每個毛坯進行打磨，因為打磨工作量相當(dāng)大，效率很低，效果也不明顯，會嚴(yán)重影響模鍛生產(chǎn)效率。為提高葉片制坯成形質(zhì)量，改善制坯形狀一致性差的狀況，盡量控制在一火次內(nèi)成形，提高制坯鍛件力學(xué)性能，以及提高制坯生產(chǎn)效率，有效降低模鍛葉片成形缺陷。只有通過模鍛制坯取代自由鍛制坯，才能改善自由鍛制坯質(zhì)量差等缺陷。如采用錘上模鍛制坯，雖然能提高制坯形狀的一致性和鍛坯的力學(xué)性能，但還需額外的切邊工裝，材料利用率和生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本并沒有得到減少?，F(xiàn)采用多向模鍛鐓鍛機來實現(xiàn)葉片制坯，就可以到達理論設(shè)計的毛坯形狀尺寸，將大大提高材料利用率、鍛坯力學(xué)性能及成形質(zhì)量。通過自由鍛制坯、模鍛制坯和多向模鍛制坯方式的對比分析，我們可以看出多向模鍛制坯將大大改善自由鍛制坯成形質(zhì)量，為葉片模鍛成形提供可靠的保障。

圖1 葉片毛坯簡圖 Figure 1 The blank of blade Figure

圖2 自由鍛制坯件 Figure 2 The blank made by free forging

圖3 自由鍛坯局部視圖Figure 3 Local view of the blank made by free forging

圖4 多向模鍛有限元分析模型Figure 4 Finite element analysis model of multi-ram forging

2 多向模鍛制坯有限元模型

本文運用DEFORM-3D軟件對葉片毛坯的多向模鍛成形工藝進行模擬分析。為簡化研究對象，忽略工具的彈性變形，將坯料定義為塑性體，模具為剛性體，有限元分析模型如圖4所示。模具材料為AISI-H-13，常溫20℃；坯料材料為1Cr12Mo(AISI-403)，始鍛溫度1 150℃，終鍛溫度870℃；環(huán)境溫度20℃，界面摩擦系數(shù)0.5(普通潤滑)。左右凸模的壓機速度設(shè)為15 mm/s，由于葉片毛坯左右分料不均，左端較右端少，在實際成形過程中左端先鐓鍛成形，右端后鐓鍛成形。生產(chǎn)過程中棒料采用的是中頻感應(yīng)加熱方式，充分保證了坯料溫度的精確控制及均勻分布。模擬分析時定義坯料從感應(yīng)加熱爐到模具開始成形之間與空氣熱交換的時間為8 s，成形過程均考慮坯料與環(huán)境、工具間相互熱交換。

3 有限元模擬結(jié)果分析

3.1 塑性變形結(jié)果分析

通過數(shù)值模擬分析得到了坯料在多向模鍛鐓鍛機中的成形情況。本文主要分析了鐓鍛過程中坯料不同區(qū)域發(fā)生的溫度變化，溫度點的選取如圖5所示，時間-溫度曲線如圖6所示；坯料在模具中的充填情況如圖7所示；坯料充填成形后的溫度分布如圖8所示；等效應(yīng)力分布如圖9所示。

從各溫度點的時間-溫度曲線變化圖可以看出，P1、P3點分別為坯料端部、中部與凸模、凹模接觸區(qū)域，該區(qū)域在坯料變形過程中始終與模具接觸進行熱交換，因而溫度從坯料開始接觸模具時直線下降，表面最低溫度只有690℃。P2、P4點分別為坯料左、右端最終充填部位，開始變形時該區(qū)域處于自由變形，未與模具接觸，坯料只與環(huán)境空氣進行熱交換，溫度散失較小，當(dāng)左端先充填成形時與凹模型腔接觸并進行熱交換，因而左端溫度開始直線下降。左端完成充填成形后保持靜止，右端則繼續(xù)鐓鍛變形，在變形后階段與凹模型腔接觸，溫度同樣開始直線下降。

圖5 溫度點的選取Figure 5 The selection of temperature points

圖6 時間-溫度曲線Figure 6 The curve between time and temperature

圖7 多向模鍛充填成形Figure 7 Filling formation by multi-ram forging

圖8 成形溫度分布Figure 8 Formation temperature distribution

圖9 成形應(yīng)力分布Figure 9 Formation stress distribution

從多向模鍛充填結(jié)果圖7可以看出，充填成形效果較好，達到設(shè)計要求。從圖8、圖9可以看出，坯料成形中與模具接觸的A、B、C區(qū)域冷卻較快，而D區(qū)域兩端始終處于變形階段。由于坯料成形過程中吸收能量發(fā)生塑性變形，因此其主要變形區(qū)域溫度反而升高，靠近右端面變形量較左端大，且是后期充填成形，因而溫度分布較高，等效應(yīng)力也較大。坯料充填成形后應(yīng)力主要分布在兩端主要變形區(qū)域表層，尤其在圓角過渡處應(yīng)力值較大，因此在葉片錘鍛成形前需要去應(yīng)力退火。從A、C端面看，溫度和等效應(yīng)力都存在明顯的分界線，形成一個環(huán)狀，這是由于棒料不同兩部分區(qū)域變形到一個端面的結(jié)果，分界線內(nèi)區(qū)域為棒料原始端面，該區(qū)域由于始終與凸模接觸，產(chǎn)生較小的塑性變形，因而溫度散失最快，等效應(yīng)力最小，分界線外環(huán)形區(qū)域為棒料靠近端面的柱面金屬，該區(qū)域金屬始終處于變形區(qū)，成形后期才與凸模接觸，因而溫度散失較小，等效應(yīng)力較大。實際生產(chǎn)中成形產(chǎn)品兩端面就是存在這樣明顯的環(huán)形區(qū)域。

3.2 載荷變化分析

多向模鍛成形過程中上下凹模X向受力分析見圖10，Z向受力分析見圖11；左右凸模X向受力分析見圖12，Z向受力分析見圖13。

從上下凹模X、Z向受力曲線看，上下凹模受力情況始終一致。左端完成充填時X向最大載荷565 t和552 t，即此時上下凹模水平單向受到的載荷作用。右端充填時載荷148 t和170 t。左端充填時Z向載荷831 t和827 t，右端充填時出現(xiàn)最大載荷1 460 t。左端完成充填后保持靜止，此時上下凹模沒有了左凸模鐓鍛力繼續(xù)作用，受力急速下降，而當(dāng)右端坯料開始充填型腔時上下凹模和右凸模受力開始急劇增加，如圖11、12所示。左右凸模在坯料變形過程中受力情況不一致，從X、Z向受力曲線可以看出，左端完成充填時左凸模受力到達一個峰值1 280 t，而此時右凸模受力僅有142 t，由此可以得知此時凹模受到一個1 138 t的左端側(cè)向力，與上下凹模此時受力情況一致，這就要求模具在橫向要有抵抗此側(cè)向力的措施，因此在設(shè)計模具時橫向上圓角應(yīng)盡量大，否則容易開裂失效，同時在橫向右端設(shè)置加強定位銷抵抗左端側(cè)向力。左端充填后保持靜止，左凸模受力急劇下降，右凸模不受影響。當(dāng)右端充填時，右端產(chǎn)生一個較大側(cè)向力，迫使左凸模受到一個相對作用力，并最終達到左凸模受力1 090 t和右凸模受力1 420 t。從模具受力變化得知，左右端在充填后期，凸模每一小量的進給，變形抗力成倍增加，這是由于閉式鍛造中無飛邊產(chǎn)生，坯料金屬無變形流動空間，這就要求棒料下料尺寸精確，否則容易導(dǎo)致模具開裂、壽命極大下降。該設(shè)備每個油壓缸滑塊的最大供給力為1 500 t，充填過程滿足設(shè)備生產(chǎn)能力。

圖10 上下凹模X向受力Figure 10 Force in X direction of upper and lower female die

圖11 上下凹模Z向受力Figure 11 Force in Z direction of upper and lower female die

圖12 左右凸模X向受力Figure 12 Force in X direction of right and left male die

圖13 左右凸模Z向受力Figure 13 Force in Z direction of right and left male die

3.3 模具溫度分析

多向模鍛鐓鍛過程中，由于坯料與模具有接觸傳熱，摩擦做功產(chǎn)熱，以及熱功轉(zhuǎn)換等原因，導(dǎo)致模具型腔溫度會不斷升高[3]。經(jīng)分析得知多向模鍛制坯過程中上下凹模型腔的溫度分布比較一致，而左右型腔溫度分布是不一致的，這是因為坯料在左型腔先鐓鍛充填成形，產(chǎn)生較多的熱交換，右型腔后鐓鍛充填成形，與模具熱交換較少。左右凸模溫度分布略有不同，如圖14所示。

從圖中可以看出，凹模左型腔溫度明顯高于右型腔，這是因為左型腔先充填成形，坯料與模具熱交換時間較長，獲得的熱量較多。圖中還顯示左右型腔與中部過渡圓角溫度明顯高于其它部位，該區(qū)域溫度的升高不僅因為坯料熱交換時間長，還與該區(qū)域受擠壓、摩擦做功傳遞大量熱量有很大影響，此處的高溫會嚴(yán)重影響模具的強度，模具磨損嚴(yán)重，時間過長容易造成圓角塌陷，與實際生產(chǎn)中模具該處磨損、塌陷情況相符，因此在模具制造中要充分考慮到圓角處要有足夠的硬度。左右凸模溫度僅在與坯料接觸區(qū)域發(fā)生熱交換，同樣因為左端先鐓鍛成形與坯料接觸面積較大，因而左凸模端面溫度較高。

3.4 模具應(yīng)力分析

在對模具作應(yīng)力分析時，一般先考慮較大載荷對模具的受力影響，從上述模具載荷變化情況得知，當(dāng)左端充填時模具型腔受到左端較大側(cè)向力作用，坯料右端充填時也受到較大載荷作用力，本文即從上述兩種情況分別對模具受力作有限元分析，分析結(jié)果如圖15、圖16所示。

當(dāng)左端充填時，凹模應(yīng)力集中于左型腔，模具圓角過渡處應(yīng)力值最大415 MPa，應(yīng)力集中主要是坯料此時已充滿左型腔，左型腔受熱、摩擦作用，而右型腔還沒與坯料接觸。此時左凸模應(yīng)力值也比右凸模大，與模具載荷情況一致，且左凸模上凹模溫度下凹模溫度左凸模溫度右凸模溫度圓角過渡處應(yīng)力值最大1 000 MPa，遠高于右凸模。由此可以看出在模具設(shè)計的時候應(yīng)盡量考慮大圓角過渡，從而提高模具強度和壽命。當(dāng)右端充填時，上下凹模應(yīng)力主要集中于右型腔，模具圓角過渡處應(yīng)力值最大1 110 MPa，這與成形后期右型腔坯料發(fā)生較大塑性變形有關(guān)，與此時模具受到最大載荷作用相一致。此時左右凸模應(yīng)力分布較一致，在圓角過渡處應(yīng)力值最大1 900 MPa。因此該區(qū)域應(yīng)力集中是模具失效的主要原因，容易導(dǎo)致模具開裂、塌陷等缺陷，分析結(jié)果與模具在實際生產(chǎn)中的情況吻合。為此可采取相應(yīng)措施來改善模具受力情況，如使用較好的模具材料和潤滑劑，模具型腔表面強化等來防止模具缺陷的產(chǎn)生，從而提高模具使用壽命。

圖14 模具溫度分布

Figure 14 Mould temperatures distributions

上模應(yīng)力場 下模應(yīng)力場左凸模應(yīng)力場右凸模應(yīng)力場

圖15 左端成形時模具應(yīng)力場

Figure 15 Mould stress field when formation at left side

上模應(yīng)力場 下模應(yīng)力場左凸模應(yīng)力場右凸模應(yīng)力場

圖16 右端成形時模具應(yīng)力場

Figure 16 Mould stress field when formation at right side

4 生產(chǎn)試驗

該模鍛葉片多向模鍛制坯經(jīng)實際生產(chǎn)試鍛后的結(jié)果如圖17所示，端面局部視圖如圖18所示。

圖17 多向模鍛試鍛產(chǎn)品Figure 17 The product by multi-ram forging on trial

圖18 端面局部視圖Figure 18 Local view of end face

通過實際生產(chǎn)對比可以看出，多向模鍛制坯成形質(zhì)量明顯好于自由鍛制坯產(chǎn)品，極大提高了材料利用率和鍛坯質(zhì)量，提高了鍛件力學(xué)性能，解決了自由鍛尺寸與理論尺寸不一致、鍛件毛坯一致性差、表面棱角多、容易出現(xiàn)裂紋等問題，為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供了保障。葉片鍛件經(jīng)檢查質(zhì)量合格，滿足設(shè)計要求，生產(chǎn)試驗與數(shù)值模擬分析結(jié)果基本相符。

5 結(jié)論

本文通過對汽輪機導(dǎo)葉片制坯工藝進行對比分析，并運用DEFORM-3D軟件對多向模鍛制坯工藝過程及模具受力情況進行數(shù)值模擬分析，得到了以下結(jié)論：

(1)多向模鍛制坯極大提高了材料利用率和鍛坯質(zhì)量，解決了自由鍛尺寸與理論尺寸不一致、

鍛件毛坯一致性差、表面棱角多、容易出現(xiàn)裂紋等問題，為提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量提供了保障。

(2)經(jīng)數(shù)值模擬分析得知，多向模鍛鐓鍛過程中坯料不同區(qū)域溫度變化、應(yīng)力變化差別較大。左端先充填成形溫度急劇下降，坯料靠近兩端面中部因塑性變形做功溫度升高，鐓鍛后坯料兩端面有明顯的環(huán)形分區(qū)，模具左右型腔過渡圓角處溫度最高，最容易出現(xiàn)磨損、塌陷失效。

(3)從模具載荷變化和應(yīng)力分析得知，當(dāng)左端充填時，模具橫向受到單向較大側(cè)向力作用，模具型腔過渡圓角應(yīng)力較大，因此模具設(shè)計時橫向過渡圓角要大，并設(shè)置加強定位銷。當(dāng)右端充填時，模具受到很大相對立的作用。坯料在左右充填成形后期，凸模每一小量的進給，變形抗力成倍增加，這是由于閉式鍛造中無飛邊產(chǎn)生，坯料金屬無變形流動空間，這就要求棒料下料尺寸精確，否則容易導(dǎo)致模具開裂、壽命極大下降。

[1] 鄭彬彬，等.三通閥體多向模鍛工藝研究[J].精密成形工程，2010，02(5).

[2] 王開全.汽輪機葉片精密模鍛技術(shù)CAD與CAE研究[J].秦皇島:燕山大學(xué)，2004.

[3] 謝彬.模鍛葉片成形過程的數(shù)值模擬研究.2006年泛珠三角鍛壓年會，2006.