大型風(fēng)塔法蘭高效節(jié)材鍛造模具的研發(fā)

文／徐鋒，黃誠(chéng)，陸亞娟·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

大型風(fēng)塔法蘭高效節(jié)材鍛造模具的研發(fā)

文／徐鋒，黃誠(chéng)，陸亞娟·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

大型風(fēng)塔法蘭主要應(yīng)用于兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒的連接，由于其常安裝于惡劣的海洋性環(huán)境中，因此要求其有較高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、韌性及良好的耐高溫、耐低溫、耐腐蝕性能。目前國(guó)內(nèi)兆瓦級(jí)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒連接用法蘭一般采用傳統(tǒng)的矩形截面環(huán)件軋制方式生產(chǎn)，該生產(chǎn)方式在材料的利用率、產(chǎn)能方面效能較低，同時(shí)為保證法蘭內(nèi)部的力學(xué)性能和晶粒組織，通常需要對(duì)矩形截面的環(huán)件毛坯粗車后再進(jìn)行正火熱處理，制造成本高。我公司組織技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，設(shè)計(jì)開發(fā)出了一種新型的大型風(fēng)塔法蘭高效節(jié)材鍛造模具(采用二合一的異形截面環(huán)件軋制方式），大幅度節(jié)約了原材料，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的內(nèi)部組織與力學(xué)性能。

新型模具及工藝流程介紹

二合一的異形截面環(huán)件軋制方式的工藝流程方案為：下料→加熱→制坯→一火軋制矩形截面至規(guī)定尺寸→回爐保溫→二火采用專用芯輥模具軋制異形截面至規(guī)定尺寸→對(duì)半切開→正火→取樣→性能檢測(cè)→精加工→超聲波檢測(cè)，如圖1所示。新型芯輥軋制模具的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中芯輥為組合模具的安裝載體，上、下鎖緊件用于固定上壓蓋、下托盤，上壓蓋防止環(huán)件在軋制過程中產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，下托盤為環(huán)件軋制過程提供穩(wěn)定可靠的旋轉(zhuǎn)支撐，主成形模具為環(huán)件內(nèi)型腔成形的軋制模具。傳統(tǒng)矩形截面單片軋制環(huán)件的截面與二合一軋制異形截面環(huán)件的截面對(duì)比如圖3所示。

圖1 大型風(fēng)塔法蘭二合一軋制的基本工藝流程

數(shù)值模擬技術(shù)的應(yīng)用

如圖4所示為運(yùn)用FORGE 2011有限元分析軟件建立的兆瓦級(jí)大型風(fēng)塔法蘭二合一軋制的有限元模擬模型，其中黃色模型代表主軋輥，綠色模型代表新型組合芯輥模具，紅色模型代表矩形截面環(huán)件毛坯，紫粉色和藍(lán)色模型分別代表上、下錐輥。

基本成形過程的有限元模擬

如圖5所示，芯輥主模刀口剛切入環(huán)件毛坯，毛坯被芯輥主模從中間切開，由于主模上壓改善凸緣切入角有利于減少拉料現(xiàn)象的產(chǎn)生。

如圖7所示，環(huán)件毛坯的內(nèi)腔基本成形完成，由于模具自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在芯輥主軋模凸緣與上壓蓋、下托盤組成的直角部金屬充形不足，從而導(dǎo)致環(huán)件內(nèi)徑成形不完整，環(huán)件需在后續(xù)的精軋階段使內(nèi)徑充形完整，避免內(nèi)徑與上、下端面結(jié)合處出現(xiàn)塌邊現(xiàn)象。

如圖8所示，在精軋階段環(huán)件毛坯的內(nèi)徑與端面結(jié)合處的金屬得到補(bǔ)充，環(huán)件成形完整，內(nèi)腔成形輪廓清晰。

圖2 新型芯輥軋制模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 傳統(tǒng)矩形截面單片軋制環(huán)件截面(上）與二合一軋制異形截面環(huán)件截面(下）示意圖

圖4 有限元模擬模型

圖5 t=10s

圖6 t=70s

圖7 t=140s

軋制過程中問題的解決

芯輥主軋模、上壓蓋、下托盤、主軋輥在環(huán)件軋制過程中組成封閉式型腔，在整個(gè)軋制過程中環(huán)件未出現(xiàn)軸向竄動(dòng)現(xiàn)象，同時(shí)環(huán)件在軋制過程中由下托盤支撐隨芯輥一起旋轉(zhuǎn)，環(huán)件下端面摩擦阻力小，軋制過程平穩(wěn)，軋制的環(huán)件符合預(yù)定尺寸要求。不過在軋制過程中也出現(xiàn)了一些問題，具體如下：

⑴芯輥主軋模凸緣部分未設(shè)計(jì)工藝切入角，導(dǎo)致成形的環(huán)件內(nèi)腔表面粗糙，如圖9所示。

⑵上壓蓋工藝切入角太小，環(huán)件擠入成形時(shí)阻力大，材料流動(dòng)性差(圖10），環(huán)件上端面局部應(yīng)力過大(圖11），從而導(dǎo)致生產(chǎn)出來的環(huán)件表面出現(xiàn)裂紋和塌陷，如圖12所示。

圖9 環(huán)件內(nèi)腔表面粗糙

圖10 內(nèi)邊塌陷

圖11 環(huán)件上端面局部應(yīng)力過大(圖中顏色深處）

針對(duì)上述模擬結(jié)果和實(shí)際軋制結(jié)果，我們對(duì)芯輥主軋模凸緣部分和上壓蓋的切入角進(jìn)行了工藝調(diào)整(圖13、14），調(diào)整后環(huán)件擠入阻力減小，實(shí)際軋制出的環(huán)件內(nèi)腔表面光滑(圖15），端面也未出現(xiàn)裂紋、塌陷(圖16）。

圖12 實(shí)際軋制的環(huán)件表面出現(xiàn)裂紋和塌陷

圖13 改進(jìn)前后芯輥凸緣的結(jié)構(gòu)對(duì)比

圖14 改進(jìn)前后上壓蓋的結(jié)構(gòu)對(duì)比

芯輥受力分析

軋制過程中芯輥所受的軋制力與軋制力矩分別如圖17、18所示。由圖17可知，軋制所需的最大軋制力為549.39t，所需的平均軋制力為176.379t；由圖18可知，軋制所需的最大軋制力矩為260270N·m，所需的平均軋制力矩為79041.3N·m。

從圖17、18中還可以看出，軋制力、軋制力矩在整個(gè)軋制過程中一直處于波動(dòng)狀態(tài)，這也說明了環(huán)件的軋制是一個(gè)不穩(wěn)定的變形過程。

圖15 調(diào)整芯輥主軋模凸緣部位切入角后內(nèi)腔表面光滑

圖16 調(diào)整上壓蓋切入角后環(huán)件端面平整

結(jié)束語

研發(fā)兆瓦級(jí)大型風(fēng)塔法蘭二合一軋制專用芯輥模具的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

⑴節(jié)約原材料，生產(chǎn)效率高。采用二合一異形截面軋制工藝和新型芯輥模具生產(chǎn)的風(fēng)塔法蘭環(huán)鍛件與傳統(tǒng)的矩形截面單片軋制生產(chǎn)的風(fēng)塔法蘭環(huán)鍛件相比，原材料節(jié)約了17%，加工工時(shí)節(jié)省了30%，生產(chǎn)效率提高了1倍。

⑵模具成本低，研發(fā)效率高。金屬塑性成形CAE模擬仿真技術(shù)在該模具研發(fā)過程中的應(yīng)用，提高了模具的開發(fā)效率，避免了傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)方式設(shè)計(jì)、修改再設(shè)計(jì)的開發(fā)模式，大大縮短了模具的開發(fā)周期，降低了模具修改、加工造成的費(fèi)用，加快了該項(xiàng)目的計(jì)劃進(jìn)程。

⑶熱處理效率得到提高。二合一異形截面軋制工藝和新型芯輥模具的研制成功，去除了傳統(tǒng)矩形截面軋制完成后的粗車工序，同時(shí)異形截面更有利于提高鍛件的淬透性、內(nèi)部組織晶粒度和力學(xué)性能。

⑷模具設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)的優(yōu)化大大提高了鍛件的質(zhì)量。模具的工藝設(shè)計(jì)角對(duì)鍛件的內(nèi)、外質(zhì)量都有重要的影響，設(shè)計(jì)合理的模具切入角，能降低鍛件型腔表面的粗糙度，避免成形過程中阻力過大而產(chǎn)生裂紋等缺陷。

圖17 軋制力動(dòng)態(tài)變化圖

圖18 軋制力矩動(dòng)態(tài)變化圖