大型轉(zhuǎn)子鍛件局部表面缺陷修復(fù)的數(shù)值模擬

■天津重型裝備工程研究有限公司　季雪，曹志遠(yuǎn)，鄭會(huì)賽，時(shí)立佳

大型轉(zhuǎn)子鍛件局部表面缺陷修復(fù)的數(shù)值模擬

■天津重型裝備工程研究有限公司季雪，曹志遠(yuǎn)，鄭會(huì)賽，時(shí)立佳

發(fā)電設(shè)備向著大容量方向發(fā)展，機(jī)組不斷大型化，使轉(zhuǎn)子鍛件尺寸、重量隨之增加，對(duì)材料力學(xué)性能要求也越來(lái)越高。鋼錠越大，偏析越嚴(yán)重，內(nèi)部缺陷越多，對(duì)鍛造要求也越高。為達(dá)到壓實(shí)目的，達(dá)到相應(yīng)鍛造比，壓下量增大，砧子搭接部位難免留下折傷；鍛件重量增加，鍛造難度加大，多次返爐、換附具，吊鉗難免在軸身留下抓痕。而近年鍛造倡導(dǎo)近凈成形，隨著節(jié)能降耗的推進(jìn)，鍛造余量也越來(lái)越少，因此大型轉(zhuǎn)子鍛件有可能由于局部的折傷、抓痕等缺陷而達(dá)不到交貨要求，面臨報(bào)廢。

由于轉(zhuǎn)子鍛件交貨前大都需要開(kāi)槽，開(kāi)槽前如果將有多料部位的余量通過(guò)某種附具某種方法流動(dòng)到缺料部位，即可達(dá)到消除表面缺陷的目的。為此，進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬，以解決大型轉(zhuǎn)子鍛件件大而局部缺陷很小的問(wèn)題。

1. 局部存在尺寸缺陷轉(zhuǎn)子

現(xiàn)有存在表面缺陷的大型轉(zhuǎn)子鍛件，其現(xiàn)狀為鍛后粗加工階段，如圖1a所示。在軸身部位存在軸向長(zhǎng)度約40mm、徑向尺寸較交貨目標(biāo)直徑（φ1900mm）單面約6mm的不規(guī)則缺陷。其交貨圖見(jiàn)圖1b，最大截面直徑為φ1900mm，總長(zhǎng)度為8000mm，軸身長(zhǎng)4500mm，軸身有凹槽。缺陷位置對(duì)應(yīng)交貨圖中220mm凸臺(tái)處，凸臺(tái)兩側(cè)各有軸向長(zhǎng)度為250mm和140mm的凹槽，槽深均為585mm。

2. 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

如上述缺陷可通過(guò)模具擠壓，將多料部位金屬流向缺料部位，使工件最終尺寸滿足交貨要求，實(shí)際生產(chǎn)前需進(jìn)行數(shù)值模擬，尋求合理模具及方式進(jìn)行修復(fù)。

由于缺陷部位相對(duì)整個(gè)軸身尺寸極小，如果建模時(shí)預(yù)置缺陷，即使將局部網(wǎng)格細(xì)化，變形過(guò)程也極易產(chǎn)生網(wǎng)格畸變，不斷重分網(wǎng)格，以致缺陷部位被網(wǎng)格覆蓋，導(dǎo)致模擬失真。如圖2所示，假設(shè)實(shí)際工件為圖2a粗線輪廓，Ⅰ框內(nèi)為缺陷缺料部位，可建模為圖2b粗線輪廓（即無(wú)缺陷表面），只要使對(duì)應(yīng)缺陷Ⅱ部凸起部位的高度、寬度均大于Ⅰ部凹陷部位，即視為達(dá)到修復(fù)要求。

3. 數(shù)值模擬計(jì)算

圖1　轉(zhuǎn)子鍛件

圖2　缺陷形狀示意

（1）建立三維實(shí)體模型坯料模型設(shè)置長(zhǎng)度為4500mm，直徑φ1900mm（轉(zhuǎn)子軸身尺寸），在軸身部位開(kāi)槽（對(duì)應(yīng)交貨要求為凹槽部位），坯料、模具及模型具體尺寸如圖3所示，假設(shè)缺陷部位位于300mm的凸臺(tái)部位（此凸臺(tái)定義為A部）。

（2）網(wǎng)格及劃分由于變形量較大，網(wǎng)格選擇適應(yīng)邊界能力

強(qiáng)的四面體單元。一般來(lái)講，網(wǎng)格數(shù)目越多則結(jié)果越趨近于理論值。選擇的網(wǎng)格數(shù)目既要保證計(jì)算結(jié)果的收斂，又不能過(guò)多。經(jīng)過(guò)摸索，現(xiàn)將網(wǎng)格設(shè)置為20萬(wàn)個(gè)。

（3）邊界條件邊界條件包括力邊界條件、位移邊界條件。轉(zhuǎn)子的凹槽部位及軸身分別與上下模作接觸處理。將下模底部節(jié)點(diǎn)位移均設(shè)為零。錘頭的位移通過(guò)設(shè)置其步數(shù)和步長(zhǎng)給定。

（4）溫度場(chǎng)設(shè)置模具和室溫均設(shè)為20℃，且室溫恒定不變。工件溫度設(shè)置如圖4所示，A部設(shè)置溫度為950℃，其余部位設(shè)置為650℃。根據(jù)實(shí)際修復(fù)過(guò)程，計(jì)算分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段為工件在室溫中散熱，該階段為自由散熱過(guò)程，設(shè)定散熱時(shí)間為30min。第二階段為工件與上下模接觸，上模壓下的塑性變形的過(guò)程。工件外表面均設(shè)置為熱交換面。

4. 模擬結(jié)果

第一階段溫降30min后溫度場(chǎng)結(jié)果如圖5所示，A部溫度由950℃降至650～800℃。

當(dāng)錘頭下壓300mm時(shí)，溫度場(chǎng)及尺寸測(cè)量結(jié)果如圖5、圖6所示。A部軸向尺寸減小，徑向尺寸加大。為評(píng)價(jià)模擬結(jié)果，定義X、Y1、Y2三個(gè)尺寸，具體含義及壓前壓后尺寸對(duì)比如附表所示，同時(shí)結(jié)合圖6。結(jié)果表明A部軸向尺寸大于交貨圖樣要求的220mm，徑向返料約6.32379～18.0833mm，完全滿足軸向長(zhǎng)度約40mm、徑向尺寸約6mm的缺陷修復(fù)要求。

圖3　模擬模型

圖4　采用溫度場(chǎng)計(jì)算2#缺陷修復(fù)方案1后處理

圖5　采用溫度場(chǎng)計(jì)算2#缺陷修復(fù)方案1前處理

圖6　錘頭下壓300mm效果

模擬前后尺寸對(duì)比　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。╩m）

5. 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)大型轉(zhuǎn)子表面缺陷的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，局部加熱后，可以通過(guò)特殊附具進(jìn)行局部擠壓等方式，使坯料由多料部位流動(dòng)到缺料部位，達(dá)到局部修復(fù)的目的。此法可有效解決大型鍛件由于局部表面小缺陷而面臨報(bào)廢的問(wèn)題。

20150706