300 MW Mn18Cr18N護(hù)環(huán)模內(nèi)沖孔工藝試驗(yàn)與數(shù)值模擬的研究

李 洋 王鵬剛

(1.太原科技大學(xué)重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西030024；2.二重(德陽(yáng))重型裝備有限公司鑄鍛公司，四川618000)

護(hù)環(huán)是汽輪發(fā)電機(jī)組的重要零部件之一，對(duì)轉(zhuǎn)子端部繞組起著固定、保護(hù)、位移和偏心等作用[1-2]。同時(shí)它承受轉(zhuǎn)子繞組端部及自身離心力和彎曲應(yīng)力等，且護(hù)環(huán)鋼采用形變強(qiáng)化，所以它存在一定的殘余應(yīng)力[3]。為了保證承受應(yīng)力最高的部件的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，護(hù)環(huán)需要足夠高的強(qiáng)度、塑性、均勻的力學(xué)性能和最小的殘余應(yīng)力，對(duì)于300 MW以上機(jī)組護(hù)環(huán)的屈服強(qiáng)度要求在1000 MPa以上[4]。護(hù)環(huán)工作在溫度大于100℃的強(qiáng)磁場(chǎng)和腐蝕介質(zhì)中，因此為減少端部線圈電流損失和防止工作溫度過(guò)高，護(hù)環(huán)一般采用奧氏體鋼制造。由于護(hù)環(huán)特殊的工況和使用條件，需要其具有較高的抗應(yīng)力腐蝕能力[5-6]。目前國(guó)內(nèi)的300 MW以上發(fā)電機(jī)護(hù)環(huán)基本上均采用Mn18Cr18N系列鋼，一些科研工作者對(duì)50Mn18Cr4系列鋼護(hù)環(huán)的應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂現(xiàn)象等報(bào)道較多，但對(duì)于Mn18Cr18N鋼沖孔工藝試驗(yàn)研究甚少[7]。發(fā)展大型核電產(chǎn)業(yè)中超臨界機(jī)組可顯著提高機(jī)組的發(fā)電效率，因此發(fā)展以超臨界發(fā)電機(jī)組為主的發(fā)電技術(shù)時(shí)不我待，其中重要的就是關(guān)鍵零部件選材和制造技術(shù)水平，例如轉(zhuǎn)子、缸體、護(hù)環(huán)等，如何通過(guò)引進(jìn)、自主研究、開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)制造技術(shù)是發(fā)展超臨界機(jī)組發(fā)電機(jī)組的關(guān)鍵[8-9]。為了提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，縮短生產(chǎn)流程，我們還需要在前人的基礎(chǔ)上探索新的護(hù)環(huán)制造方法和工藝流程[10]。

鑒于此，本文針對(duì)300 MW燃煤發(fā)電機(jī)采用的Mn18Cr18N鋼護(hù)環(huán)，通過(guò)研究沖孔工藝環(huán)節(jié)，采用鉛材料縮比試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)模內(nèi)沖孔新工藝進(jìn)行試驗(yàn)探索，觀察、分析沖孔后制件的形狀和表面質(zhì)量，得出鍛造護(hù)環(huán)鋼Mn18Cr18N坯料的模內(nèi)沖孔新工藝，為確定其合理的生產(chǎn)試制以及護(hù)環(huán)沖孔工藝路線提供一定理論依據(jù)和實(shí)際指導(dǎo)意義。

表1 沖孔試驗(yàn)方案及坯料尺寸Table 1 Punching test scheme and blank dimensions

1 試驗(yàn)與數(shù)值模擬

1.1 試驗(yàn)材料、設(shè)備與方法

1.1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

由于鉛材料具有熔點(diǎn)低、材質(zhì)較軟的特性且能重復(fù)利用，同時(shí)，為了降低試驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度，我們選用鉛做縮比試驗(yàn)材料，比例約為1∶11，坯料機(jī)加工前的尺寸如圖1所示。綜合考慮坯料不同橫截面形狀、沖孔前坯料是否鐓粗以及圓柱與長(zhǎng)方體過(guò)渡部分有無(wú)倒角對(duì)沖孔后制件形狀和表面質(zhì)量的影響制定試驗(yàn)方案，如表1所示。機(jī)加工后坯料如圖2所示。主要試驗(yàn)設(shè)備為YE-100t壓力試驗(yàn)機(jī)，壓力機(jī)沖頭直徑為30 mm、高度為200 mm。試驗(yàn)中主要用到空心圓柱筒模具，模具內(nèi)徑為70 mm，外徑為120 mm，高度為190 mm。

圖1 坯料機(jī)加工前尺寸Figure 1 Dimensional drawing before blank processing

圖2 坯料機(jī)加工后實(shí)物圖Figure 2 Picture after blank processing

1.1.2 試驗(yàn)方法

利用金屬在沖孔過(guò)程中體積不變?cè)?，首先利用銑床銑掉圓柱坯料表面的部分坯料(部分坯料根據(jù)DEFORM-3D計(jì)算得出，并且盡量使剩余材料的體積大致等于沖孔后制件的體積，計(jì)算后坯料的尺寸如表1所示)，然后在YE-100t壓力機(jī)上沖孔，從而使沖孔內(nèi)的材料轉(zhuǎn)移至銑掉的面上。具體試驗(yàn)步驟：先將空心圓柱筒模具放到壓力機(jī)正下方，再將坯料放入模具內(nèi)，然后將沖頭移動(dòng)到坯料的正上方中心處，最后開(kāi)啟壓力機(jī)工作按鈕。

試驗(yàn)中需要注意：沖頭必須移動(dòng)到與壓力機(jī)壓塊接觸的正中間，以防止偏載；保證沖頭在移動(dòng)過(guò)程中始終與工作臺(tái)面垂直；模具與坯料接觸的部分應(yīng)該涂潤(rùn)滑油從而降低摩擦。

1.2 數(shù)值模擬

1.2.1 模型的建立

通過(guò)三維軟件建立上模具沖頭、空心圓柱筒模具以及下模具圓柱墊片(沖頭直徑30 mm，高度200 mm；空心圓柱筒模具內(nèi)徑70 mm，外徑120 mm，高度190 mm；圓柱墊片直徑70 mm，高度5 mm)。根據(jù)試驗(yàn)二、試驗(yàn)五、試驗(yàn)六的坯料尺寸進(jìn)行建模，分別得到模擬一、二、三的有限元模型，如圖3所示。坯料為剛塑性材料，采用4節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，體單元數(shù)選為150 000；模具為剛性體，不需要?jiǎng)澐志W(wǎng)格。

1.2.2 仿真約束條件及參數(shù)

本次模擬選用的材料為Mn18Cr18N；坯料定義為剛塑性材料，初始溫度為1200℃；模具定義為剛體，初始溫度設(shè)置為200℃；環(huán)境溫度定義為20℃；考慮坯料、模具以及環(huán)境之間的熱傳遞，熱傳遞因子定義為5；上模具下壓速度設(shè)置為1 mm/s；坯料與模具的摩擦方式為剪切摩擦模型，摩擦因子定義為0.3。

圖3 有限元模型Figure 3 The finite element model

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在相同工藝參數(shù)條件下，不同形狀坯料沖孔后的制件如圖4所示。

圖4 坯料沖孔后實(shí)物圖Figure 4 Picture after blank punching

從圖4(a)、圖4(b)可看出，試驗(yàn)一、試驗(yàn)二中制件沖型效果不理想，表面質(zhì)量不合格，均未能達(dá)到實(shí)際生產(chǎn)要求。同時(shí)，制件端面處不光滑且存在明顯的毛刺。但試驗(yàn)二中制件端面的毛刺較少，且制件形狀和表面質(zhì)量相對(duì)于試驗(yàn)一有進(jìn)一步改善。這就說(shuō)明當(dāng)坯料上、下橫截面不同時(shí)，在圓柱與長(zhǎng)方體過(guò)渡部分進(jìn)行倒角，有助于改善沖孔后制件的形狀和表面質(zhì)量。

從圖4(c)、圖4(d)可看出，試驗(yàn)三中制件表面存在局部未充滿的缺陷且端面殘余的坯料較多，試驗(yàn)四中制件的表面局部未充滿的缺陷得到了改善，且毛刺相對(duì)于試驗(yàn)三明顯減少。這就說(shuō)明在相同的試驗(yàn)條件下，對(duì)坯料進(jìn)行微量鐓粗有助于解決坯料表面局部未充滿的缺陷以及減少端面毛刺，能有效提高材料利用率，但是試驗(yàn)四中坯料的沖型效果仍不理想。

從圖4(c)、圖4(e)、圖4(f)可看出，試驗(yàn)六制件的形狀和表面質(zhì)量最好，試驗(yàn)五次之，試驗(yàn)三最差，這就說(shuō)明：在相同的工藝參數(shù)下，沖孔后制件的形狀和表面質(zhì)量與沖孔前坯料的橫截面尺寸有關(guān)。相對(duì)于試驗(yàn)三、試驗(yàn)五中的制件，試驗(yàn)六中制件端面比較光滑且毛刺較少。分析其原因是：試驗(yàn)六中坯料與模具之間的間隙均勻且最小，沖頭在沖孔過(guò)程中受到的阻力恒定，這有利于金屬平穩(wěn)的流動(dòng)。就制件形狀和表面質(zhì)量而言，六方體坯料的沖型效果最好，也能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

2.2 模擬結(jié)果與分析

圖5為模擬一、二、三第100步時(shí)的金屬流動(dòng)性圖。圖6為模擬一、二、三第300步時(shí)的金屬流動(dòng)性圖。

圖5 第100步時(shí)金屬流動(dòng)圖Figure 5 Metal flow diagram at 100th steps

圖6 第300步時(shí)金屬流動(dòng)性圖Figure 6 Metal flow diagram at 300th steps

從圖5、圖6可看出，坯料與沖頭直接接觸的部分金屬流動(dòng)最快，這是因?yàn)樵撎幗饘僦苯邮艿經(jīng)_頭的擠壓作用，所以此處的金屬會(huì)沿著軸線向下流動(dòng)；沖頭周?chē)呐髁嫌捎谂c沖頭的距離相對(duì)較遠(yuǎn)，金屬在流動(dòng)的過(guò)程中受到摩擦力以及沖孔力的共同作用使金屬沿著與工件軸線呈45°的方向流動(dòng)。沖孔過(guò)程中，模擬二的金屬流動(dòng)比模擬一平穩(wěn)，一方面是因?yàn)槟M二中的坯料形狀比模擬一規(guī)則，另一方面模擬二的坯料與模具的間隙在整個(gè)沖孔過(guò)程中是不變的，這有利于金屬平穩(wěn)流動(dòng)。模擬三中的金屬流動(dòng)最平穩(wěn)，原因是：坯料與模具有效接觸面積最大且間隙最短，增強(qiáng)了金屬流動(dòng)的平穩(wěn)性。在相同工藝參數(shù)和特定分析步的條件下，不同橫截面坯料沖孔完成的程度也不同，顯然，完成模擬三所需要的時(shí)間最短。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在沖孔過(guò)程中坯料橫截面形狀對(duì)金屬流動(dòng)性影響較大。就沖孔過(guò)程中金屬流動(dòng)的平穩(wěn)性及流動(dòng)速率而言，對(duì)六方體坯料沖孔效果最好。

3 結(jié)論

(1)對(duì)圓柱與長(zhǎng)方體過(guò)渡部分進(jìn)行倒角能夠改善沖孔后制件的表面質(zhì)量和形狀。

(2)對(duì)坯料進(jìn)行鐓粗后可以改善制件表面局部未充滿以及端面有毛刺的缺陷，提高沖孔后制

件表面質(zhì)量。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)六方體坯料沖孔所得制件的形狀和表面質(zhì)量最好。模擬結(jié)果表明，六方體坯料沖孔過(guò)程中金屬流動(dòng)性最好，從而驗(yàn)證了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，并表明對(duì)六方體坯料沖孔后得到的護(hù)環(huán)符合鍛造和實(shí)際生產(chǎn)要求。

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