工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片塑性成形研究

李 波 何應(yīng)強(qiáng) 龍正建 劉明松

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

該葉片為公司工業(yè)汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致塑性成形難度較大，實(shí)現(xiàn)廠(chǎng)內(nèi)自主研究生產(chǎn)，將極大節(jié)約生產(chǎn)成本，提質(zhì)增效。該末級(jí)動(dòng)葉片形狀復(fù)雜，寬厚比大，工作條件惡劣，力學(xué)性能要求較高，鍛件成形金屬流線(xiàn)要求較好，并且材料為不銹鋼，所以塑性成形相對(duì)較差，流動(dòng)規(guī)律難以掌握。本文主要對(duì)末級(jí)葉片進(jìn)行數(shù)值模擬及塑性成形研究。

1 葉片結(jié)構(gòu)

該葉片為拉筋凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的末級(jí)動(dòng)葉，該類(lèi)型動(dòng)葉片在公司還未有相關(guān)模鍛經(jīng)驗(yàn)，為其實(shí)現(xiàn)廠(chǎng)內(nèi)生產(chǎn)增加了難度。該末級(jí)葉片形貌特征為：大扭角葉片，葉身型線(xiàn)厚度薄，葉身扭角大，尤其葉身中部有拉筋凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，鍛件整體投影面積大，接近廠(chǎng)內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)能力極限，葉根投影面積比例大。葉片產(chǎn)品圖如圖1所示。葉片設(shè)計(jì)鍛件外形結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2 塑性成形分析

由于該動(dòng)葉片鍛件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，大大增加了毛坯成形難度：

(1)葉片型線(xiàn)厚度薄，會(huì)造成鍛造過(guò)程中坯料溫度下降過(guò)快，金屬在模膛中充型困難，成形后期變形抗力大。

圖 1 葉片產(chǎn)品結(jié)構(gòu)Figure 1 Product structure of blade

圖2 葉片鍛件結(jié)構(gòu)Figure 2 Structure of blade forging

(2)葉身扭角大，這種結(jié)構(gòu)會(huì)造成鍛件、模具分型面設(shè)計(jì)困難，鍛件毛坯切邊困難，同時(shí)會(huì)造成進(jìn)、出汽側(cè)最高點(diǎn)充型困難，尤其是出汽側(cè)(葉頂最高點(diǎn))由于截面薄、位置高而充填相當(dāng)困難。

(3)葉身中部有拉筋凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，這種凸臺(tái)型葉片模鍛成形在我公司尚屬首次，其制坯方式、坯料充型能力、成形情況無(wú)經(jīng)驗(yàn)借鑒。

(4)葉根投影面積比例大，投影面中心靠向葉根，模鍛過(guò)程中易造成打擊偏心，損壞鍛錘及模具。

根據(jù)以上對(duì)葉片鍛件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的分析，需針對(duì)不同的難點(diǎn)提出相應(yīng)解決措施，因而合理處理鍛件葉身型線(xiàn)、模具分型面設(shè)計(jì)、鍛件拉筋凸臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、充分利用數(shù)值模擬對(duì)模鍛開(kāi)坯形狀設(shè)計(jì)優(yōu)化等成為本文研究重點(diǎn)。

3 鍛模設(shè)計(jì)

通常情況下在鍛模設(shè)計(jì)時(shí)，為保證模膛受力均勻，避免打擊偏心問(wèn)題，同時(shí)提高模具使用壽命，鍛模型腔中心應(yīng)與模具燕尾中心保持一致。對(duì)葉片鍛件打擊方向最大投影面積重心進(jìn)行計(jì)算，將葉片型線(xiàn)中心與模具燕尾中心偏移處理，并將葉片長(zhǎng)度方向中心往葉頂偏移，這樣確保坯料在模膛受力均勻、模具受力平衡。該葉片外形尺寸大，其成形打擊力也大，需提高模具的制造精度和表面粗糙度，同時(shí)模具的錯(cuò)移也要得到嚴(yán)格的控制。為了減小模具的錯(cuò)移，鍛模采用整體模塊結(jié)構(gòu)，并采用鎖口結(jié)構(gòu)，鎖口尺寸長(zhǎng)寬高的比例大致選為3∶2∶1。該動(dòng)葉鍛模三維模型如圖3所示。

圖3 鍛模三維模型Figure 3 3D model of forging die

4 開(kāi)坯方案設(shè)計(jì)

葉片模鍛成形過(guò)程中，開(kāi)坯形狀尺寸對(duì)模具型腔充填及充型完整起著決定性的影響，往往需反復(fù)調(diào)整開(kāi)坯形狀尺寸才能滿(mǎn)足鍛件生產(chǎn)。設(shè)計(jì)開(kāi)坯形狀時(shí)，需根據(jù)體積不變?cè)瓌t，將該末級(jí)動(dòng)葉片分為若干部分，分別折算為等體積的圓柱體或圓臺(tái)，并通過(guò)做截面圖方法進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，綜合考慮欠壓量經(jīng)計(jì)算后各截面圖見(jiàn)圖4。因葉根投影面積大、鍛件厚度相對(duì)薄，為便于荒坯在模膛中的充填和定位，預(yù)開(kāi)坯方案設(shè)計(jì)時(shí)將葉根拍扁進(jìn)行試驗(yàn)研究，又因葉身扭角大，開(kāi)坯設(shè)計(jì)時(shí)不宜采用整體拍扁方式，故保持圓形設(shè)計(jì)方案，具體形狀尺寸如圖5所示。

圖 4 開(kāi)坯設(shè)計(jì)曲線(xiàn)圖Figure 4 Design curve of bloom

圖 5 開(kāi)坯形狀尺寸Figure 5 Shape and size of bloom

5 模型構(gòu)建及有限元分析

基于熱模擬試驗(yàn)得到的2Cr12NiMo1W1V高溫性能數(shù)據(jù)庫(kù)為計(jì)算基礎(chǔ)，模擬分析該材料葉片在鍛造溫度范圍內(nèi)的流動(dòng)變形行為。定義界面摩擦系數(shù)0.5(石墨汽缸油)等。由于坯料定位是否準(zhǔn)確對(duì)模具充型有決定性的影響因素，因而在有限元模擬設(shè)置中利用DEFORM-3D中DROP重力加載定位方式來(lái)輔助定位，這樣就更貼近于真實(shí)情況，坯料定位后，有限元分析模型如圖6所示。

圖 6 有限元分析模型Figure 6 Model of finite element analysis

通過(guò)DEFORM-3D數(shù)值模擬，模擬分析出不同工藝形狀尺寸的成形狀態(tài)，從而獲得最佳工藝方案，這是不需要任何生產(chǎn)試驗(yàn)成本投入的，而且效率較高、時(shí)間較短，并且可以宏觀(guān)分析坯料在模鍛過(guò)程中的充型變化。為此，在理論計(jì)算開(kāi)坯形狀尺寸的基礎(chǔ)上，新設(shè)了4種不同開(kāi)坯形狀尺寸(圖7)，分別進(jìn)行模擬分析。

針對(duì)以上4種不同開(kāi)坯形狀尺寸進(jìn)行模擬分析，各方案最終充型狀態(tài)如圖8所示，模具欠壓均考慮3 mm狀態(tài)。

6 方案選擇

對(duì)模擬分析結(jié)果和4種方案成形過(guò)程進(jìn)行對(duì)比，方案a最大缺陷是坯料分配不足，葉頂、葉根缺料，且還有折疊產(chǎn)生；方案b最大不足是葉頂拍扁與葉根拍扁成90°時(shí)，上模拉筋凸臺(tái)靠葉頂部位坯料變形劇烈，有坯料堆積產(chǎn)生折疊的趨勢(shì)；方案c最大不足是當(dāng)整個(gè)葉身開(kāi)坯被拍扁并與葉根拍扁成90°時(shí)，上模拉筋凸臺(tái)兩側(cè)均有坯料變形劇烈，有坯料堆積產(chǎn)生折疊的趨勢(shì)，靠近葉根部位最為明顯；方案d是葉身拍扁與葉根拍扁成45°，最大不足是葉身與葉根過(guò)渡R處坯料變形劇烈，有很小折疊發(fā)展趨勢(shì)，從各狀態(tài)看這是無(wú)法避免的。

圖 7 對(duì)比方案形狀圖Figure 7 Shape diagram of contrast scheme

圖 8 開(kāi)坯方案模擬分析結(jié)果Figure 8 Simulation analysis results of cogging program

圖 9 方案b各截面充型狀態(tài)Figure 9 Filling states of each section in scheme B

從以上4種方案坯料變化過(guò)程情況看，方案d是最有利于坯料充填模具型腔的，方案b次之。但方案d在正式批量生產(chǎn)中存在質(zhì)量隱患及可操作性差的問(wèn)題，這是因葉根拍扁與葉身拍扁成45°且旋轉(zhuǎn)角固定，一旦旋轉(zhuǎn)角相反，會(huì)造成自由鍛開(kāi)坯分料不合理，根本無(wú)法滿(mǎn)足模鍛充型。綜合考慮，建議采用方案b進(jìn)行模鍛生產(chǎn)試驗(yàn)。方案b各截面最終成形后的充型狀態(tài)如圖9所示。從各截面充型狀態(tài)看，葉片各部位已完全充型，除葉身進(jìn)出汽側(cè)產(chǎn)生飛邊略微不均勻外，其余型腔四周產(chǎn)生了較均勻的飛邊，葉身飛邊不均勻產(chǎn)生的原因?yàn)檫M(jìn)汽側(cè)型線(xiàn)厚度較出汽側(cè)型線(xiàn)厚度厚，利于坯料充型，出汽側(cè)型腔薄，坯料容易冷卻，變形抗力變大，不利于充型。從整體看，該開(kāi)坯工藝方案滿(mǎn)足葉片充型要求，可用于驗(yàn)證試驗(yàn)研究。

7 生產(chǎn)試驗(yàn)

為驗(yàn)證模擬分析的工藝方案的可行性，進(jìn)行了生產(chǎn)試驗(yàn)。因該動(dòng)葉投影面積大，按現(xiàn)有5 t模鍛設(shè)備能力，該動(dòng)葉需兩火次模鍛生產(chǎn)才能滿(mǎn)足鍛件產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。從實(shí)際試鍛充填情況看，葉片開(kāi)坯后經(jīng)第一火次模鍛試制充型，模擬分析得到的方案b整體充型比較完整，第一火次模鍛基本上四周就產(chǎn)生了飛邊，因欠壓富余，所以產(chǎn)生

飛邊還少，這樣即可保證第二火次模鍛后葉片鍛件整體充填絕對(duì)完整，滿(mǎn)足鍛件設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)，坯料經(jīng)第二火次模鍛需9～10錘才能達(dá)到成形極限，鍛件欠壓3 mm左右，整體充型飽滿(mǎn)，飛邊均勻。通過(guò)熱處理、噴砂、打孔后送三坐標(biāo)檢測(cè)，毛坯余量均勻合格，模擬方案滿(mǎn)足產(chǎn)品要求。

8 結(jié)論

本文借助數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)汽輪機(jī)末級(jí)動(dòng)葉片塑性成形進(jìn)行了研究，掌握了該類(lèi)別葉片成形的控制要點(diǎn)及難點(diǎn)，重點(diǎn)研究了該葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、模具設(shè)計(jì)、開(kāi)坯方案及充填模擬分析，為優(yōu)化葉片工藝、模具設(shè)計(jì)提供了支撐。同時(shí)還通過(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)對(duì)該研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，其試驗(yàn)結(jié)果證明了設(shè)計(jì)、模擬數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，該研究成果已形成技術(shù)儲(chǔ)備，可以為汽輪機(jī)類(lèi)似葉片塑性成形提供科學(xué)依據(jù)。

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