基于知識的葉片鍛造轉(zhuǎn)角設(shè)計研究

侯龍建，呂彥明，張恰，龍朋，熊小濤

(江南大學(xué) 江蘇省食品先進(jìn)制造裝備技術(shù)重點實驗室，江蘇 無錫 214000)

0 引言

汽輪機(jī)葉片的截面扭曲程度較大，且各型面的扭曲程度互不相等，其中葉冠處扭曲程度最大，而葉根處扭曲程度最小。葉片鍛件的型面在理論坐標(biāo)系下的形狀過于陡立，葉冠處材料較薄且扭曲程度較大，在鍛造加工過程中必然需要很大的變形載荷，同時也會產(chǎn)生很大的橫向錯模力，從而影響葉片鍛件的尺寸精度。此外，由于葉片兩端的進(jìn)出氣邊緣部位處在鍛造過程中金屬不能充型完全，導(dǎo)致葉片鍛件兩端出現(xiàn)缺陷，廢品率較高[1]。若要避免這種缺陷，則需要加足夠多的余量，使缺陷出現(xiàn)在余量部分。因此，在葉片鍛件余量加放設(shè)計之前，先將葉身型線旋轉(zhuǎn)至一個相對平坦的位置，使得鍛造時的縱向載荷和橫向錯模力盡可能小。這樣不僅能有效避免缺陷，還能節(jié)省材料，節(jié)約成本。

1 傳統(tǒng)的葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計方法

1.1 葉片鍛造轉(zhuǎn)角的特征

對汽輪機(jī)扭曲葉片進(jìn)行鍛造工藝設(shè)計時，考慮到葉片鍛模型腔設(shè)計的合理性，通常在模鍛成形之前會先對葉片鍛坯的形狀進(jìn)行預(yù)制坯。為使葉片鍛件各難成形部位在鍛造時能夠按照金屬流動規(guī)律充型完全，需要合理選擇葉片鍛件扭曲型面的鍛造方向，即確定葉片鍛件的鍛造轉(zhuǎn)角，這也是葉片鍛造成形的重要環(huán)節(jié)。具體操作方法是將葉身截面型線繞其坐標(biāo)中心旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)后鍛造方向上的截面型線坐標(biāo)軸(xoy)方向與原理論型線坐標(biāo)軸(x0oy0)方向的所轉(zhuǎn)角度即為鍛造轉(zhuǎn)角α[2]，如圖1所示。其中，靠近葉冠處截面型線的等分樣條線與鍛造方向(y軸)的夾角為驗算角β。

圖1 葉片鍛造工藝中鍛造轉(zhuǎn)角的確定

1.2 葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計方法

a) 計算法確定鍛造轉(zhuǎn)角

計算法確定鍛造轉(zhuǎn)角分3種算法[3-4]：

1) 分別求取靠近葉根截面型線的等分樣條線和靠近葉冠的截面型線的等分樣條線與y軸的夾角，并求其平均值。

2) 分別求取靠近葉根、葉冠以及中間截面型線的等分樣條線與y軸的夾角，并求其平均值。

3) 分別求取葉身各個截面型線的等分樣條線與y軸的夾角，并求其平均值。

第2) 種方法相比第1) 種方法較為準(zhǔn)確，相比之下第3) 種方法較為簡捷，因此常用于實際設(shè)計中。由于靠近葉冠處的截面出氣邊最薄，為保證出氣邊能夠充型完全，一般在鍛造轉(zhuǎn)角設(shè)計結(jié)束后對驗算角有一個驗證過程。

b) 矢量作圖法確定鍛造轉(zhuǎn)角

根據(jù)打擊力與金屬變形阻力相等的原理，采用矢量作圖法求出打擊力的方向，又因鍛造過程中鍛?；鶞?zhǔn)面與打擊力相互垂直，繼而可以得到鍛?；鶞?zhǔn)的方向，具體作圖法[5]參見圖2。

圖2 矢量作圖法求鍛造轉(zhuǎn)角

如圖2(a)，在葉身上取4個分布均勻的型面，各型面內(nèi)弧的弦長線與坐標(biāo)橫軸x之間的夾角分別為βA、βB、βC、βD，4個型面的截面面積分別為Fi，由此可以分別計算出每一型面在鍛壓成形時所需的變形力Pi。

(1)

式中:σ為葉片成形時所需的變形阻力(MPa)；li為各型面的弦長(mm)；ci為各型面的最大厚度(mm)；Fi為各型面面積(mm2)；Pi為各型面所需的變形力(N)。

根據(jù)式(1)計算得到葉身各型面的變形力后(即圖2(a)中的PA、PB、PC、PD)，按一定的比例將各變形力由PA開始逐條平移到同一個坐標(biāo)系上，PA到PD首尾相連如圖2(c)所示。最后，把PD末端與坐標(biāo)原點相連，所連直線與y軸之間的夾角即為所求的鍛造轉(zhuǎn)角α。

2 基于知識的葉片鍛造轉(zhuǎn)角設(shè)計

2.1 基于知識的葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計框架

鍛造轉(zhuǎn)角的合理設(shè)計是葉片鍛造工藝的關(guān)鍵，也是葉片鍛模設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的鍛造轉(zhuǎn)角的確定方法不具備統(tǒng)一性和標(biāo)準(zhǔn)性，即不同設(shè)計人員對同一葉片鍛造轉(zhuǎn)角的計算結(jié)果不一定相同。此外，鍛造轉(zhuǎn)角的確定過程中涉及到很多重復(fù)性勞動，如三維圖形轉(zhuǎn)換成二維圖形、驗算角的作圖與計算以及需要重復(fù)調(diào)整驗算角直到葉身型線達(dá)到合理的鍛造轉(zhuǎn)角位置。根據(jù)知識工程的理論知識，結(jié)合已掌握的葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計知識和經(jīng)驗，本文提出了基于知識的葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計方法，總體設(shè)計框架如圖3所示。這樣不僅可以減少大量的重復(fù)性勞動，提高設(shè)計效率；也使得設(shè)計結(jié)果統(tǒng)一化、標(biāo)準(zhǔn)化。

圖3 基于知識的葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計框架

2.2 葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計知識獲取

由圖3可知，葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計知識主要來源于用戶需求、葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計原則和設(shè)計方法、行業(yè)專家的設(shè)計經(jīng)驗以及具體工程試驗過程中的工程數(shù)據(jù)。其中，工程數(shù)據(jù)主要來源于對葉片鍛造轉(zhuǎn)角的數(shù)值模擬分析，專家經(jīng)驗主要是對數(shù)值模擬分析數(shù)據(jù)的總結(jié)與概括。

a) 鍛造轉(zhuǎn)角的確定原則

在葉片鍛造工藝設(shè)計分析時，應(yīng)考慮以下幾個因素，以確保鍛造轉(zhuǎn)角的合理性。

1) 鍛造轉(zhuǎn)角的選擇應(yīng)保證葉身各型面盡可能趨于平坦，即使得葉身在xoy面上的投影面積盡可能大；

2) 鍛造轉(zhuǎn)角的選擇應(yīng)考慮葉片鍛件在鍛造過程中的金屬成形，有利于葉片鍛件各部位的充足成形；

3) 鍛造轉(zhuǎn)角的選擇應(yīng)考慮葉片進(jìn)出氣兩邊在鍛模型腔內(nèi)受力均勻，避免過大的側(cè)向分力而造成葉片鍛件的橫向錯位；

4) 鍛造轉(zhuǎn)角的選擇應(yīng)避免靠葉根端的截面處產(chǎn)生過大的“倒勾”余塊；

5) 鍛造轉(zhuǎn)角的選擇應(yīng)考慮到葉根型腔內(nèi)大而深，容易造成模具沿縱向開裂而影響模具壽命；

6) 鍛造轉(zhuǎn)角的選擇應(yīng)同時考慮鍛坯形狀和鍛坯在模具型腔中定位。

b) 鍛造轉(zhuǎn)角的數(shù)值模擬分析

葉片鍛件和鍛造模具的設(shè)計隨鍛造轉(zhuǎn)角的不同而有所差異[6]。本文針對BB696RL圓弧型葉片鍛造轉(zhuǎn)角進(jìn)行Deform模擬仿真，在鍛造轉(zhuǎn)角分別為15°、25°和35°的3種位置狀態(tài)下，設(shè)計其葉片鍛造模具如圖4所示，分析鍛造轉(zhuǎn)角對模鍛葉片成形的影響。

圖4 不同鍛造轉(zhuǎn)角下的鍛件位置

1) 鍛造轉(zhuǎn)角的數(shù)值模擬分析

不同鍛造轉(zhuǎn)角的位置狀態(tài)下，所設(shè)計出的模具也不同，坯料達(dá)到穩(wěn)定受壓變形的程度也不同[7]。由圖5可以看出，葉片鍛造成形時，鍛造轉(zhuǎn)角為15°時的大應(yīng)力區(qū)面積最大，25°時的大應(yīng)力面積最小。對比葉片鍛造成形時的應(yīng)力狀態(tài)，鍛造轉(zhuǎn)角為15°時的最大應(yīng)力最大，為1 060 MPa；鍛造轉(zhuǎn)角為25°時的最大應(yīng)力最小，為962 MPa。

圖5 不同鍛造轉(zhuǎn)角時的葉片成形應(yīng)力狀態(tài)(MPa)

圖6所示為葉片鍛造成形時在不同鍛造轉(zhuǎn)角狀態(tài)下的鍛造載荷，即y向載荷。圖中所標(biāo)示的坐標(biāo)點，表示在該時間點下葉片鍛件剛好達(dá)到鍛造成形完成。由圖可以看出，鍛造轉(zhuǎn)角為15°時的鍛造載荷最大，為1.62e+08(N)，鍛造轉(zhuǎn)角為25°時的鍛造載荷最小，為1.42e+08(N)。

圖6 不同鍛造轉(zhuǎn)角時的鍛造載荷/N

圖7所示為葉片鍛造成形時在不同鍛造轉(zhuǎn)角狀態(tài)下的錯模力，即橫向(x)載荷。由圖可以看出，鍛造轉(zhuǎn)角為15°時的錯模力最大，為5.25e+07(N)，鍛造轉(zhuǎn)角為25°時的錯模力最小，為2.38 e+07(N)。錯模力越小，模具錯位程度越小，鍛件的質(zhì)量越高。

圖7 不同鍛造轉(zhuǎn)角時的錯模力/N

由上述分析結(jié)果對比可知，鍛造轉(zhuǎn)角對葉片鍛造成形的影響很大。當(dāng)鍛造轉(zhuǎn)角為25°時，葉片鍛件所受的壓應(yīng)力和大應(yīng)力區(qū)面積最小，其模具在葉片鍛造成形時所受的鍛造載荷以及錯模力也都最小。因此，BB696RL圓弧型葉片的鍛造轉(zhuǎn)角設(shè)計為25°最為合適。BB696RL圓弧型葉片的初始驗算角為27°(如圖8所示)，鍛造轉(zhuǎn)角25°對應(yīng)的驗算角為52°，即驗算角為52°時的葉片鍛件設(shè)計為最佳。

圖8 BB696RL圓弧型葉片的初始驗算角

根據(jù)專家從以往確定汽輪機(jī)葉片鍛件轉(zhuǎn)角過程中對β角的試驗規(guī)律進(jìn)行歸納統(tǒng)一，得出驗算角β一般均控制在48°～52°范圍內(nèi)的規(guī)律。若β角<48°，則在葉片鍛件的鍛造工藝分析時，應(yīng)著重對葉片鍛坯形狀及其在鍛模型腔中的位置情況進(jìn)行分析，并采取一定措施。但是，在實際工程中β角不能<45°[8]。

3 基于知識的葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計方法研究

每個類別的葉片對應(yīng)的鍛造工藝過程中的鍛造轉(zhuǎn)角設(shè)計方法都有所不同。經(jīng)過與鍛造專家的長期合作與交流，總結(jié)歸納出了這7種不同類別的鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計方法，它們之間既相似但又有區(qū)別。本文主要介紹汽輪機(jī)動葉片鍛造轉(zhuǎn)角設(shè)計新方法。

a) 導(dǎo)入典型的三檔截面型線和葉根、葉冠截面視圖

1) 截取葉根、葉冠的最大輪廓截面，投影至x-y面；

2) 3檔典型截面型線分別為靠近葉根處的截面型線、靠近葉冠處的截面型線以及葉身中間截面型線，可以從UG直接導(dǎo)入CAD圖形中進(jìn)行分析和確定。

b) 類別分析

從帶有根、冠視圖的葉身葉型頭尾兩截面的扭角分析，扭角θ≥75°，則為平坦型葉片類別，反之，扭角θ<75°，則為扭曲型葉片類別。

扭角的作圖方法如圖9所示，作頭尾兩截面出氣邊型線等分樣條線的趨向線直線，則該兩直線之夾角定為扭角。

圖9 葉片截面扭角的確定

c) 初定鍛造轉(zhuǎn)角

選取3檔典型葉片截面型線，以葉身坐標(biāo)原點為基點，以葉片鍛造轉(zhuǎn)角的確定原則為依據(jù)，分析判定初始鍛造轉(zhuǎn)角。

d) 根據(jù)初始鍛造轉(zhuǎn)角對葉型進(jìn)行工藝分析

1) 對扭曲程度較大的葉型進(jìn)行工藝分析時，既要保證進(jìn)、出氣邊最高處的金屬充型完全，還要避免進(jìn)氣邊背弧處產(chǎn)生過大的“倒勾”余塊；

2) 對靠近葉冠處截面較寬且出氣邊較薄的葉型進(jìn)行工藝分析時，應(yīng)使其出氣邊盡可能趨于平坦，即加大鍛造轉(zhuǎn)角α；

3) 對于精鍛葉片或少余量葉片的分析，應(yīng)適當(dāng)加大鍛造轉(zhuǎn)角α，使其葉身型面趨于平坦；

4) 對葉身較為平坦且出氣邊金屬容易充型完全的葉型進(jìn)行工藝分析，尤其當(dāng)其采用圓坯作為鍛坯時，應(yīng)適當(dāng)加大鍛造轉(zhuǎn)角α。

e) 根據(jù)驗算角β的取值范圍確定鍛造轉(zhuǎn)角

圖10 汽輪機(jī)扭曲型葉片鍛造轉(zhuǎn)角的確定

根據(jù)專家經(jīng)驗所得，汽輪機(jī)葉片的葉根處截面型線的“寬高比系數(shù)”的正常范圍在3～7?！皩捀弑认禂?shù)”越大，則相應(yīng)選取的驗算角就越大；當(dāng)“寬高比系數(shù)”<3時，根據(jù)上述驗算角≥45°的取值規(guī)律，選擇驗算角為46°～47°；通常地，“寬高比系數(shù)”不宜>7，當(dāng)趨于7時，選取的驗算角可適當(dāng)>52°，使葉身型線趨于平坦。

f) 結(jié)合根冠截面，對鍛造轉(zhuǎn)角進(jìn)一步修改和確定

對于高深的葉根、葉冠、凸臺等型腔的鍛造情況，從鍛造工藝上來分析，既要確保鍛件的充足成型，也要分析型腔的受力狀況，確保模具的使用壽命。

圖11 鍛模型腔的偏轉(zhuǎn)改進(jìn)設(shè)計時相應(yīng)對鍛造轉(zhuǎn)角的修整設(shè)計

如圖11所示，在進(jìn)行模具方形葉根型腔設(shè)計時，其葉根型腔最低轉(zhuǎn)角處和葉身型面最低處恰好在模塊中央。從以往使用受力狀況反映，在葉根型腔易從最低轉(zhuǎn)角處沿葉身型腔最低凹處產(chǎn)生縱向裂紋，而最終導(dǎo)致模具的縱向開裂。因此，在模具葉根型腔設(shè)計時，將葉根型腔如圖11所示方向適當(dāng)偏轉(zhuǎn)角度，從α1角調(diào)整至α2角，從而降低模具葉根型腔最低轉(zhuǎn)角處的深度尺寸。這樣通過對鍛造轉(zhuǎn)角的適當(dāng)調(diào)整鍛坯的相應(yīng)改進(jìn)，可明顯改善模具葉根型腔的使用受力狀況而提高模具的使用壽命。

4 結(jié)語

從鍛造工藝分析和型腔受力分析兩方面出發(fā)，考慮葉片鍛件金屬材料的充足成型和模具的壽命，強(qiáng)調(diào)了葉片鍛造轉(zhuǎn)角設(shè)計的重要性。同時，在鍛造轉(zhuǎn)角的確定過程中，須考慮葉片結(jié)構(gòu)形狀和鍛造難點，在模具型腔設(shè)計時通過適當(dāng)?shù)慕嵌刃拚?，使鍛造轉(zhuǎn)角的確定更為合理。提出了基于知識的葉片鍛造轉(zhuǎn)角的快速設(shè)計新方法，經(jīng)過對汽輪機(jī)葉片鍛造轉(zhuǎn)角新方法的設(shè)計步驟的驗證，表明葉片鍛造轉(zhuǎn)角的設(shè)計效率得到了明顯提高。