離心壓縮機(jī)馬氏體不銹鋼葉片熱鍛仿真及精度影響因素分析

霍海燕 沈偉濤 劉 心 張 沖 張 琦

（1.西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院）

0 引言

離心壓縮機(jī)作為廣泛應(yīng)用于航空航天、冶金、制冷等領(lǐng)域的工業(yè)裝備，其需求也隨著工業(yè)發(fā)展不斷提高。大型壓縮機(jī)作為國(guó)家大力支持促進(jìn)發(fā)展的大型裝備，其制造工藝要求也隨著性能需求的提升而不斷上漲。葉輪作為壓縮機(jī)的核心部件，其制造精度直接影響壓縮機(jī)的性能。葉輪在制造過(guò)程中一般是將葉片與軸蓋及輪盤(pán)焊接在一起[1-5]。對(duì)采用高強(qiáng)鋼材料的葉片，其制造精度對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)起著至關(guān)重要的作用。

本文借助FORGE有限元分析軟件，對(duì)馬氏體不銹鋼離心壓縮機(jī)葉片的制造過(guò)程進(jìn)行了仿真研究，分析了坯料加熱溫度、模具溫度、坯料溫度、壓力機(jī)噸位與合模間隙、模具變形等因素對(duì)成形精度的影響。

1 仿真模型的建立

為仿真離心壓縮機(jī)葉片制造過(guò)程，首先三維建模軟件UG中建立葉片坯料及模具的三維模型。圖1所示為建立的模具三維模型。

圖1 模具三維模型Fig.1 Mold 3D model

在獲得三維模型后，輸入材料信息。葉片為馬氏體不銹鋼，其成分如表1所示。

表1 化學(xué)成分表Tab.2 The proportion of chemical component

采用Hansel-Spittel材料模型建立馬氏體不銹鋼在溫度為900℃～1 000℃，應(yīng)變速率為0.01，0.1，1s條件下的本構(gòu)方程[6]：

式中：σ為流變應(yīng)力；ε為應(yīng)變；ε˙為應(yīng)變速率；T為變形溫度；m1是與溫度相關(guān)的系數(shù)；m2和m4是與應(yīng)變相關(guān)的系數(shù)；m3是與應(yīng)變速率相關(guān)的系數(shù)；A是放大系數(shù)。使用Gleeble 3 800型數(shù)控動(dòng)態(tài)熱力學(xué)物理模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行材料的熱性能測(cè)試得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)代入式（1）之中得到

2 仿真前處理

離心壓縮機(jī)葉片制造分別經(jīng)過(guò)冷、熱兩次壓形，其中冷壓過(guò)程獲得具有一定形狀的預(yù)制坯料。坯料經(jīng)過(guò)熱壓保壓后最終成形。為得到熱鍛過(guò)程的坯料，采用一步逆成形法，在INSPIREFORM軟件中對(duì)待成形葉形曲面進(jìn)行展開(kāi)，得到原始坯料。將原始坯料與模具導(dǎo)入FORGE軟件中，通過(guò)板料成形模塊進(jìn)行仿真，并輸出所得葉片型面。

取經(jīng)過(guò)有限元計(jì)算冷壓后得到的型面與提供的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，擬合結(jié)果如圖2所示，圖中綠色區(qū)域?yàn)槟M值與實(shí)驗(yàn)掃描值差異＜1mm區(qū)域，可以看出大部分區(qū)域都較符合，標(biāo)準(zhǔn)偏差0.7mm左右，少數(shù)區(qū)域超過(guò)1mm，但不超過(guò)3mm。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合程度較好，可以采用冷壓計(jì)算后得到的型面，用于后續(xù)熱壓的計(jì)算。

圖2 仿真冷壓型面與掃描曲面擬合Fig.2 Fitting of simulation cold pressing surface and scanning surface

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 坯料加熱溫度、模具溫度對(duì)葉片精度影響的仿真分析

為了研究坯料加熱溫度對(duì)葉片成形精度的影響，在仿真模型中對(duì)不同坯料加熱溫度下葉片的回彈量進(jìn)行了分析。加熱溫度是在實(shí)際生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的750℃～950℃葉片加熱溫度區(qū)間中每隔50℃取值獲得（即750℃，800℃，850℃，900℃，950℃，1 000℃），摩擦系數(shù)0.3，保壓時(shí)間100s。如圖3所示為仿真計(jì)算獲得的坯料加熱溫度與坯料最大回彈值之間關(guān)系，從圖中可見(jiàn)，葉片最大回彈隨坯料溫度提升而減小，并且在溫度大于950℃后，這一趨勢(shì)變得平緩。分析可知隨坯料溫度的提升，金屬流動(dòng)性提升，彈性模量下降，故使葉片成形精度得到提升。

圖4分別為不同模具預(yù)熱溫度下葉片最終成形狀態(tài)下的回彈量分布圖，葉片加熱溫度統(tǒng)一為800℃，保壓時(shí)模具溫度50℃，保壓時(shí)間150s，可以看出模具溫度的提升對(duì)葉片成形精度有正向影響。由于鍛造過(guò)程中高溫坯料會(huì)與模具迅速換熱，提高模具溫度后減小了二者的溫度差也就減小了二者間的熱量傳遞，有助于保持坯料溫度。

圖3 坯料溫度與葉片最大回彈關(guān)系Fig.3 Relationship between billet temperature and maximum springback of blade

圖4 模具預(yù)熱溫度與葉片最大回彈關(guān)系圖Fig.4 Relationship between preheating temperature of mould and maximum springback of blade

3.2 合模間隙與壓力機(jī)最大噸位選擇

熱壓模具是按照模具完全閉合的狀態(tài)設(shè)計(jì)的，而實(shí)際生產(chǎn)中模具會(huì)由于壓力機(jī)的最大噸位、葉片的成形抗力的不同存在一定的合模間隙，從而對(duì)葉片成形精度有所影響。對(duì)于不同成形精度要求的葉片，會(huì)對(duì)模具閉合時(shí)坯料與模具的間隙有所規(guī)定，在壓形中測(cè)量坯料與模具之間的間隙從而判斷模具閉合狀態(tài)是否達(dá)到預(yù)期。對(duì)于同一成形葉片，壓力機(jī)最大噸位和合模間隙之間有著確定的對(duì)應(yīng)關(guān)系的，因此影響葉片成形精度的主因是壓力機(jī)最大噸位。本部分為了研究在仿真模擬中研究壓力機(jī)噸位對(duì)葉片成形精度的影響，先對(duì)不同合模間隙下葉片的成形精度進(jìn)行分析，再通過(guò)模具間隙對(duì)應(yīng)所需的最大壓力機(jī)噸位。

3.2.1 合模間隙對(duì)坯料與模具間隙的影響

由圖5不同合模間隙下坯料上表面與上模接觸云圖可知，當(dāng)合模間隙為0.5mm即目前實(shí)際生產(chǎn)選用的間隙量時(shí)，坯料上表面與上模之間存在著大片區(qū)域的間隙大于0.3mm。隨著合模間隙由0.5降低至0.2，葉片中部區(qū)域的間隙顯著減少，葉片邊緣處仍有少量區(qū)域存在一定間隙，要消除這些間隙需將合模間隙繼續(xù)減至0.1mm，甚至0mm。圖6為不同合模間隙下坯料下表面與下模接觸云圖，同樣可見(jiàn)當(dāng)合模間隙為0.5mm時(shí)，坯料下表面與下模存在著大片區(qū)域的大于0.3mm的間隙，隨著合模間隙降低至0.2，葉片與下模間隙顯著減小。

圖5 不同合模間隙下坯料上表面與上模接觸云圖Fig.5 Contact nephogram between upper surface of blank and upper mould under different mould closing clearance

圖6 不同合模間隙下坯料下表面與下模接觸云圖Fig.6 Contact nephogram between lower surface of blank and lower mould under different mould closing clearance

雖然合模間隙減小能夠提高葉片成形效果，但一味減小合模間隙會(huì)使得成形所需壓力機(jī)噸位驟升。為分析合理的壓力機(jī)噸位選取范圍，首先在仿真軟件中分別截取出不同成形間隙的坯料上下表面與模具接觸面積云圖的正視圖，然后統(tǒng)計(jì)出各截圖中的統(tǒng)計(jì)區(qū)域（與模具接觸間隙在0.1mm以?xún)?nèi)區(qū)域面積）的像素?cái)?shù)與該截圖中坯料區(qū)域的總像素?cái)?shù)之比。

合模間隙為0.3mm的統(tǒng)計(jì)區(qū)域（與模具接觸間隙在0.1mm以?xún)?nèi)區(qū)域面積）的像素?cái)?shù)與該截圖中坯料區(qū)域的總像素?cái)?shù)之比的計(jì)算過(guò)程如下：

1）在仿真軟件截取出0.3mm間隙的坯料上表面與模具接觸面積云圖的正視圖，如下圖7。

圖7 間隙為0.3mm上表面接觸云圖Fig.7 Contact nephogram of upper surface with clearance of 0.3mm

2）提取出坯料區(qū)域的像素總數(shù)為105 083。

3）提取出坯料圖像中的藍(lán)色區(qū)域（與模具接觸間隙在0.1mm以?xún)?nèi)區(qū)域面積的顏色）的像素?cái)?shù)為56 803。計(jì)算出藍(lán)色區(qū)域像素占比為54.06%。

不同間隙下上下表面統(tǒng)計(jì)區(qū)域的像素?cái)?shù)占比提取如下表2和3，通過(guò)分析隨合模間隙的減?。ɑ虺尚螇毫Φ脑龃螅┑母鹘y(tǒng)計(jì)區(qū)域的像素?cái)?shù)在各截圖中坯料像素?cái)?shù)的占比，可得出隨合模間隙的減小（成形壓力的增大）下的坯料上下表面的與模具接觸間隙減小的趨勢(shì)（僅為趨勢(shì)不表示具體接觸占比）。

對(duì)圖8曲線(xiàn)分析可得出，隨著合模間隙的減小坯料上下表面與模具的接觸面積呈增大趨勢(shì)，且增長(zhǎng)的趨勢(shì)逐漸變緩。

圖8 各正視圖中上下表面的不同合模間隙的統(tǒng)計(jì)區(qū)域所占比Fig.8 The proportion of statistical area of different mould closing clearance between upper and lower surfaces in each front view

表2 坯料上表面統(tǒng)計(jì)區(qū)域像素?cái)?shù)所占比Tab.2 The proportion of pixels in the statistical area on the upper surface of the blank

表3 坯料下表面統(tǒng)計(jì)區(qū)域像素?cái)?shù)所占比Tab.3 The proportion of pixels in the statistical area of the lower surface of the blank

3.2.2 合模間隙與壓力機(jī)噸位、回彈變形量之間的關(guān)系

不同合模間隙所對(duì)應(yīng)的壓力機(jī)最大噸位、壓形之后葉片回彈變形量的關(guān)系如圖9所示。根據(jù)圖9所示曲線(xiàn)，可以看出隨著合模間隙從0.5mm減小到0mm，壓力機(jī)的噸位由94.11T增加至1291.8T。從圖9可以得出，隨著壓力機(jī)噸位的增大，回彈量明顯減小。

圖9 不同合模間隙與熱壓壓力機(jī)噸位曲線(xiàn)圖Fig.9 Relationship between different mould clearance and tonnage of hot press

3.3 保壓時(shí)間對(duì)回彈精度影響

葉片成形過(guò)程的保壓時(shí)間對(duì)精度的影響十分關(guān)鍵[7]。葉片回彈量δ的產(chǎn)生與葉片成形后產(chǎn)生的殘余應(yīng)力σs和彈性模量E有關(guān)，具體關(guān)系如下：

可以看出，成形后的殘余應(yīng)力越大、彈性模量越小，回彈量越大。彈性模量是與溫度密切相關(guān)的，查取資料得本葉片用馬氏體不銹鋼在各個(gè)溫度下的彈性模量如表4和圖10所示。

表4 本葉片用馬氏體不銹鋼各溫度下彈性模量Tab.4 Process parameters before and after adjustment

圖10 本葉片用馬氏體不銹鋼材料彈性模量隨溫度變化圖Fig.10 Variation of elastic modulus of martensitic stainless steel

成形后對(duì)葉片進(jìn)行保壓可以有效抑制回彈，因?yàn)楸哼^(guò)程中葉片溫度會(huì)降低，降低過(guò)程中葉片材料彈性模量會(huì)增大，從而使回彈減小，但隨著保壓時(shí)間增長(zhǎng)，葉片降低到一定溫度時(shí)，彈性模量變化很小，保壓對(duì)回彈抑制效果也在減弱，為提高生產(chǎn)效率，有必要找出合適保壓時(shí)間區(qū)間為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)。葉片加熱溫度900℃，摩擦系數(shù)0.2，取0，10，50，100，150s一組保壓時(shí)間，研究保壓時(shí)間對(duì)回彈影響。

圖11為保壓過(guò)程中葉片應(yīng)力較大區(qū)域和回彈產(chǎn)生區(qū)域示意圖，回彈發(fā)生區(qū)域與應(yīng)力較大區(qū)域密切相關(guān)，當(dāng)應(yīng)力較大區(qū)域得應(yīng)力釋放后，會(huì)造成回彈產(chǎn)生。有必要對(duì)應(yīng)力較大區(qū)域得溫度場(chǎng)變化進(jìn)行分析，當(dāng)其降到一定溫度時(shí)，可以認(rèn)為回彈基本變化不大。

圖11 保壓過(guò)程中葉片應(yīng)力較大區(qū)域Fig.11 Large stress area of blade during pressure maintaining

圖12為葉片應(yīng)力較大區(qū)域在10，50，100，150s這一組保壓時(shí)間下得最終溫度，可以看出保壓時(shí)間接近于100～150s時(shí)間段內(nèi)，區(qū)域內(nèi)溫度基本不變，已降低到100℃以下，此時(shí)材料彈性模量基本變化也不大。

圖12 不同保壓時(shí)間最終溫度場(chǎng)Fig.12 Final temperature field at different holding time

葉片加熱溫度 900℃，摩擦系數(shù) 0.2，取 0，10，50，100，150s一組保壓時(shí)間，研究保壓時(shí)間對(duì)回彈影響。保壓時(shí)間與葉片最大回彈量關(guān)系如圖13所示，可以看出100s后，最大回彈量下降都很少，合適的保壓時(shí)間區(qū)間為2～3min。

圖13 保壓時(shí)間對(duì)最大回彈量影響Fig.13 Influence of holding time on maximum rebound

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析結(jié)果，調(diào)整生產(chǎn)工藝參數(shù)，調(diào)整前的工藝參數(shù)定為工藝1，調(diào)整后后的工藝參數(shù)定為工藝2，具體參數(shù)如表5所示，并按照調(diào)整前后的工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。其中，根據(jù)保壓時(shí)間對(duì)葉片回彈的影響機(jī)理，生產(chǎn)中只需要確保葉片冷卻至常溫即可。模具預(yù)熱溫度從200℃提高到500℃時(shí)，葉片回彈量只降低了0.3mm，考慮到葉片設(shè)計(jì)精度要求及模具壽命、生產(chǎn)成本等生產(chǎn)實(shí)際，葉片壓形時(shí)模具不預(yù)熱。

表5 調(diào)整前后的工藝參數(shù)Tab.5 Process parameters before and after adjustment

按照工藝1、工藝2壓形的葉片回彈量如圖14、圖15所示。

圖14 按照工藝1壓形得到的試驗(yàn)葉片F(xiàn)ig.14 Test blade formed according to process 1

圖15 按工藝2壓形得到的試驗(yàn)葉片F(xiàn)ig.15 Test blade formed according to process 2

從回彈分布圖看，對(duì)于①②③④四個(gè)特征區(qū)域，葉片成形后的最終回彈量如表6所示?？梢?jiàn)葉片成形精度有了明顯提升，因此按照新的工藝參數(shù)改進(jìn)生產(chǎn)工藝。

表6 工藝1、工藝2成形后特征區(qū)域葉片最大回彈量的絕對(duì)值Tab.6 Absolute value of maximum springback of blade in characteristic area after forming process 1 and process 2

5 結(jié)論

1）基于FORGE軟件對(duì)離心壓縮機(jī)葉片成形過(guò)程進(jìn)行了分析，通過(guò)對(duì)比三維掃描冷壓零件型面與軟件模擬結(jié)果，確認(rèn)仿真所得型面可以用于下一步分析。

2）提升葉片坯料溫度與模具溫度都會(huì)使得葉片最終成形精度有所提高，成形時(shí)可選擇葉片坯料溫度為950℃。

3）為保證成形精度合模間隙應(yīng)盡量取小，但不宜過(guò)小，以使所用壓力機(jī)噸位經(jīng)濟(jì)合適，噸位可選擇在400～1 000T之間，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇400T壓力機(jī)為成形壓力機(jī)。

4）模具預(yù)熱可以提高葉片精度，但提升效果有限，考慮到生產(chǎn)成本和模具壽命，模具不進(jìn)行預(yù)熱；

5）理論保壓時(shí)間應(yīng)在2～3min即可，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際，確保葉片冷卻至常溫即可。

通過(guò)上述改進(jìn)，葉片的成形精度明顯提升。