PPI十字轉(zhuǎn)子制造工藝研究

李光磊 劉世超 牛玉溫 王旭穎 常春青

(太原重工股份有限公司，山西030024)

轉(zhuǎn)子作為發(fā)電機(jī)設(shè)備的心臟，因使用工況復(fù)雜而要求較高的綜合性能。PPI十字轉(zhuǎn)子又稱無刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，除了普通轉(zhuǎn)子要求的高性能外，還對(duì)磁性能有較高的要求。

34CrMo1A和34CrNi1Mo均為轉(zhuǎn)子鍛件常用材質(zhì)，34CrNi1Mo因含有較高的Cr、Ni成分被常用于綜合性能較高的轉(zhuǎn)子鍛件。某用戶訂貨的PPI十字轉(zhuǎn)子因使用工況及工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，一直以來均選用34CrNi1Mo材質(zhì)。近幾年，用戶機(jī)組升級(jí)換代，也為降低鍛件采購(gòu)成本，決定更換十字轉(zhuǎn)子材質(zhì)為34CrMo1A，為保住客戶資源，提升工藝水平，我公司優(yōu)化制造工藝，成功制造出符合用戶要求的PPI十字轉(zhuǎn)子。

1 技術(shù)指標(biāo)及要求

1.1 熔煉成分

1.2 力學(xué)性能要求

調(diào)質(zhì)熱處理后，在兩端和轉(zhuǎn)身5處進(jìn)行硬度均勻性檢測(cè)，每處圓周均布測(cè)4點(diǎn)，共20點(diǎn)，要求同一圓弧表面硬度差≤30HBW，所有點(diǎn)硬度差≤40HBW。

硬度檢測(cè)合格后按圖1取樣，表1為力學(xué)性能指標(biāo)值，表2為磁性能要求值。具體取樣如下：

(1)在兩端P1、P4位置各套取兩個(gè)拉伸試樣、兩個(gè)沖擊試樣，取樣中心距鍛件表面13半徑處。

(2)在轉(zhuǎn)子軸身兩端P2、P3位置取切向、徑向及磁性能試樣，切向每個(gè)位置取四個(gè)拉伸試樣、三個(gè)沖擊試樣，徑向每個(gè)位置取三個(gè)拉伸試樣、三個(gè)沖擊試樣，磁性能每處取兩個(gè)試樣，磁性能要求見表2。

表1 力學(xué)性能要求Table 1 Mechanical properties requirements

表2 磁性能要求Table 2 Magnetic performance requirements

按照?qǐng)D1位置，用切環(huán)法做殘余應(yīng)力，殘余應(yīng)力σt不應(yīng)大于切向?qū)崪y(cè)屈服值的10%。

1.3 超聲檢測(cè)要求

調(diào)質(zhì)并加工外輪廓后，對(duì)鍛件進(jìn)行全覆蓋超聲檢測(cè)，超聲檢測(cè)方法采用標(biāo)準(zhǔn)ASTM A388A 388M:2007，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為JBT 7026—2004。

1.4 磁粉檢測(cè)要求

出廠加工并經(jīng)尺寸檢驗(yàn)合格后，要求對(duì)軸承部位、圓弧角及極身上所有凸極四周過渡部位進(jìn)行磁粉檢測(cè)，磁粉檢驗(yàn)方法采用標(biāo)準(zhǔn)ASTM A275A275M:2008，驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)為JBT 7026—2004。

2 生產(chǎn)過程及熱處理工藝設(shè)計(jì)

十字轉(zhuǎn)子鍛件的制造主要工序如下：冶煉鋼錠、鍛造成型、鍛后正火加回火、調(diào)質(zhì)熱處理、各項(xiàng)性能檢測(cè)。

2.1 冶煉與鑄錠

采用“電爐粗煉+精煉+VD+底注”方法冶煉鋼錠，錠重37 t。鍛件綜合性能要求較高，需對(duì)冶煉過程進(jìn)行嚴(yán)格控制，以提高鋼錠純凈性，煉鋼控制要點(diǎn)如下：

(1)原材料選用優(yōu)質(zhì)廢鋼和優(yōu)質(zhì)生鐵，內(nèi)控殘余元素，防止Sn、As、Bi、Sb等元素超標(biāo)[2]。

(2)堿性電爐粗煉鋼水，采用深度吹氧去除鋼水中的有害元素。

(3)精煉爐精煉，在真空條件下采用氬氣攪拌，使氣體隨同氬氣氣泡一同上浮，凈化鋼液[3]。

(4)采用底注澆注，在澆注時(shí)鋼水上升過程中，型腔及鋼水中夾雜物有效上浮，聚集到冒口部位，鍛件本體的偏析、夾渣、裂紋等產(chǎn)品缺陷可以得到有效解決，也使得鍛件性能穩(wěn)定可靠。

2.2 鍛造階段

鋼錠利用率為70%，保證了底部及冒口的切除率，使成分偏差在合理的范圍，要求冒口切除率占錠身重的18%，底部切除率占錠身重的3%。

鍛造過程采用兩鐓兩拔，實(shí)際鍛造比大于等于5，確保鍛件鍛透，有效將粗大的鋼錠鑄造組織打碎，壓實(shí)、焊合鋼錠中的疏松和空洞等缺陷，確保無損檢測(cè)合格。第一火，利用鋼錠冒口壓鉗把，鋼錠錠身倒棱后壓成圓柱，之后切除鋼錠底部，第二火，鐓粗工序，采用連續(xù)鐓粗變形，保證鐓粗變形量，拔長(zhǎng)工序，采用上、下平砧大壓下量拔長(zhǎng)，寬砧強(qiáng)壓法確保拔長(zhǎng)鍛比，控制每砧壓下量均勻一致，盡可能得到相對(duì)均勻細(xì)小的鍛造組織。

控制較低的終鍛溫度以保證鍛件結(jié)構(gòu)緊密并細(xì)化晶粒，防止過高的終鍛溫度使晶粒長(zhǎng)大。

2.3 鍛后正火加回火

鍛造完成后進(jìn)行正火加回火，以消除鍛件內(nèi)部應(yīng)力、改善晶?；炀闆r，另外，在650℃左右回火，使鍛件芯部氣體尤其是氫含量擴(kuò)散到表面，進(jìn)而排出鍛件本體，有效防止了白點(diǎn)的產(chǎn)生。鍛后正火加回火曲線見圖2所示。

2.4 調(diào)質(zhì)熱處理

在制定調(diào)質(zhì)熱處理工藝前，利用Forge有限元數(shù)值模擬軟件對(duì)PPI轉(zhuǎn)子預(yù)先進(jìn)行了淬火工藝模擬優(yōu)化，模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出，鍛件在整個(gè)淬火過程中，鍛件外圓表面的拉應(yīng)力不超過300 MPa，因此鍛件在淬火過程中開裂的風(fēng)險(xiǎn)極低。在整個(gè)鍛件心部的大部分區(qū)域，組織分布以貝氏體為主，有少量的鐵素體，說明熱處理工藝能達(dá)到很好的效果，獲得良好的綜合力學(xué)性能。

基于數(shù)值模擬結(jié)果編制了合理的調(diào)質(zhì)熱處理曲線，見圖4。在鍛件熱處理過程中裝上鎧裝熱電偶，測(cè)試鍛件表面的實(shí)際溫度。

圖2 鍛后正火加回火曲線Figure 2 Normalizing and tempering curve after forging

圖3 淬火數(shù)值模擬結(jié)果Figure 3 Numerical simulation results of quenching

圖4 調(diào)質(zhì)熱處理工藝Figure 4 Quenched and tempered heat treatment process

表3 成品化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical composition of finished products(mass fraction, %)

表4 硬度值(HBW)Table 4 Hardness value (HBW)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

3.1 成品分析結(jié)果

鍛件成品分析見表3。P、S、Cu的含量均控制在較低的水平，氫含量為0.55×10-6，遠(yuǎn)低于技術(shù)要求。其余成分均滿足要求。

3.2 力學(xué)性能

硬度檢測(cè)結(jié)果見表4，可以看出，各部位圓周方向上硬度值差值最大的為軸身處，差值為18HBW。全部硬度值中最大差值為27HBW，整體硬度值較均勻，符合技術(shù)要求。

表5 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果Table 5 Test results of mechanical properties

表6 磁性能結(jié)檢測(cè)果Table 6 Test results of magnetic performance

力學(xué)性能結(jié)果見表5，從結(jié)果可以看出，綜合性能較好，縱向P1屈服強(qiáng)度平均值較要求值高出38%，抗拉強(qiáng)度平均值較要求值高出32%；縱向P4屈服強(qiáng)度平均值較要求值高出31%，抗拉強(qiáng)度平均值較要求值高出29%。切向和徑向的強(qiáng)度值更高，最高的為P2處的徑向值，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別比要求值高出59.6%和43.7%。各處沖擊值均大于80 J，最大沖擊值為P3處徑向沖擊，沖擊值高達(dá)164 J。

磁性能檢測(cè)結(jié)果見表6，從表中可以看出，磁性能結(jié)果符合技術(shù)要求，滿足了34CrMo1A材料對(duì)磁性能的要求。

綜上，鍛件的綜合力學(xué)性能良好。

3.3 超聲檢測(cè)

調(diào)質(zhì)熱處理完成并經(jīng)過機(jī)加工后，對(duì)全部外圓進(jìn)行超聲檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示鍛件無可記錄缺陷，無超標(biāo)缺陷，符合JBT 7026—2004標(biāo)準(zhǔn)。

3.4 磁粉檢測(cè)

鍛件出廠加工后按要求對(duì)軸承部位、圓弧角及極身上所有凸極四周過渡部位進(jìn)行磁粉檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果顯示，所有檢測(cè)表面均無長(zhǎng)度超過1 mm的缺陷。

4 結(jié)論

(1)PPI轉(zhuǎn)子的材質(zhì)為34CrMo1A，材料較為常見，采用研究的生產(chǎn)工藝，包括煉鋼、鍛造、鍛后熱處理及調(diào)質(zhì)熱處理等，通過各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)，生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子鍛件均滿足性能要求，說明其整體工藝合理、可行。

(2)PPI轉(zhuǎn)子成品形狀較為特殊，機(jī)加工及取樣難度較大，在實(shí)際過程中，通過數(shù)控加工及樣板測(cè)量，成功完成了機(jī)加工過程。

(3)首次利用數(shù)值模擬得到淬火時(shí)的組織和應(yīng)力分布情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及模擬手段得出合理的調(diào)質(zhì)曲線，產(chǎn)品力學(xué)性能、磁性能、硬度等各方面均符合要求。