大型轉子鍛件局部表面缺陷修復的數值模擬

■天津重型裝備工程研究有限公司　季雪，曹志遠，鄭會賽，時立佳

大型轉子鍛件局部表面缺陷修復的數值模擬

■天津重型裝備工程研究有限公司季雪，曹志遠，鄭會賽，時立佳

發電設備向著大容量方向發展，機組不斷大型化，使轉子鍛件尺寸、重量隨之增加，對材料力學性能要求也越來越高。鋼錠越大，偏析越嚴重，內部缺陷越多，對鍛造要求也越高。為達到壓實目的，達到相應鍛造比，壓下量增大，砧子搭接部位難免留下折傷；鍛件重量增加，鍛造難度加大，多次返爐、換附具，吊鉗難免在軸身留下抓痕。而近年鍛造倡導近凈成形，隨著節能降耗的推進，鍛造余量也越來越少，因此大型轉子鍛件有可能由于局部的折傷、抓痕等缺陷而達不到交貨要求，面臨報廢。

由于轉子鍛件交貨前大都需要開槽，開槽前如果將有多料部位的余量通過某種附具某種方法流動到缺料部位，即可達到消除表面缺陷的目的。為此，進行了大量的數值模擬，以解決大型轉子鍛件件大而局部缺陷很小的問題。

1. 局部存在尺寸缺陷轉子

現有存在表面缺陷的大型轉子鍛件，其現狀為鍛后粗加工階段，如圖1a所示。在軸身部位存在軸向長度約40mm、徑向尺寸較交貨目標直徑（φ1900mm）單面約6mm的不規則缺陷。其交貨圖見圖1b，最大截面直徑為φ1900mm，總長度為8000mm，軸身長4500mm，軸身有凹槽。缺陷位置對應交貨圖中220mm凸臺處，凸臺兩側各有軸向長度為250mm和140mm的凹槽，槽深均為585mm。

2. 評價標準

如上述缺陷可通過模具擠壓，將多料部位金屬流向缺料部位，使工件最終尺寸滿足交貨要求，實際生產前需進行數值模擬，尋求合理模具及方式進行修復。

由于缺陷部位相對整個軸身尺寸極小，如果建模時預置缺陷，即使將局部網格細化，變形過程也極易產生網格畸變，不斷重分網格，以致缺陷部位被網格覆蓋，導致模擬失真。如圖2所示，假設實際工件為圖2a粗線輪廓，Ⅰ框內為缺陷缺料部位，可建模為圖2b粗線輪廓（即無缺陷表面），只要使對應缺陷Ⅱ部凸起部位的高度、寬度均大于Ⅰ部凹陷部位，即視為達到修復要求。

3. 數值模擬計算

圖1　轉子鍛件

圖2　缺陷形狀示意

（1）建立三維實體模型坯料模型設置長度為4500mm，直徑φ1900mm（轉子軸身尺寸），在軸身部位開槽（對應交貨要求為凹槽部位），坯料、模具及模型具體尺寸如圖3所示，假設缺陷部位位于300mm的凸臺部位（此凸臺定義為A部）。

（2）網格及劃分由于變形量較大，網格選擇適應邊界能力

強的四面體單元。一般來講，網格數目越多則結果越趨近于理論值。選擇的網格數目既要保證計算結果的收斂，又不能過多。經過摸索，現將網格設置為20萬個。

（3）邊界條件邊界條件包括力邊界條件、位移邊界條件。轉子的凹槽部位及軸身分別與上下模作接觸處理。將下模底部節點位移均設為零。錘頭的位移通過設置其步數和步長給定。

（4）溫度場設置模具和室溫均設為20℃，且室溫恒定不變。工件溫度設置如圖4所示，A部設置溫度為950℃，其余部位設置為650℃。根據實際修復過程，計算分兩個階段進行。第一階段為工件在室溫中散熱，該階段為自由散熱過程，設定散熱時間為30min。第二階段為工件與上下模接觸，上模壓下的塑性變形的過程。工件外表面均設置為熱交換面。

4. 模擬結果

第一階段溫降30min后溫度場結果如圖5所示，A部溫度由950℃降至650～800℃。

當錘頭下壓300mm時，溫度場及尺寸測量結果如圖5、圖6所示。A部軸向尺寸減小，徑向尺寸加大。為評價模擬結果，定義X、Y1、Y2三個尺寸，具體含義及壓前壓后尺寸對比如附表所示，同時結合圖6。結果表明A部軸向尺寸大于交貨圖樣要求的220mm，徑向返料約6.32379～18.0833mm，完全滿足軸向長度約40mm、徑向尺寸約6mm的缺陷修復要求。

圖3　模擬模型

圖4　采用溫度場計算2#缺陷修復方案1后處理

圖5　采用溫度場計算2#缺陷修復方案1前處理

圖6　錘頭下壓300mm效果

模擬前后尺寸對比　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（mm）

5. 結語

通過對大型轉子表面缺陷的數值模擬發現，局部加熱后，可以通過特殊附具進行局部擠壓等方式，使坯料由多料部位流動到缺料部位，達到局部修復的目的。此法可有效解決大型鍛件由于局部表面小缺陷而面臨報廢的問題。

20150706