燃機動葉片模鍛工藝研究

李　波　龍正建　劉明松　何應強　蔣崢嶸

(東方汽輪機有限公司，四川618000)

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燃機動葉片模鍛工藝研究

李波龍正建劉明松何應強蔣崢嶸

(東方汽輪機有限公司，四川618000)

摘要：對燃機動葉片的結構特點、鍛模設計、模鍛工藝進行了分析設計，并利用Deform-3D數值模擬軟件對模鍛工藝參數進行優化分析，制定了合理的模鍛工藝。

關鍵詞：燃氣輪機；葉片；模具設計；模鍛工藝

燃氣輪機為高效率、大出力型機組，燃機葉片是燃氣輪機的核心部件。為加快燃氣輪機國產化，降低生產成本，形成批量制造能力，加快生產進度，縮短生產周期，增強自主制造能力，需對動葉片進行模鍛工藝研究。本文主要對燃機動葉片模鍛工藝研究進行闡述。

1葉片結構特點

燃氣輪機動葉片一般采用05Cr17Ni4Cu4Nb和1Cr12Mo等耐熱不銹鋼材料。圖1為常規燃機動葉片冷鍛件三維圖，其葉片結構有如下幾個特點：

圖1　燃機動葉片冷鍛件三維圖

(1)葉片為“倒T型”斜葉根大扭度型線彎扭葉片。由于其形狀復雜，鍛造時產生不等的錯移力，模具設計需考慮錯移力的平衡。

(2)材料塑性較差，變形抗力較大。由于葉片材料為耐熱不銹鋼，材料塑性較差，變形抗力較大，金屬流動性差，不易成形。

(3)葉片型線氣流方向弦長較寬，厚度尺寸較薄。這種薄而寬的結構易引起鍛造時坯料流動阻力大，坯料與模膛之間熱傳遞較快，坯料溫度下降快，金屬在模膛中充型難度加大。

(4)自由鍛開坯質量不易控制。其形狀較復雜，開坯時各部位的金屬不易分配均勻。

(5)材料利用率不易達到最優化。傳統工藝方法鍛造，在材料的利用率上不易達到最優，往往需浪費材料來滿足局部充滿，很難控制與分析。

(6)葉根與葉身以斜截面連接，如何準確保證葉片進、出汽邊開檔尺寸，成為葉片毛坯設計及模具設計一大難點，同時在鍛造方向上形成高低兩個尖點，高低兩點均為葉片鍛造時的充型難點，尤其是高尖點與葉身斜截面交匯處為充型盲區。

2鍛模設計

2.1葉片余量

為滿足后續機加工要求及消除鍛造過程中產生的氧化皮、脫碳、滲碳、折疊、表面裂紋等缺陷，模具設計前需考慮毛坯余量。以模鍛葉片復雜程度、設備精度及模鍛工藝方法為依據，模鍛葉片汽道部分單邊余量為3 mm，葉根及工藝頭部分單邊余量為5 mm。

2.2型線調整

為平衡鍛模型腔受力均勻以減少模鍛時產生的錯移力，將對模鍛葉片各截面型線進行平衡處理，受力分析圖如圖2，將葉片在模膛中的位置旋轉一個θ角。θ值確定主要有三角相加法、矢量作圖法、變形量求解法和作圖法等4種常用方法。本文以三角相加法為例計算旋轉角，分別作進出汽邊圓角部分圓心連線，與X軸相交，求得與X軸的夾角α1、α2…、αn，然后相加取平均值。θ=α1+α2+…αn/n(n為截面數)≈44°。綜合考慮葉根及工藝頭的受力情況，選定θ為44°。

圖2　受力分析圖

2.3分模面選擇

為保證鍛件容易脫模，易于檢查上下模膛的相對錯移，分模面應在鍛造方向的最大投影面上，同時考慮模具加工難度，在保證成形可行性的前提下應對分模線進行調直處理。對型線截面AA-AY過進出汽側的圓心作水平長度為L(一般為5 mm～8 mm)的直線，獲取調直前初定的P1、P2點。結合空間理論和幾何思維，要完成調直處理須將每個截面型線對應P1、P2坐標中X1、Y1與X2、Y2值分別調為一條空間直線即可。

2.4冷熱鍛件設計

冷熱鍛件設計在保證余量的前提下，應考慮鍛件充型難易程度的合理性及后續檢測的可行性，尤其考慮型線與葉根過渡部分、型線與工藝頭過渡部分成形，設計時在過渡部分采用圓弧R30 mm過渡，為便于鍛件檢測設計了Z向定位線。由于采用熱模鍛成形，因此熱鍛件需要考慮加放熱收縮量，綜合其材料特性加放熱收縮量為1.2%。

2.5模塊設計

按其葉片批量化大小及產品尺寸大小等要求，模具可設計為整體單型腔模、整體多型腔模、鑲塊鍛模三種形式。綜合三種鍛模設計優點和成形特點，考慮到整體單型腔模有設計簡單、模塊尺寸小、制造成本低、操作簡單等優點，結合該葉片產品的成形特點，選用整體單型腔開式鍛模。根據葉片外形尺寸及設備參數選用了350 mm×650 mm×720 mm的模塊，如圖3所示。

圖3　燃機動葉片鍛模模塊圖

2.6飛邊槽設計

開式模鍛的終鍛型腔周圍均有飛邊槽，對鍛件體積及質量有調節、補償作用，可使金屬在充型中具有足夠大阻力，保證模鍛成形的穩定性。飛邊槽的形狀、尺寸與鍛件形狀、尺寸有關，也和終鍛前毛坯體積及形狀有關。考慮橋部和倉部都設在上模上的飛邊槽上，上模受熱時間短，溫度較低，不易產生過熱和磨損等優點，選用此類飛邊槽。飛邊槽設計尺寸如圖4所示。

圖4　飛邊槽設計尺寸

2.7模膛設計

為使坯料在模膛受均勻打擊力，解決打擊偏心問題，從左右兩邊投影面積基本對稱原則出發，將葉片型線中心與模具燕尾中心作一定偏移，并將葉片朝葉根工藝頭方向作一定位移，保證坯料在模膛里受力平衡。燃氣輪機動葉片外形尺寸修長，其型線、葉根工藝頭及葉頂工藝頭之間存在過渡，需提高模具制造精度和表面粗糙度。燃氣輪機動葉片鍛模采用整體模結構(圖5)。

圖5　燃機動葉片鍛模圖

3荒坯設計

荒坯設計是模鍛葉片能否成型的關鍵。整個葉片毛坯相對比較扁平均勻分布，按照金屬塑性成形體積不變原則，將各個截面進行體積計算后進行預制坯尺寸設計，同時便于荒坯料在模膛中定位，預制坯葉根部分進行拍扁處理，即為扁平“T”型坯料，有利于坯料在模膛里定位，如圖6所示。

4模擬分析及試驗驗證

利用數值模擬分析軟件檢驗坯料及在模具中充填情況，以便優化開坯尺寸，從而減少試鍛次數，節約原材料及鍛造費用。成形分析情況如圖7所示。將預期設計的坯料形狀進行模擬分析：(1)可以預判葉片開坯各部位金屬分配是否合理；(2)飛邊分配情況，通過尺寸調整可以最大限度地提高材料的利用率；(3)各部位是否有折疊、裂紋產生，為開坯工藝優化提供依據；(4)判定坯料擺放到模具型腔是否為最佳位置。從分析情況來看整體成型效果良好，只是葉冠與葉身過渡部分飛邊較少，適當調整尺寸即可。成型效果良好，飛邊均勻，坯料形狀模擬結果能夠滿足模鍛工藝要求。

通過對模擬分析優化調整后的模鍛工藝進行驗證試驗，模鍛后對葉片毛坯切邊后目視檢查，毛坯充型飽滿，飛邊均勻。說明模具設計合理、荒坯設計合理，滿足了模鍛工藝要求。

圖6　模鍛荒坯形狀圖

圖7　成形模擬充填效果

5鍛件檢查

模鍛葉片熱處理后，力學性能、金相組織和晶粒度等檢驗滿足相關標準要求。為驗證模鍛動葉片尺寸的準確性，對其進行了三坐標檢測，檢測結果驗證其毛坯余量均勻合格。只有個別葉片出現余量偏向內弧側，主要原因為打中心孔時以葉片毛坯背弧為基準，毛坯鍛造欠壓量偏向葉片內弧側導致，控制打中心孔即可避免。

6結論

通過對燃機動葉片模鍛工藝的研究，掌握了該模鍛葉片成型的控制要點及難點，并重點研究了該葉片的結構特點、模具設計、荒坯設計及充填模擬分析，為優化模鍛動葉片工藝和模具設計提供了科學依據。同時，還通過生產試驗對該研究結果進行了驗證，其試驗結果證明了研究結論的正確性，該模鍛動葉片工藝研究成果已形成技術儲備，為汽輪機類似動葉片模鍛成形夯實了基礎。

參考文獻

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編輯杜青泉

Research on Die Forging Process of Moving Blade for Gas Turbine

Li Bo, Li Zhengjian, Liu Mingsong, He Yingqiang, Jiang Zhengrong

Abstract：The analysis and design of structure characteristic, forging die design and die forging process for gas turbine have been performed. By adopting DEFORM-3D numerical simulation software, the parameters of die forging process has been analyzed and optimized, and the reasonable die forging process has been prepared.

Key words：gas turbine; blade; mold design; die forging process

作者簡介：李波(1984—)，男，工程師，主要從事鍛壓技術研究及技術服務。電話：13548258896，E-mail：libodec@mail.dfstw.com

收稿日期：2015—07—09

中圖分類號：TG316.3

文獻標志碼：B