1 000 MW低壓3級(jí)模鍛動(dòng)葉塑性成形模擬研究

宋凌云，何應(yīng)強(qiáng)，劉明松，蔣崢嶸

（東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽，618000）

1 前言

1 000 MW超超臨界汽輪機(jī)是近年百萬級(jí)汽輪機(jī)組發(fā)展的重要代表項(xiàng)目，對(duì)于提升我國百萬級(jí)機(jī)組生產(chǎn)技術(shù)及擴(kuò)大再生產(chǎn)有著極其重要的意義。低壓3級(jí)動(dòng)葉片形狀復(fù)雜，工作條件惡劣，力學(xué)性能要求高，鍛件成形金屬流線要求較好，所以鍛造工藝性差，流動(dòng)規(guī)律難以掌握[1]。通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，該動(dòng)葉模鍛件成型相當(dāng)困難，主要表現(xiàn)在葉片型線薄，鍛造過程中坯料溫度下降過快，金屬在模膛中充型能力困難，成形后期變形抗力大[2]。運(yùn)用數(shù)值模擬分析技術(shù)，對(duì)鍛件成型情況進(jìn)行前期預(yù)測(cè)，確定最佳工藝方案，一次試鍛合格，減小開坯尺寸，實(shí)現(xiàn)降本增效。

2 開坯方案設(shè)計(jì)

葉片模鍛成形過程中，開坯形狀尺寸對(duì)模具型腔充填、充型完整起著決定性作用，需反復(fù)調(diào)整才能滿足鍛件生產(chǎn)。設(shè)計(jì)開坯形狀時(shí)，根據(jù)體積不變?cè)瓌t，將動(dòng)葉片分為若干部分，分別折算為等體積的圓柱體或圓臺(tái)，并通過做截面圖的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。考慮實(shí)際生產(chǎn)中不可能達(dá)到理論成形狀態(tài)，通常需考慮3 mm欠壓作為補(bǔ)償。經(jīng)計(jì)算后各截面圖如1所示。其中上圖實(shí)線為葉片鍛件輪廓線，下圖實(shí)線為各截面折算后的半徑變化曲線，雙點(diǎn)劃線為簡化設(shè)計(jì)后的開坯形狀曲線。因葉根、葉冠投影面積大、鍛件薄，為便于荒坯在模膛中的充填和定位，開坯方案設(shè)計(jì)時(shí)將葉根、葉冠拍扁進(jìn)行試驗(yàn)研究，因葉身扭角大，不宜采用整體拍扁方式，具體形狀尺寸如圖2所示。

圖1 開坯設(shè)計(jì)曲線圖

圖2 開坯形狀尺寸

3 開坯成形模擬分析及優(yōu)化

3.1 初始開坯成形模擬分析

運(yùn)用數(shù)值模擬分析技術(shù)對(duì)坯料在模膛成形過程進(jìn)行模擬分析，并利用結(jié)果對(duì)鍛件成型情況進(jìn)行前期直觀預(yù)測(cè)，確定最佳工藝方案。根據(jù)做截面圖方法輔助設(shè)計(jì)的初始荒坯進(jìn)行成形數(shù)值模擬分析，有限元分析模型如圖3所示。在模擬葉片的成形過程中，定義模具為剛性體，材料為AISIH-13，預(yù)熱溫度300℃。定義坯料為塑性體，材料0Cr17Ni4Cu4Nb（SUS-630），始鍛溫度1 180℃。環(huán)境溫度20℃，界面摩擦系數(shù)0.5（普通機(jī)油）；成形設(shè)備為5噸模鍛錘。初始開坯在欠壓3 mm時(shí)的整體成形結(jié)果如圖4所示，各截面充型情況如圖5所示。

圖3 有限元分析模型

圖4 初始開坯成形分析結(jié)果

圖5 充型情況

從初始開坯成形分析模擬結(jié)果看，葉根、葉冠分料偏少，但基本充型；葉根工藝頭型腔還未充型，欠缺坯料還多；葉身充型基本完整，但產(chǎn)生的飛邊偏少。從以上成形分析情況得知，初始開坯方案設(shè)計(jì)還不合理，需要對(duì)開坯形狀尺寸進(jìn)行調(diào)整，以滿足模具型腔整體充型完整，產(chǎn)生飛邊較均勻。

3.2 優(yōu)化開坯設(shè)計(jì)及成形模擬分析

針對(duì)初始開坯設(shè)計(jì)形狀尺寸不合理的地方進(jìn)行重新計(jì)算和設(shè)計(jì)，經(jīng)優(yōu)化后的開坯形狀尺寸如圖6所示。

圖6 優(yōu)化開坯形狀尺寸

對(duì)優(yōu)化后的開坯形狀進(jìn)行數(shù)值模擬分析，整體成形結(jié)果如圖7所示，各截面充型情況如圖8所示，成形應(yīng)力和溫度分布如圖9所示。

圖7 優(yōu)化開坯成形分析結(jié)果

圖8 優(yōu)化后截

圖9 成形溫度和等效應(yīng)力分布

從整體成形分析結(jié)果看，優(yōu)化后的開坯方案比較合理，整個(gè)葉片鍛模型腔充型完整，且產(chǎn)生的飛邊也很均勻，適合進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)。從成形結(jié)果還可看出葉根、葉冠工藝頭飛邊部位有金屬折疊趨勢(shì)的產(chǎn)生（如圖示部位），對(duì)整個(gè)坯料成形過程分析得知，這是由于自由鍛開坯葉根、葉冠截面遠(yuǎn)比工藝頭截面尺寸大，沒有進(jìn)行工藝頭坯料的局部分料結(jié)果，但從模擬結(jié)果看，該折疊金屬基本轉(zhuǎn)移到飛邊上去了，除葉冠工藝頭邊緣可能還存在折疊，通常切邊后折疊金屬基本不存在，也不影響后續(xù)產(chǎn)品加工質(zhì)量。

從圖9（a）可以看出，坯料成形過程中與模具接觸的區(qū)域冷卻較快，尤其在葉根、葉冠與葉身過渡圓角和工藝頭部位溫度最低，這是由于此區(qū)域在坯料成形過程中與模具接觸時(shí)間最長，熱傳導(dǎo)損失能量最多造成的，然而坯料中部（鍛件產(chǎn)品內(nèi)部）始終處于變形階段，由于坯料成形過程中吸收能量發(fā)生塑性變形，因此其主要變形區(qū)域溫度反而升高，圖中還顯示葉片飛邊溫度也特別高，這是除坯料產(chǎn)生飛邊時(shí)該部分金屬變形量特別大，還有該部位與模具摩擦較多，使溫度變高。從圖9（b）看出，坯料充填成形后應(yīng)力主要分布在鍛件產(chǎn)品四周飛邊處，這主要是因?yàn)榕髁袭a(chǎn)生飛邊的過程中與模具橋部入口圓角產(chǎn)生摩擦力較大，金屬變形較多，從而造成四周應(yīng)力比較集中。

從以上鍛件成形分析結(jié)果可以預(yù)測(cè)，葉片模鍛成形過程中，由于坯料與模具有接觸傳熱，摩擦做功產(chǎn)熱，以及熱功轉(zhuǎn)換等原因，導(dǎo)致模具型腔溫度會(huì)不斷升高[3]。分析得出坯料變形溫度降低的外表面區(qū)域與對(duì)應(yīng)的模具型腔部位，以及模具型腔橋部入口圓角部分，產(chǎn)生的熱交換能量較多，模具溫度會(huì)升高，同時(shí)由于該區(qū)域受擠壓、摩擦做功等因素的影響，會(huì)嚴(yán)重影響模具的強(qiáng)度，長時(shí)間工作甚至?xí)l(fā)生模具圓角塌陷，這些是與實(shí)際生產(chǎn)中模具該處磨損塌陷情況相符的。故要求在模具加工過程中尤其要保證分析所示區(qū)域的熱處理強(qiáng)度和硬度，避免模具過早磨損塌陷甚至開裂造成報(bào)廢。在生產(chǎn)操作中還需通過噴涂潤滑劑來防止模具因溫度上升過高而造成的缺陷。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)

4.1 開坯生產(chǎn)試驗(yàn)

根據(jù)模擬分析優(yōu)化后設(shè)計(jì)出的開坯工藝方案，現(xiàn)對(duì)該低壓3級(jí)正反向模鍛葉片各投5件進(jìn)行生產(chǎn)試驗(yàn)，正反向荒坯生產(chǎn)試驗(yàn)記錄和生產(chǎn)實(shí)物如圖10所示。

圖10 正反向葉片荒坯生產(chǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及實(shí)物圖

4.2 葉片模鍛試制

根據(jù)該低壓3級(jí)動(dòng)葉鍛件投影面積和產(chǎn)品重量測(cè)算，該葉片模鍛需選用5噸模鍛錘進(jìn)行模鍛生產(chǎn)試驗(yàn)，需加熱2火次才能滿足模鍛產(chǎn)品成形充填要求。葉片模鍛毛坯經(jīng)1火次模鍛生產(chǎn)試驗(yàn)后的充型情況如圖11（a）所示，經(jīng)第2火次模鍛再生產(chǎn)試驗(yàn)后的充型情況如圖11（b）所示。

圖11 正向葉片第1、2火試鍛充型

從正向葉片第1火次試鍛充型結(jié)果看，鍛模型腔已基本充型完整，葉片鍛件四周也產(chǎn)生了飛邊，此時(shí)由于模鍛欠壓量還大，預(yù)計(jì)欠壓8～9 mm，產(chǎn)生的飛邊較少，尤其葉身出汽側(cè)產(chǎn)生的飛邊最少，這是由于葉身出汽側(cè)型線特別薄，成形充填抗力大，坯料充型過程中偏向進(jìn)汽側(cè)流動(dòng)，并且鍛造過程中該處坯料溫度下降快，進(jìn)一步造成充型抗力變大。從正向葉片第2火次成形充填情況看，葉片鍛件充型更加完整，四周除出汽側(cè)外，其余部位產(chǎn)生的飛邊基本均勻，比較滿足充型設(shè)計(jì)要求。經(jīng)生產(chǎn)試驗(yàn)記錄，正向葉片坯料第1火次模鍛需17～19錘才能基本充型，坯料經(jīng)第2火次模鍛需7～9錘才能達(dá)到設(shè)計(jì)充型完整要求，此時(shí)鍛件欠壓4～5 mm。正反向葉片經(jīng)模鍛試制后產(chǎn)品。通過檢查和尺寸測(cè)量，模擬分析優(yōu)化后的開坯方案經(jīng)一次模鍛試制后整體充型飽滿，飛邊較均勻，產(chǎn)品尺寸與設(shè)計(jì)尺寸基本一致，說明優(yōu)化后的坯料符合實(shí)際生產(chǎn)。

鍛件經(jīng)后續(xù)熱處理、切邊和打孔后能很好滿足產(chǎn)品加工，但在批量生產(chǎn)過程中有少數(shù)鍛件經(jīng)切邊后出現(xiàn)葉冠工藝頭還有金屬折疊現(xiàn)象，基本不影響打孔以及后續(xù)產(chǎn)品定位、夾持加工。其與鍛件成形模擬分析結(jié)果基本一致，由此可見數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)預(yù)測(cè)產(chǎn)品成形質(zhì)量的有效性和準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文對(duì)1 000 MW低壓3級(jí)正反模鍛動(dòng)葉塑性成形進(jìn)行技術(shù)研究，并運(yùn)用數(shù)值模擬分析技術(shù)對(duì)其成形過程進(jìn)行了細(xì)致分析，形成了以下結(jié)論：

（1）開坯方案設(shè)計(jì)時(shí)，通過做截面圖的方法輔助設(shè)計(jì)，有助于提高荒坯形狀和尺寸的準(zhǔn)確性；

（2）運(yùn)用數(shù)值模擬技術(shù)可以直觀分析坯料模鍛成形情況，以及成形過后鍛件溫度場、應(yīng)力場分布和變化，并有效預(yù)測(cè)了鍛件產(chǎn)品缺陷，對(duì)有效提高產(chǎn)品成形質(zhì)量、生產(chǎn)效率有重要的意義；

（3）通過模擬分析對(duì)開坯方案進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并達(dá)到一次試鍛即滿足鍛件產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案相比，這樣有效減少試鍛次數(shù)和試鍛成本，確保了鍛件產(chǎn)品順利生產(chǎn)；

（4）有限元模擬分析結(jié)果與實(shí)際模鍛試鍛生產(chǎn)過程和結(jié)果基本一致，從而說明數(shù)值模擬技術(shù)可以有效指導(dǎo)實(shí)際模鍛生產(chǎn)，對(duì)有效預(yù)測(cè)產(chǎn)品成形質(zhì)量和缺陷，提高生產(chǎn)效率具有重要的意義。