1 000 MW低壓3級模鍛動葉塑性成形模擬研究

宋凌云，何應強，劉明松，蔣崢嶸

（東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽，618000）

1 前言

1 000 MW超超臨界汽輪機是近年百萬級汽輪機組發展的重要代表項目，對于提升我國百萬級機組生產技術及擴大再生產有著極其重要的意義。低壓3級動葉片形狀復雜，工作條件惡劣，力學性能要求高，鍛件成形金屬流線要求較好，所以鍛造工藝性差，流動規律難以掌握[1]。通過產品結構分析，該動葉模鍛件成型相當困難，主要表現在葉片型線薄，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]。運用數值模擬分析技術，對鍛件成型情況進行前期預測，確定最佳工藝方案，一次試鍛合格，減小開坯尺寸，實現降本增效。

2 開坯方案設計

葉片模鍛成形過程中，開坯形狀尺寸對模具型腔充填、充型完整起著決定性作用，需反復調整才能滿足鍛件生產。設計開坯形狀時，根據體積不變原則，將動葉片分為若干部分，分別折算為等體積的圓柱體或圓臺，并通過做截面圖的方法進行設計。考慮實際生產中不可能達到理論成形狀態，通常需考慮3 mm欠壓作為補償。經計算后各截面圖如1所示。其中上圖實線為葉片鍛件輪廓線，下圖實線為各截面折算后的半徑變化曲線，雙點劃線為簡化設計后的開坯形狀曲線。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，開坯方案設計時將葉根、葉冠拍扁進行試驗研究，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 開坯設計曲線圖

圖2 開坯形狀尺寸

3 開坯成形模擬分析及優化

3.1 初始開坯成形模擬分析

運用數值模擬分析技術對坯料在模膛成形過程進行模擬分析，并利用結果對鍛件成型情況進行前期直觀預測，確定最佳工藝方案。根據做截面圖方法輔助設計的初始荒坯進行成形數值模擬分析，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，預熱溫度300℃。定義坯料為塑性體，材料0Cr17Ni4Cu4Nb（SUS-630），始鍛溫度1 180℃。環境溫度20℃，界面摩擦系數0.5（普通機油）；成形設備為5噸模鍛錘。初始開坯在欠壓3 mm時的整體成形結果如圖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果

圖5 充型情況

從初始開坯成形分析模擬結果看，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，但產生的飛邊偏少。從以上成形分析情況得知，初始開坯方案設計還不合理，需要對開坯形狀尺寸進行調整，以滿足模具型腔整體充型完整，產生飛邊較均勻。

3.2 優化開坯設計及成形模擬分析

針對初始開坯設計形狀尺寸不合理的地方進行重新計算和設計，經優化后的開坯形狀尺寸如圖6所示。

圖6 優化開坯形狀尺寸

對優化后的開坯形狀進行數值模擬分析，整體成形結果如圖7所示，各截面充型情況如圖8所示，成形應力和溫度分布如圖9所示。

圖7 優化開坯成形分析結果

圖8 優化后截

圖9 成形溫度和等效應力分布

從整體成形分析結果看，優化后的開坯方案比較合理，整個葉片鍛模型腔充型完整，且產生的飛邊也很均勻，適合進行生產試驗。從成形結果還可看出葉根、葉冠工藝頭飛邊部位有金屬折疊趨勢的產生（如圖示部位），對整個坯料成形過程分析得知，這是由于自由鍛開坯葉根、葉冠截面遠比工藝頭截面尺寸大，沒有進行工藝頭坯料的局部分料結果，但從模擬結果看，該折疊金屬基本轉移到飛邊上去了，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，也不影響后續產品加工質量。

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

從以上鍛件成形分析結果可以預測，葉片模鍛成形過程中，由于坯料與模具有接觸傳熱，摩擦做功產熱，以及熱功轉換等原因，導致模具型腔溫度會不斷升高[3]。分析得出坯料變形溫度降低的外表面區域與對應的模具型腔部位，以及模具型腔橋部入口圓角部分，產生的熱交換能量較多，模具溫度會升高，同時由于該區域受擠壓、摩擦做功等因素的影響，會嚴重影響模具的強度，長時間工作甚至會發生模具圓角塌陷，這些是與實際生產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域的熱處理強度和硬度，避免模具過早磨損塌陷甚至開裂造成報廢。在生產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 生產試驗

4.1 開坯生產試驗

根據模擬分析優化后設計出的開坯工藝方案，現對該低壓3級正反向模鍛葉片各投5件進行生產試驗，正反向荒坯生產試驗記錄和生產實物如圖10所示。

圖10 正反向葉片荒坯生產試驗數據記錄及實物圖

4.2 葉片模鍛試制

根據該低壓3級動葉鍛件投影面積和產品重量測算，該葉片模鍛需選用5噸模鍛錘進行模鍛生產試驗，需加熱2火次才能滿足模鍛產品成形充填要求。葉片模鍛毛坯經1火次模鍛生產試驗后的充型情況如圖11（a）所示，經第2火次模鍛再生產試驗后的充型情況如圖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火次試鍛充型結果看，鍛模型腔已基本充型完整，葉片鍛件四周也產生了飛邊，此時由于模鍛欠壓量還大，預計欠壓8～9 mm，產生的飛邊較少，尤其葉身出汽側產生的飛邊最少，這是由于葉身出汽側型線特別薄，成形充填抗力大，坯料充型過程中偏向進汽側流動，并且鍛造過程中該處坯料溫度下降快，進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，四周除出汽側外，其余部位產生的飛邊基本均勻，比較滿足充型設計要求。經生產試驗記錄，正向葉片坯料第1火次模鍛需17～19錘才能基本充型，坯料經第2火次模鍛需7～9錘才能達到設計充型完整要求，此時鍛件欠壓4～5 mm。正反向葉片經模鍛試制后產品。通過檢查和尺寸測量，模擬分析優化后的開坯方案經一次模鍛試制后整體充型飽滿，飛邊較均勻，產品尺寸與設計尺寸基本一致，說明優化后的坯料符合實際生產。

鍛件經后續熱處理、切邊和打孔后能很好滿足產品加工，但在批量生產過程中有少數鍛件經切邊后出現葉冠工藝頭還有金屬折疊現象，基本不影響打孔以及后續產品定位、夾持加工。其與鍛件成形模擬分析結果基本一致，由此可見數值模擬技術對預測產品成形質量的有效性和準確性。

5 結論

本文對1 000 MW低壓3級正反模鍛動葉塑性成形進行技術研究，并運用數值模擬分析技術對其成形過程進行了細致分析，形成了以下結論：

（1）開坯方案設計時，通過做截面圖的方法輔助設計，有助于提高荒坯形狀和尺寸的準確性；

（2）運用數值模擬技術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、應力場分布和變化，并有效預測了鍛件產品缺陷，對有效提高產品成形質量、生產效率有重要的意義；

（3）通過模擬分析對開坯方案進行設計優化，并達到一次試鍛即滿足鍛件產品設計要求，和傳統設計方案相比，這樣有效減少試鍛次數和試鍛成本，確保了鍛件產品順利生產；

（4）有限元模擬分析結果與實際模鍛試鍛生產過程和結果基本一致，從而說明數值模擬技術可以有效指導實際模鍛生產，對有效預測產品成形質量和缺陷，提高生產效率具有重要的意義。