李 波 謝 彬 龍正建 孫東海

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

超臨界機(jī)組用中壓模鍛動(dòng)葉片作為汽輪機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分核心產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)復(fù)雜且扭曲程度及塑性成形技術(shù)前期無(wú)經(jīng)驗(yàn)借鑒，需借助現(xiàn)有設(shè)備資源、技術(shù)資源及DEFORM軟件等進(jìn)行相應(yīng)分析及研究。

1 葉片結(jié)構(gòu)及成形技術(shù)分析

超臨界機(jī)組用中壓模鍛動(dòng)葉片結(jié)構(gòu)較為特別，其葉根較大且為斜向菌形葉根，葉冠為圓錐弧形斜冠，汽道長(zhǎng)度超過(guò)360 mm，初步計(jì)算葉片毛坯重量達(dá)到25 kg以上。從該葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析，在塑性成形過(guò)程中有以下技術(shù)難點(diǎn)：

(1)葉片投影面積大，基本已經(jīng)達(dá)到目前廠內(nèi)模鍛錘極限能力，成形過(guò)程中在過(guò)渡處容易出現(xiàn)充形不滿。

(2)葉根、葉冠外形均為矩形，在設(shè)計(jì)葉片毛坯及旋轉(zhuǎn)鍛壓角平衡打擊力時(shí)，必然造成葉根、葉冠斜面陡峭，且兩個(gè)對(duì)角點(diǎn)落差大，形成充型難點(diǎn)。

(3)該葉片加上工藝頭，葉片總長(zhǎng)達(dá)540 mm以上，且各部分坯料分配不均，必須要設(shè)計(jì)最為合理的荒坯形狀才能有效地充滿型腔。所以如何合理開(kāi)坯，用最少的鍛造火次將鍛件充型飽滿且將欠壓量控制在合理范圍之內(nèi)是成形過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)。

2 葉片鍛件毛坯設(shè)計(jì)

超臨界機(jī)組用中壓模鍛動(dòng)葉片型線扭角較大，為平衡打擊力，且便于充型，需將葉片旋轉(zhuǎn)一定角度。經(jīng)過(guò)計(jì)算，并綜合考慮葉根、葉冠截面及斜度，將該葉片型線旋轉(zhuǎn)151°比較合理。同時(shí)為了保證模鍛葉片的加工余量，根據(jù)模鍛葉片放量標(biāo)準(zhǔn)，模鍛葉片汽道部分放量3 mm，葉根和葉頂放量5 mm。但由于19個(gè)葉身截面扭角較大，在處理型線時(shí)，無(wú)法有效地將所有截面的進(jìn)汽邊或出汽邊分模線處理在同一條直線上，為此，我們選擇三段式分模，以G-G、O-O截面為分界點(diǎn)，將葉片型線的進(jìn)汽邊和出汽邊分模線分別處理成三段直線。處理之后繪制的冷鍛件三維圖如圖1所示，選取的分模面如圖2所示。

圖1 中壓動(dòng)葉片冷鍛件Figure 1 Cold forging of medium pressure moving blade圖2 中壓動(dòng)葉片分模面Figure 2 Parting surface of medium pressure moving blade

3 鍛模設(shè)計(jì)

為了使葉片毛坯在模膛受均勻打擊力便于成形，需保證葉片在模鍛時(shí)受力均勻，并平衡模具的側(cè)向剪應(yīng)力。同時(shí)由于該葉片成形打擊力較大，需提高模具的制造精度，并增大模具的各向鎖模力，為了減小模具的錯(cuò)移采用了角鎖口結(jié)構(gòu)，鎖口尺寸長(zhǎng)寬高的比例大致選為3∶2∶1。鍛模模膛及鎖口如圖3所示，并進(jìn)行了一系列打孔工裝及樣板檢測(cè)工裝設(shè)計(jì)，本文不進(jìn)行闡述。

圖3 鍛模模膛及鎖口結(jié)構(gòu)圖Figure 3 Structure diagram of forging die boreand lock mouth

4 試驗(yàn)過(guò)程

4.1 鍛造溫度選擇

該動(dòng)葉片用鋼14Cr12Ni3Mo2VN是一種馬氏體耐熱不銹鋼，該鋼化學(xué)成分設(shè)計(jì)合理，常溫和高溫下力學(xué)性能良好，缺口敏感性小，減震性及抗松弛性能良好。依托公司前期對(duì)該材料的研究成果，選擇始鍛溫度1150℃，終鍛溫度850℃作為鍛造溫度工藝參數(shù)。

4.2 荒坯形狀設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)荒坯形狀時(shí)，根據(jù)體積相等原則，將該動(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(guò)做截面圖的方法進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)。截面圖見(jiàn)圖4，圖中上部分實(shí)線為葉片鍛件形狀，下部分實(shí)線為各截面折算為圓柱后的半徑變化曲線，雙點(diǎn)劃線為我們簡(jiǎn)化以后的毛坯半徑。這樣整個(gè)葉片毛坯形成了兩頭大中間小的啞鈴狀，具體尺寸見(jiàn)圖5，為方便毛坯在模鍛模膛中的定位，我們將葉根、葉冠拍扁成十字交叉的扁圓形狀。

4.3 有限元模擬分析

根據(jù)做截面圖方法輔助設(shè)計(jì)的初始荒坯形狀尺寸，進(jìn)行成形數(shù)值模擬分析。在模擬葉片成形過(guò)程中，先未考慮模具的工作狀況，定義模具為剛性體，模具材料為AISI H13，預(yù)熱溫度300℃；定義坯料為塑性體，材料14Cr12Ni3Mo2VN，始鍛溫度1150℃。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50 kN模鍛錘，初始開(kāi)坯欠壓設(shè)置3 mm。

模擬分析后整體成形結(jié)果如圖6所示，各截面充型情況如圖7所示。從整體成形分析結(jié)果看，優(yōu)化后的開(kāi)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，比較適合進(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存在金屬折疊趨勢(shì)，這是由于自由鍛開(kāi)坯葉根、葉冠截面遠(yuǎn)比工藝頭截面尺寸大，沒(méi)有進(jìn)行工藝頭坯料的局部分料的結(jié)果(由于工藝頭局部分料需要額外的模具工裝，為簡(jiǎn)化自由鍛開(kāi)坯形狀，將工藝頭用料全部設(shè)計(jì)到葉根、葉冠用料上)，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存在折疊，通常切邊后基本不存在折疊金屬，不影響后續(xù)產(chǎn)品加工質(zhì)量。

圖4 動(dòng)葉片截面圖Figure 4 Cross-sectional diagram of moving blade

圖5 動(dòng)葉片荒坯尺寸圖Figure 5 Dimension drawing of moving blade blank

圖6 開(kāi)坯成形分析結(jié)果Figure 6 Analysis results of blank forming

圖7 充型情況Figure 7 Filling situations

從成形溫度分布(見(jiàn)圖8)可以看出，坯料成形過(guò)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(guò)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(guò)程中與模具接觸時(shí)間最長(zhǎng)，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(guò)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，這是由于坯料產(chǎn)生飛邊時(shí)該部分金屬不僅變形量特別大，而且該部位與模具摩擦較多，因變形摩擦做功使溫度變高。從等效應(yīng)力分布(見(jiàn)圖9)可以看出，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)榕髁显诋a(chǎn)生飛邊過(guò)程中與模具橋部入口圓角產(chǎn)生的摩擦力較大，金屬變形較多，從而造成四周應(yīng)力比較集中。

圖8 成形溫度分布Figure 8 Forming temperature distribution

圖9 等效應(yīng)力分布Figure 9 Equivalent stress distribution

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(guò)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。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(zhǎng)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)中該處模具磨損塌陷情況相符的。故要求在模具加工過(guò)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(guò)早磨損塌陷甚至開(kāi)裂造成報(bào)廢。在生產(chǎn)操作中還需通過(guò)噴涂潤(rùn)滑劑來(lái)防止模具因溫度上升過(guò)高而造成的缺陷。

5 荒坯形狀定型及模鍛葉片試制

依托有限元模擬分析荒坯尺寸后，進(jìn)行試制荒坯5件，自由鍛開(kāi)坯后荒坯情況如圖10所示，模鍛成形切邊后，目視檢查，模鍛成形效果較好，葉片充型飽滿且飛邊連續(xù)均勻，模鍛葉片毛坯質(zhì)量良好，棱角充填飽滿。

6 產(chǎn)品檢查

通過(guò)性能熱處理、噴丸、打孔檢查后選樣送檢，結(jié)果顯示力學(xué)性能均合格。為分析該模鍛葉片的余量分布情況，并驗(yàn)證該模鍛葉片能否滿足下工序加工要求，我們除了對(duì)試制的5件模鍛葉片逐件進(jìn)行樣板檢測(cè)外，還從中抽取兩件進(jìn)行了三坐標(biāo)檢測(cè)，其模鍛葉片實(shí)物型線與葉片理論型線輪廓對(duì)比圖見(jiàn)圖11，余量分布比較均勻，檢測(cè)結(jié)果符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖10 試鍛荒坯及模鍛葉片實(shí)物Figure 10 Trial forging blanks and die forging blades圖11 葉片實(shí)物型線與葉片理論型線輪廓對(duì)比圖Figure 11 Comparison of actual profile and theoretical profile of blade

7 結(jié)論

通過(guò)對(duì)超臨界機(jī)組用中壓模鍛動(dòng)葉片成形技術(shù)研究，通過(guò)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析、模具設(shè)計(jì)、數(shù)值模擬等研究過(guò)程相互驗(yàn)證及試驗(yàn)，提高了荒坯尺寸的準(zhǔn)確性，減少了模具試鍛周期；且結(jié)合葉片毛坯試制及生產(chǎn)，驗(yàn)證了該毛坯設(shè)計(jì)、荒坯形式以及鍛造工藝參數(shù)的合理性；并通過(guò)鍛后性能熱處理工藝試驗(yàn)及三坐標(biāo)檢測(cè)等方式，檢查了其組織性能、充型狀態(tài)及飛邊情況等，確定了該模鍛動(dòng)葉片成形技術(shù)參數(shù)及流程，攻克了該類(lèi)葉片模鍛成形技術(shù)瓶頸，為公司后續(xù)同類(lèi)產(chǎn)品提供了技術(shù)儲(chǔ)備及研究方向。