韓曉蘭，范淑琴，趙升噸，徐 凡

（西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049）

離心風機葉輪蓋盤熱鍛有限元分析

韓曉蘭，范淑琴，趙升噸，徐 凡

（西安交通大學機械工程學院，陜西西安710049）

采用熱鍛工藝方法對離心風機中葉輪蓋盤進行成形研究。首先對蓋盤常用材料FV520B進行了熱模擬性能測試，建立了該材料的本構方程，利用該本構方程在Deform-3D平臺下對蓋盤熱鍛成形過程進行了有限元模擬研究，獲得了蓋盤熱鍛成形過程中成形力的變化，以及成形工件的應力、應變、溫度和損傷分布，為蓋盤熱鍛成形新工藝的實驗研究提供了理論依據。

機械制造；葉輪蓋盤；熱鍛成形；本構方程；有限元分析

1 引言

葉輪蓋盤和輪盤是離心風機的主要組成部分，其形狀和加工制造質量直接影響到風機的工作性能。一臺離心風機有時也會用到多組的蓋盤和輪盤。目前的葉輪蓋盤和輪盤制造方法是機械加工方法，包括粗加工、精加工兩道工序。葉輪蓋盤和輪盤所用材料為不銹鋼FV520B材料，該材料是英國Firth-Vickers材料研究室研究開發(fā)的又一種沉淀硬化不銹鋼，是在原FV520鋼的基礎上研制出的新型低碳馬氏體沉淀硬化不銹鋼，具有優(yōu)良的耐蝕性能和與一鋼相近的焊接性，還具有良好的沖擊韌度和較大截面上理想的橫向性能。主要應用于齒輪、螺栓、軸、輪盤、葉片、轉子、泵件等場合[1][2]。該材料為專用材料，價格較貴。采用純機械加工方法時材料利用率很低（小于10%），后續(xù)機加工量大，制造成本高，加工周期長。

為了生產出低成本、高質量的葉輪蓋盤和輪盤，采用了鍛造加工的新方法。由于有限元數值模擬研究方法可減少試驗重復次數，節(jié)約試驗成本，因此本文采用有限元方法對該新工藝的成形機理進行研究。首先對蓋盤材料FV520B進行了熱模擬性能測試實驗，獲得了FV520B材料的本構方程。在此基礎上采用Deform-3D有限元分析軟件對蓋盤熱鍛成形進行了深入的有限元分析。獲得了蓋盤熱鍛成形時鐓粗、旋鍛、沖孔和壓彎過程成形力的變化，以及成形工件應力、應變、損傷及溫度分布，為后續(xù)的蓋盤熱鍛成形新工藝的實驗研究奠定了理論基礎。

2 FV520B的本構方程

在河南科技大學數控動態(tài)熱力學物理模擬試驗機上進行FV520B材料的熱模擬性能測試。實驗采用5種溫度、4種應變速率且變形量為60%的目標條件，獲得了20個測驗試件，壓縮實驗為?10mm×15mm的圓柱體。本次實驗獲得4組實驗樣件。熱壓縮實驗得到的最終樣件照片如圖1所示。

圖1 試驗后的樣件照片

本構關系是材料流變應力與熱加工參數之間最基本的函數關系，是進行金屬塑性變形工藝設計和控制的基礎。選用已廣泛用于金屬材料熱變形中的雙曲正弦模型來描述流變應力σ與變形溫度T和應變速率ε˙的關系[3][4]。

式中：ε˙——應變速率；

σ——流變應力；

n——應變速率敏感系數的倒數；

T——變形溫度；

R——氣體常數，R=8.3145J·mol-1·K-1；

A，a——材料常數；

Q——變形激活能，其大小反映了材料塑性變性的難易程度。

根據壓縮試驗的數據，利用origin軟件進行數據處理，可得方程中的各參數。不同的應變條件下的β，n1，α，Q，n，A 值，對 α、n、Q、lnA 的值，用五次多項式進行擬合，擬合結果如下：

3 蓋盤熱鍛成形有限元分析

Deform-3D是在一套基于工藝模擬系統的有限元系統，專門設計用于分析各種金屬成形過程中的三維流動，提供極有價值的工藝分析數據及有關成形過程中的材料和溫度流動。典型的Deform-3D包括鍛造、擠壓、軋制、自由鍛、彎曲和其他成形加工手段。

Deform-3D是模擬3D材料流動的理想工具。它不僅魯棒性好，而且易于使用。其強大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中多個關聯對象耦合作用的大變形和熱特性。系統中集成了在任何必要時能夠自行觸發(fā)自動網格重劃分生成器，生成優(yōu)化的網格系統。在要求精度較高的區(qū)域，可劃分較細密的網格，從而降低題目的運算規(guī)模，并顯著提高計算效率。

3.1 蓋盤成形工藝方案

如圖2所示為某規(guī)格的蓋盤零件的幾何外形尺寸示意圖。本文的蓋盤熱鍛成形工藝包括鐓粗、旋鍛、沖孔和壓彎。首先將棒料置于鐓粗及旋鍛的下模具中進行鍛造，鍛造到指定高度后進行沖孔，最后進行壓彎得目標鍛件。

圖2 蓋盤鍛件示意圖

3.2 蓋盤熱鍛成形過程有限元模擬

3.2.1 鐓粗

依據經驗，對自由鍛側余量取20mm，胎模鍛側余量取15mm，計算其體積為100787011.772mm3。根據塑性變形體積不變原則，初始坯料選擇?500mm×515mm的棒料有限元模型。

3.2.1.1 有限元模型

根據坯料和模具的幾何尺寸及成形工藝要求，建立了蓋盤成形工藝方案一的鐓粗成形有限元模型。坯料材料FV520B，其材料的應力應變曲線是通過材料熱模擬實驗得到的；上模、下模材料直接用Deform-3D自帶的材料庫中的AISI-H-13[1450-1850F（800-1000C）]。摩擦系數 0.3，熱傳導系數 11。最終得到的有限元模型如圖3所示。

圖3 蓋盤鐓粗成形有限元模型（第一火）

3.2.1.2 模擬計算結果工件第一火鐓粗時的始鍛溫度設為1150℃，鐓粗到318mm時第一火鐓粗結束。第一火鐓粗過程中成形力的變化曲線如圖4（a）所示，工件應力應變場、溫度場和損傷的分布情況如圖5所示。由于坯料與模具之間的熱傳遞，使得坯料上下端面的溫度明顯降低，應力應變也是在上下端面與模具接觸的部位較大。第二火鐓粗時，溫度設置為1135℃，最終鐓粗到195mm。鐓粗過程中的鐓粗力變化曲線如圖4（b）所示，最大值為1967t。第二火鐓粗成形最終工件的應力應變分布、溫度場分布和損傷分布見圖6。

3.2.2 旋鍛

在鐓粗的基礎上進行旋鍛，旋鍛所用胎模與鐓粗的胎膜相同，旋鍛錘頭用液壓機配套錘頭1100mm×380mm×500mm，始鍛溫度1135℃，最終得到的工件形狀如圖7所示。

3.2.2.1 有限元模型

在蓋盤鐓粗成形有限元模擬的基礎上進行了蓋盤的旋鍛成形有限元模擬，如圖8所示為蓋盤旋鍛有限元模型。坯料、上模和下模材料均與前述鐓粗成形模擬中的設置相同,摩擦系數0.3,熱傳導系數11。

3.2.2.2 模擬計算結果

通過模擬計算。得到旋鍛過程中旋鍛錘頭對工件施加作用力的變化曲線，如圖9所示。旋鍛過程中最大旋鍛力為1976t。旋鍛后工件的應力應變分布、溫度場分布和損傷分布如圖10所示。

3.2.3 沖孔

在旋鍛的基礎上完成沖孔工藝。始鍛溫度1135℃，最終得到的工件形狀如圖11所示。

圖11 沖孔成形后工件最終外形尺寸

3.2.3.1 有限元模型

在蓋盤旋鍛成形有限元模擬的基礎上進行蓋盤的沖孔成形有限元模擬，如圖12所示。坯料、上模和下模材料均與前述設置相同，摩擦系數0.3，熱傳導系數11。

圖12 沖孔成形有限元模型

3.2.3.2 模擬結果

沖孔前加熱工件到1135℃，完成沖孔工藝，其沖孔過程中沖頭施加力的變化情況如圖13所示，最大力約為111t。

圖13 蓋盤沖孔成形過程中沖孔力的變化曲線

沖孔成形后的工件應力應變、溫度常、損傷的分布情況如圖14所示，在孔的四周應力應變較大，并且溫度較低。

3.2.4 壓彎

對沖孔后的工件進行壓彎成形。始鍛溫度1135℃，最終得到的工件形狀如圖15所示。

3.2.4.1 壓彎有限元模型

在蓋盤沖孔成形有限元模擬的基礎上進行了蓋盤的壓彎成形有限元模擬，如圖16所示。坯料、上模和下模材料均與前述設置相同，摩擦系數0.3，熱傳導系數11。

3.2.4.2 模擬結果

壓彎前加熱工件到1135℃，完成壓彎工藝，其壓彎過程中上模具施加力的變化情況如圖17所示，最大力約為780t。

壓彎成形后的工件應力應變、溫度場、損傷的分布情況如圖18所示。

4 結論

本文采用熱鍛工藝對離心風機葉輪蓋盤進行成形研究。首先對蓋盤常用材料FV520B進行了熱模擬性能測試，建立了該材料的本構方程，利用該本構方程在Deform-3D平臺下對蓋盤熱鍛成形過程進行了有限元數值模擬研究，獲得了蓋盤熱鍛成形過程中成形力的變化，以及成形工件的應力、應變、溫度和損傷分布。蓋盤熱鍛成形過程中工件上下端面的溫度降低明顯，這是坯料與模具之間的熱傳遞造成的，而應力應變在模具接觸部位較大，熱鍛成形各工藝的成形力均小于2000t，設備要求易于實現。

[1] 李榮鵬.鑄造馬氏體沉淀硬化不銹鋼葉輪材料及工藝的研究[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學，2006-05.

[2] 劉曉禹，于麗萍.熱處理對馬氏體不銹鋼FV520B的組織和力學性能的影響[J].一重技術，2005，（4）.

[3] Medina S F，Hemandez C A.General expression of the Zener-Hollomon parameter as a function of the chemical composition of low alloy and micro alloyed steels Acta Mater，1996，44（1）：137.

[4] 張衛(wèi)紅，張士宏.NiTi合金熱壓縮實驗數據的修正及其本構方程[J].金屬學報，2006，4（10）：1038.

[5] 張志文.鍛造工藝學（修訂本）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988.

[6] 胡建軍，李小平，等.DEFORM-3D塑性成形CAE應用教程[M].北京：北京大學出版社，2011.

[7] 李傳民，王向麗，閆華軍.Deform 5.03金屬成形有限元分析實例指導教程[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[8] 謝水生，王祖堂.金屬塑性成形工藝的有限元模擬[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1997.

[9] 王祖城，汪家才.彈性和塑性理論及有限單元法[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1983.

[10] 侯沛云，王群娣，李樹林，趙興龍.數值模擬技術在火車輪熱成形工藝設計中的應用 [J].鍛壓裝備與制造技術，2009，44（3）：77-81.

[11] 宋光信，付建華，曹建新，李貴長.火車車輪鐓粗工藝理論分析及數值模擬[J].鍛壓裝備與制造技術，2008，43（2）：52-54.

Finite element analysis of the hot forging process for impeller cover disc of centrifugal fan

HAN Xiaolan,FAN Shuqin,ZHAO Shengdun,XU Fan
（School of Mechanical Engineering,Xi'an Jiaotong University，Xi'an 710049,Shanxi China）

Hot forging process has been used to study the forming of impeller cover disc for centrifugal fan.According to the thermal simulation performance test of FV520B,constitutive equation of FV520B has been established.The finite element simulation of hot forging process for impeller cover disc has been carried on by use of Deform-3D.The systematical information of finite element simulation including effective stress,temperature distribution,and strain distribution has been obtained.It provides theoretical reference for experimental study of the new hot forging process for impeller cover disc of centrifugal fan.

Impeller cover disc;Hot forging;Constitutive equation;Finite element analysis

TG316

A

1672－0121（2012）02－0060－05

國家自然科學基金資助項目（50975222）

2011-12-26

韓曉蘭（1987-），女，碩士在讀，主攻葉輪蓋盤、輪盤鍛造成形