文／徐鋒，黃誠，陸亞娟·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

大型風塔法蘭高效節(jié)材鍛造模具的研發(fā)

文／徐鋒，黃誠，陸亞娟·張家港海陸環(huán)形鍛件有限公司

大型風塔法蘭主要應用于兆瓦級風力發(fā)電機組塔筒的連接，由于其常安裝于惡劣的海洋性環(huán)境中，因此要求其有較高的強度、硬度、耐磨性、韌性及良好的耐高溫、耐低溫、耐腐蝕性能。目前國內(nèi)兆瓦級風力發(fā)電機組塔筒連接用法蘭一般采用傳統(tǒng)的矩形截面環(huán)件軋制方式生產(chǎn)，該生產(chǎn)方式在材料的利用率、產(chǎn)能方面效能較低，同時為保證法蘭內(nèi)部的力學性能和晶粒組織，通常需要對矩形截面的環(huán)件毛坯粗車后再進行正火熱處理，制造成本高。我公司組織技術人員進行技術攻關，設計開發(fā)出了一種新型的大型風塔法蘭高效節(jié)材鍛造模具(采用二合一的異形截面環(huán)件軋制方式），大幅度節(jié)約了原材料，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品的內(nèi)部組織與力學性能。

新型模具及工藝流程介紹

二合一的異形截面環(huán)件軋制方式的工藝流程方案為：下料→加熱→制坯→一火軋制矩形截面至規(guī)定尺寸→回爐保溫→二火采用專用芯輥模具軋制異形截面至規(guī)定尺寸→對半切開→正火→取樣→性能檢測→精加工→超聲波檢測，如圖1所示。新型芯輥軋制模具的基本結構如圖2所示，其中芯輥為組合模具的安裝載體，上、下鎖緊件用于固定上壓蓋、下托盤，上壓蓋防止環(huán)件在軋制過程中產(chǎn)生軸向竄動，下托盤為環(huán)件軋制過程提供穩(wěn)定可靠的旋轉(zhuǎn)支撐，主成形模具為環(huán)件內(nèi)型腔成形的軋制模具。傳統(tǒng)矩形截面單片軋制環(huán)件的截面與二合一軋制異形截面環(huán)件的截面對比如圖3所示。

圖1 大型風塔法蘭二合一軋制的基本工藝流程

數(shù)值模擬技術的應用

如圖4所示為運用FORGE 2011有限元分析軟件建立的兆瓦級大型風塔法蘭二合一軋制的有限元模擬模型，其中黃色模型代表主軋輥，綠色模型代表新型組合芯輥模具，紅色模型代表矩形截面環(huán)件毛坯，紫粉色和藍色模型分別代表上、下錐輥。

基本成形過程的有限元模擬

如圖5所示，芯輥主模刀口剛切入環(huán)件毛坯，毛坯被芯輥主模從中間切開，由于主模上壓改善凸緣切入角有利于減少拉料現(xiàn)象的產(chǎn)生。

如圖7所示，環(huán)件毛坯的內(nèi)腔基本成形完成，由于模具自身的結構特點，在芯輥主軋模凸緣與上壓蓋、下托盤組成的直角部金屬充形不足，從而導致環(huán)件內(nèi)徑成形不完整，環(huán)件需在后續(xù)的精軋階段使內(nèi)徑充形完整，避免內(nèi)徑與上、下端面結合處出現(xiàn)塌邊現(xiàn)象。

如圖8所示，在精軋階段環(huán)件毛坯的內(nèi)徑與端面結合處的金屬得到補充，環(huán)件成形完整，內(nèi)腔成形輪廓清晰。

圖2 新型芯輥軋制模具結構示意圖

圖3 傳統(tǒng)矩形截面單片軋制環(huán)件截面(上）與二合一軋制異形截面環(huán)件截面(下）示意圖

圖4 有限元模擬模型

圖5 t=10s

圖6 t=70s

圖7 t=140s

軋制過程中問題的解決

芯輥主軋模、上壓蓋、下托盤、主軋輥在環(huán)件軋制過程中組成封閉式型腔，在整個軋制過程中環(huán)件未出現(xiàn)軸向竄動現(xiàn)象，同時環(huán)件在軋制過程中由下托盤支撐隨芯輥一起旋轉(zhuǎn)，環(huán)件下端面摩擦阻力小，軋制過程平穩(wěn)，軋制的環(huán)件符合預定尺寸要求。不過在軋制過程中也出現(xiàn)了一些問題，具體如下：

⑴芯輥主軋模凸緣部分未設計工藝切入角，導致成形的環(huán)件內(nèi)腔表面粗糙，如圖9所示。

⑵上壓蓋工藝切入角太小，環(huán)件擠入成形時阻力大，材料流動性差(圖10），環(huán)件上端面局部應力過大(圖11），從而導致生產(chǎn)出來的環(huán)件表面出現(xiàn)裂紋和塌陷，如圖12所示。

圖9 環(huán)件內(nèi)腔表面粗糙

圖10 內(nèi)邊塌陷

圖11 環(huán)件上端面局部應力過大(圖中顏色深處）

針對上述模擬結果和實際軋制結果，我們對芯輥主軋模凸緣部分和上壓蓋的切入角進行了工藝調(diào)整(圖13、14），調(diào)整后環(huán)件擠入阻力減小，實際軋制出的環(huán)件內(nèi)腔表面光滑(圖15），端面也未出現(xiàn)裂紋、塌陷(圖16）。

圖12 實際軋制的環(huán)件表面出現(xiàn)裂紋和塌陷

圖13 改進前后芯輥凸緣的結構對比

圖14 改進前后上壓蓋的結構對比

芯輥受力分析

軋制過程中芯輥所受的軋制力與軋制力矩分別如圖17、18所示。由圖17可知，軋制所需的最大軋制力為549.39t，所需的平均軋制力為176.379t；由圖18可知，軋制所需的最大軋制力矩為260270N·m，所需的平均軋制力矩為79041.3N·m。

從圖17、18中還可以看出，軋制力、軋制力矩在整個軋制過程中一直處于波動狀態(tài)，這也說明了環(huán)件的軋制是一個不穩(wěn)定的變形過程。

圖15 調(diào)整芯輥主軋模凸緣部位切入角后內(nèi)腔表面光滑

圖16 調(diào)整上壓蓋切入角后環(huán)件端面平整

結束語

研發(fā)兆瓦級大型風塔法蘭二合一軋制專用芯輥模具的技術與經(jīng)濟優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

⑴節(jié)約原材料，生產(chǎn)效率高。采用二合一異形截面軋制工藝和新型芯輥模具生產(chǎn)的風塔法蘭環(huán)鍛件與傳統(tǒng)的矩形截面單片軋制生產(chǎn)的風塔法蘭環(huán)鍛件相比，原材料節(jié)約了17%，加工工時節(jié)省了30%，生產(chǎn)效率提高了1倍。

⑵模具成本低，研發(fā)效率高。金屬塑性成形CAE模擬仿真技術在該模具研發(fā)過程中的應用，提高了模具的開發(fā)效率，避免了傳統(tǒng)的以經(jīng)驗方式設計、修改再設計的開發(fā)模式，大大縮短了模具的開發(fā)周期，降低了模具修改、加工造成的費用，加快了該項目的計劃進程。

⑶熱處理效率得到提高。二合一異形截面軋制工藝和新型芯輥模具的研制成功，去除了傳統(tǒng)矩形截面軋制完成后的粗車工序，同時異形截面更有利于提高鍛件的淬透性、內(nèi)部組織晶粒度和力學性能。

⑷模具設計細節(jié)的優(yōu)化大大提高了鍛件的質(zhì)量。模具的工藝設計角對鍛件的內(nèi)、外質(zhì)量都有重要的影響，設計合理的模具切入角，能降低鍛件型腔表面的粗糙度，避免成形過程中阻力過大而產(chǎn)生裂紋等缺陷。

圖17 軋制力動態(tài)變化圖

圖18 軋制力矩動態(tài)變化圖