■天津重型裝備工程研究有限公司　季雪，曹志遠(yuǎn)，鄭會賽，時(shí)立佳

大型轉(zhuǎn)子鍛件局部表面缺陷修復(fù)的數(shù)值模擬

■天津重型裝備工程研究有限公司季雪，曹志遠(yuǎn)，鄭會賽，時(shí)立佳

發(fā)電設(shè)備向著大容量方向發(fā)展，機(jī)組不斷大型化，使轉(zhuǎn)子鍛件尺寸、重量隨之增加，對材料力學(xué)性能要求也越來越高。鋼錠越大，偏析越嚴(yán)重，內(nèi)部缺陷越多，對鍛造要求也越高。為達(dá)到壓實(shí)目的，達(dá)到相應(yīng)鍛造比，壓下量增大，砧子搭接部位難免留下折傷；鍛件重量增加，鍛造難度加大，多次返爐、換附具，吊鉗難免在軸身留下抓痕。而近年鍛造倡導(dǎo)近凈成形，隨著節(jié)能降耗的推進(jìn)，鍛造余量也越來越少，因此大型轉(zhuǎn)子鍛件有可能由于局部的折傷、抓痕等缺陷而達(dá)不到交貨要求，面臨報(bào)廢。

由于轉(zhuǎn)子鍛件交貨前大都需要開槽，開槽前如果將有多料部位的余量通過某種附具某種方法流動到缺料部位，即可達(dá)到消除表面缺陷的目的。為此，進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬，以解決大型轉(zhuǎn)子鍛件件大而局部缺陷很小的問題。

1. 局部存在尺寸缺陷轉(zhuǎn)子

現(xiàn)有存在表面缺陷的大型轉(zhuǎn)子鍛件，其現(xiàn)狀為鍛后粗加工階段，如圖1a所示。在軸身部位存在軸向長度約40mm、徑向尺寸較交貨目標(biāo)直徑（φ1900mm）單面約6mm的不規(guī)則缺陷。其交貨圖見圖1b，最大截面直徑為φ1900mm，總長度為8000mm，軸身長4500mm，軸身有凹槽。缺陷位置對應(yīng)交貨圖中220mm凸臺處，凸臺兩側(cè)各有軸向長度為250mm和140mm的凹槽，槽深均為585mm。

2. 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

如上述缺陷可通過模具擠壓，將多料部位金屬流向缺料部位，使工件最終尺寸滿足交貨要求，實(shí)際生產(chǎn)前需進(jìn)行數(shù)值模擬，尋求合理模具及方式進(jìn)行修復(fù)。

由于缺陷部位相對整個(gè)軸身尺寸極小，如果建模時(shí)預(yù)置缺陷，即使將局部網(wǎng)格細(xì)化，變形過程也極易產(chǎn)生網(wǎng)格畸變，不斷重分網(wǎng)格，以致缺陷部位被網(wǎng)格覆蓋，導(dǎo)致模擬失真。如圖2所示，假設(shè)實(shí)際工件為圖2a粗線輪廓，Ⅰ框內(nèi)為缺陷缺料部位，可建模為圖2b粗線輪廓（即無缺陷表面），只要使對應(yīng)缺陷Ⅱ部凸起部位的高度、寬度均大于Ⅰ部凹陷部位，即視為達(dá)到修復(fù)要求。

3. 數(shù)值模擬計(jì)算

圖1　轉(zhuǎn)子鍛件

圖2　缺陷形狀示意

（1）建立三維實(shí)體模型坯料模型設(shè)置長度為4500mm，直徑φ1900mm（轉(zhuǎn)子軸身尺寸），在軸身部位開槽（對應(yīng)交貨要求為凹槽部位），坯料、模具及模型具體尺寸如圖3所示，假設(shè)缺陷部位位于300mm的凸臺部位（此凸臺定義為A部）。

（2）網(wǎng)格及劃分由于變形量較大，網(wǎng)格選擇適應(yīng)邊界能力

強(qiáng)的四面體單元。一般來講，網(wǎng)格數(shù)目越多則結(jié)果越趨近于理論值。選擇的網(wǎng)格數(shù)目既要保證計(jì)算結(jié)果的收斂，又不能過多。經(jīng)過摸索，現(xiàn)將網(wǎng)格設(shè)置為20萬個(gè)。

（3）邊界條件邊界條件包括力邊界條件、位移邊界條件。轉(zhuǎn)子的凹槽部位及軸身分別與上下模作接觸處理。將下模底部節(jié)點(diǎn)位移均設(shè)為零。錘頭的位移通過設(shè)置其步數(shù)和步長給定。

（4）溫度場設(shè)置模具和室溫均設(shè)為20℃，且室溫恒定不變。工件溫度設(shè)置如圖4所示，A部設(shè)置溫度為950℃，其余部位設(shè)置為650℃。根據(jù)實(shí)際修復(fù)過程，計(jì)算分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段為工件在室溫中散熱，該階段為自由散熱過程，設(shè)定散熱時(shí)間為30min。第二階段為工件與上下模接觸，上模壓下的塑性變形的過程。工件外表面均設(shè)置為熱交換面。

4. 模擬結(jié)果

第一階段溫降30min后溫度場結(jié)果如圖5所示，A部溫度由950℃降至650～800℃。

當(dāng)錘頭下壓300mm時(shí)，溫度場及尺寸測量結(jié)果如圖5、圖6所示。A部軸向尺寸減小，徑向尺寸加大。為評價(jià)模擬結(jié)果，定義X、Y1、Y2三個(gè)尺寸，具體含義及壓前壓后尺寸對比如附表所示，同時(shí)結(jié)合圖6。結(jié)果表明A部軸向尺寸大于交貨圖樣要求的220mm，徑向返料約6.32379～18.0833mm，完全滿足軸向長度約40mm、徑向尺寸約6mm的缺陷修復(fù)要求。

圖3　模擬模型

圖4　采用溫度場計(jì)算2#缺陷修復(fù)方案1后處理

圖5　采用溫度場計(jì)算2#缺陷修復(fù)方案1前處理

圖6　錘頭下壓300mm效果

模擬前后尺寸對比　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　?。╩m）

5. 結(jié)語

通過對大型轉(zhuǎn)子表面缺陷的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，局部加熱后，可以通過特殊附具進(jìn)行局部擠壓等方式，使坯料由多料部位流動到缺料部位，達(dá)到局部修復(fù)的目的。此法可有效解決大型鍛件由于局部表面小缺陷而面臨報(bào)廢的問題。

20150706