李　波　龍正建　劉明松　何應(yīng)強(qiáng)　蔣崢嶸

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

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燃機(jī)動(dòng)葉片模鍛工藝研究

李波龍正建劉明松何應(yīng)強(qiáng)蔣崢嶸

(東方汽輪機(jī)有限公司，四川618000)

摘要：對(duì)燃機(jī)動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、鍛模設(shè)計(jì)、模鍛工藝進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)，并利用Deform-3D數(shù)值模擬軟件對(duì)模鍛工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析，制定了合理的模鍛工藝。

關(guān)鍵詞：燃?xì)廨啓C(jī)；葉片；模具設(shè)計(jì)；模鍛工藝

燃?xì)廨啓C(jī)為高效率、大出力型機(jī)組，燃機(jī)葉片是燃?xì)廨啓C(jī)的核心部件。為加快燃?xì)廨啓C(jī)國(guó)產(chǎn)化，降低生產(chǎn)成本，形成批量制造能力，加快生產(chǎn)進(jìn)度，縮短生產(chǎn)周期，增強(qiáng)自主制造能力，需對(duì)動(dòng)葉片進(jìn)行模鍛工藝研究。本文主要對(duì)燃機(jī)動(dòng)葉片模鍛工藝研究進(jìn)行闡述。

1葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片一般采用05Cr17Ni4Cu4Nb和1Cr12Mo等耐熱不銹鋼材料。圖1為常規(guī)燃機(jī)動(dòng)葉片冷鍛件三維圖，其葉片結(jié)構(gòu)有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

圖1　燃機(jī)動(dòng)葉片冷鍛件三維圖

(1)葉片為“倒T型”斜葉根大扭度型線彎扭葉片。由于其形狀復(fù)雜，鍛造時(shí)產(chǎn)生不等的錯(cuò)移力，模具設(shè)計(jì)需考慮錯(cuò)移力的平衡。

(2)材料塑性較差，變形抗力較大。由于葉片材料為耐熱不銹鋼，材料塑性較差，變形抗力較大，金屬流動(dòng)性差，不易成形。

(3)葉片型線氣流方向弦長(zhǎng)較寬，厚度尺寸較薄。這種薄而寬的結(jié)構(gòu)易引起鍛造時(shí)坯料流動(dòng)阻力大，坯料與模膛之間熱傳遞較快，坯料溫度下降快，金屬在模膛中充型難度加大。

(4)自由鍛開(kāi)坯質(zhì)量不易控制。其形狀較復(fù)雜，開(kāi)坯時(shí)各部位的金屬不易分配均勻。

(5)材料利用率不易達(dá)到最優(yōu)化。傳統(tǒng)工藝方法鍛造，在材料的利用率上不易達(dá)到最優(yōu)，往往需浪費(fèi)材料來(lái)滿足局部充滿，很難控制與分析。

(6)葉根與葉身以斜截面連接，如何準(zhǔn)確保證葉片進(jìn)、出汽邊開(kāi)檔尺寸，成為葉片毛坯設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)一大難點(diǎn)，同時(shí)在鍛造方向上形成高低兩個(gè)尖點(diǎn)，高低兩點(diǎn)均為葉片鍛造時(shí)的充型難點(diǎn)，尤其是高尖點(diǎn)與葉身斜截面交匯處為充型盲區(qū)。

2鍛模設(shè)計(jì)

2.1葉片余量

為滿足后續(xù)機(jī)加工要求及消除鍛造過(guò)程中產(chǎn)生的氧化皮、脫碳、滲碳、折疊、表面裂紋等缺陷，模具設(shè)計(jì)前需考慮毛坯余量。以模鍛葉片復(fù)雜程度、設(shè)備精度及模鍛工藝方法為依據(jù)，模鍛葉片汽道部分單邊余量為3 mm，葉根及工藝頭部分單邊余量為5 mm。

2.2型線調(diào)整

為平衡鍛模型腔受力均勻以減少模鍛時(shí)產(chǎn)生的錯(cuò)移力，將對(duì)模鍛葉片各截面型線進(jìn)行平衡處理，受力分析圖如圖2，將葉片在模膛中的位置旋轉(zhuǎn)一個(gè)θ角。θ值確定主要有三角相加法、矢量作圖法、變形量求解法和作圖法等4種常用方法。本文以三角相加法為例計(jì)算旋轉(zhuǎn)角，分別作進(jìn)出汽邊圓角部分圓心連線，與X軸相交，求得與X軸的夾角α1、α2…、αn，然后相加取平均值。θ=α1+α2+…αn/n(n為截面數(shù))≈44°。綜合考慮葉根及工藝頭的受力情況，選定θ為44°。

圖2　受力分析圖

2.3分模面選擇

為保證鍛件容易脫模，易于檢查上下模膛的相對(duì)錯(cuò)移，分模面應(yīng)在鍛造方向的最大投影面上，同時(shí)考慮模具加工難度，在保證成形可行性的前提下應(yīng)對(duì)分模線進(jìn)行調(diào)直處理。對(duì)型線截面AA-AY過(guò)進(jìn)出汽側(cè)的圓心作水平長(zhǎng)度為L(zhǎng)(一般為5 mm～8 mm)的直線，獲取調(diào)直前初定的P1、P2點(diǎn)。結(jié)合空間理論和幾何思維，要完成調(diào)直處理須將每個(gè)截面型線對(duì)應(yīng)P1、P2坐標(biāo)中X1、Y1與X2、Y2值分別調(diào)為一條空間直線即可。

2.4冷熱鍛件設(shè)計(jì)

冷熱鍛件設(shè)計(jì)在保證余量的前提下，應(yīng)考慮鍛件充型難易程度的合理性及后續(xù)檢測(cè)的可行性，尤其考慮型線與葉根過(guò)渡部分、型線與工藝頭過(guò)渡部分成形，設(shè)計(jì)時(shí)在過(guò)渡部分采用圓弧R30 mm過(guò)渡，為便于鍛件檢測(cè)設(shè)計(jì)了Z向定位線。由于采用熱模鍛成形，因此熱鍛件需要考慮加放熱收縮量，綜合其材料特性加放熱收縮量為1.2%。

2.5模塊設(shè)計(jì)

按其葉片批量化大小及產(chǎn)品尺寸大小等要求，模具可設(shè)計(jì)為整體單型腔模、整體多型腔模、鑲塊鍛模三種形式。綜合三種鍛模設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)和成形特點(diǎn)，考慮到整體單型腔模有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、模塊尺寸小、制造成本低、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合該葉片產(chǎn)品的成形特點(diǎn)，選用整體單型腔開(kāi)式鍛模。根據(jù)葉片外形尺寸及設(shè)備參數(shù)選用了350 mm×650 mm×720 mm的模塊，如圖3所示。

圖3　燃機(jī)動(dòng)葉片鍛模模塊圖

2.6飛邊槽設(shè)計(jì)

開(kāi)式模鍛的終鍛型腔周圍均有飛邊槽，對(duì)鍛件體積及質(zhì)量有調(diào)節(jié)、補(bǔ)償作用，可使金屬在充型中具有足夠大阻力，保證模鍛成形的穩(wěn)定性。飛邊槽的形狀、尺寸與鍛件形狀、尺寸有關(guān)，也和終鍛前毛坯體積及形狀有關(guān)?？紤]橋部和倉(cāng)部都設(shè)在上模上的飛邊槽上，上模受熱時(shí)間短，溫度較低，不易產(chǎn)生過(guò)熱和磨損等優(yōu)點(diǎn)，選用此類飛邊槽。飛邊槽設(shè)計(jì)尺寸如圖4所示。

圖4　飛邊槽設(shè)計(jì)尺寸

2.7模膛設(shè)計(jì)

為使坯料在模膛受均勻打擊力，解決打擊偏心問(wèn)題，從左右兩邊投影面積基本對(duì)稱原則出發(fā)，將葉片型線中心與模具燕尾中心作一定偏移，并將葉片朝葉根工藝頭方向作一定位移，保證坯料在模膛里受力平衡。燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片外形尺寸修長(zhǎng)，其型線、葉根工藝頭及葉頂工藝頭之間存在過(guò)渡，需提高模具制造精度和表面粗糙度。燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片鍛模采用整體模結(jié)構(gòu)(圖5)。

圖5　燃機(jī)動(dòng)葉片鍛模圖

3荒坯設(shè)計(jì)

荒坯設(shè)計(jì)是模鍛葉片能否成型的關(guān)鍵。整個(gè)葉片毛坯相對(duì)比較扁平均勻分布，按照金屬塑性成形體積不變?cè)瓌t，將各個(gè)截面進(jìn)行體積計(jì)算后進(jìn)行預(yù)制坯尺寸設(shè)計(jì)，同時(shí)便于荒坯料在模膛中定位，預(yù)制坯葉根部分進(jìn)行拍扁處理，即為扁平“T”型坯料，有利于坯料在模膛里定位，如圖6所示。

4模擬分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

利用數(shù)值模擬分析軟件檢驗(yàn)坯料及在模具中充填情況，以便優(yōu)化開(kāi)坯尺寸，從而減少試鍛次數(shù)，節(jié)約原材料及鍛造費(fèi)用。成形分析情況如圖7所示。將預(yù)期設(shè)計(jì)的坯料形狀進(jìn)行模擬分析：(1)可以預(yù)判葉片開(kāi)坯各部位金屬分配是否合理；(2)飛邊分配情況，通過(guò)尺寸調(diào)整可以最大限度地提高材料的利用率；(3)各部位是否有折疊、裂紋產(chǎn)生，為開(kāi)坯工藝優(yōu)化提供依據(jù)；(4)判定坯料擺放到模具型腔是否為最佳位置。從分析情況來(lái)看整體成型效果良好，只是葉冠與葉身過(guò)渡部分飛邊較少，適當(dāng)調(diào)整尺寸即可。成型效果良好，飛邊均勻，坯料形狀模擬結(jié)果能夠滿足模鍛工藝要求。

通過(guò)對(duì)模擬分析優(yōu)化調(diào)整后的模鍛工藝進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，模鍛后對(duì)葉片毛坯切邊后目視檢查，毛坯充型飽滿，飛邊均勻。說(shuō)明模具設(shè)計(jì)合理、荒坯設(shè)計(jì)合理，滿足了模鍛工藝要求。

圖6　模鍛荒坯形狀圖

圖7　成形模擬充填效果

5鍛件檢查

模鍛葉片熱處理后，力學(xué)性能、金相組織和晶粒度等檢驗(yàn)滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。為驗(yàn)證模鍛動(dòng)葉片尺寸的準(zhǔn)確性，對(duì)其進(jìn)行了三坐標(biāo)檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果驗(yàn)證其毛坯余量均勻合格。只有個(gè)別葉片出現(xiàn)余量偏向內(nèi)弧側(cè)，主要原因?yàn)榇蛑行目讜r(shí)以葉片毛坯背弧為基準(zhǔn)，毛坯鍛造欠壓量偏向葉片內(nèi)弧側(cè)導(dǎo)致，控制打中心孔即可避免。

6結(jié)論

通過(guò)對(duì)燃機(jī)動(dòng)葉片模鍛工藝的研究，掌握了該模鍛葉片成型的控制要點(diǎn)及難點(diǎn)，并重點(diǎn)研究了該葉片的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、模具設(shè)計(jì)、荒坯設(shè)計(jì)及充填模擬分析，為優(yōu)化模鍛動(dòng)葉片工藝和模具設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。同時(shí)，還通過(guò)生產(chǎn)試驗(yàn)對(duì)該研究結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，其試驗(yàn)結(jié)果證明了研究結(jié)論的正確性，該模鍛動(dòng)葉片工藝研究成果已形成技術(shù)儲(chǔ)備，為汽輪機(jī)類似動(dòng)葉片模鍛成形夯實(shí)了基礎(chǔ)。

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編輯杜青泉

Research on Die Forging Process of Moving Blade for Gas Turbine

Li Bo, Li Zhengjian, Liu Mingsong, He Yingqiang, Jiang Zhengrong

Abstract：The analysis and design of structure characteristic, forging die design and die forging process for gas turbine have been performed. By adopting DEFORM-3D numerical simulation software, the parameters of die forging process has been analyzed and optimized, and the reasonable die forging process has been prepared.

Key words：gas turbine; blade; mold design; die forging process

作者簡(jiǎn)介：李波(1984—)，男，工程師，主要從事鍛壓技術(shù)研究及技術(shù)服務(wù)。電話：13548258896，E-mail：libodec@mail.dfstw.com

收稿日期：2015—07—09

中圖分類號(hào)：TG316.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B