張春定 伍 敏

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

變截面復(fù)雜型線空心靜葉片成型工藝研究

張春定 伍 敏

(東方汽輪機(jī)有限公司， 四川 德陽(yáng)， 618000)

文章介紹了復(fù)雜空間型線空心葉片的內(nèi)、背弧曲面成型工藝，采用理論計(jì)算和應(yīng)用試驗(yàn)分析，確定了合理的平板展開(kāi)尺寸、加熱和冷卻的溫度、先進(jìn)結(jié)構(gòu)的模具，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面空心葉片的成型，保證了核電空心葉片的制造質(zhì)量。

空心葉片；成型工藝；模具設(shè)計(jì)；溫度控制

1 概述

公司在20世紀(jì)70年代末已經(jīng)成熟地采用了空心葉片 （見(jiàn)圖1）的爆炸成型工藝， 由于國(guó)家環(huán)境保護(hù)和安全要求不得不停止爆炸成型的工藝方案。在20世紀(jì)80年代末開(kāi)始研制如圖2所示的空心葉片成型焊接工藝， 并在公司200MW機(jī)組的末級(jí)鑄造隔板中應(yīng)用，由于該空心葉片成型和焊接工藝性差、模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、無(wú)先進(jìn)型線加工手段、生產(chǎn)成本高、制造的空心葉片質(zhì)量不穩(wěn)定等因素，該空心葉片沒(méi)有得到進(jìn)一步推廣。 而法國(guó)ALSTOM公司設(shè)計(jì)的核電低壓隔板空心葉片 （見(jiàn)圖3）， 國(guó)內(nèi)沒(méi)有成熟的制造經(jīng)驗(yàn)。

1.1 結(jié)構(gòu)分析

目前的空心葉片由四部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，進(jìn)汽邊采用香檳塞長(zhǎng)條，內(nèi)弧和背弧采用鋼板熱壓成型，出汽邊采用鋼板人工扭曲成型，最后通過(guò)焊接形成空心葉片。鋼板規(guī)格：內(nèi)弧、背弧均為δ4.2mm鋼板， 出汽邊部分為δ8.4mm鋼板。

圖1 空心葉片三維圖

圖2 80年代設(shè)計(jì)的空心葉片圖

圖3 ALSTOM設(shè)計(jì)的空心葉片圖

圖4 空心葉片組成結(jié)構(gòu)圖

1.2 材料性能

核電空心導(dǎo)葉片內(nèi)、 背弧板材料為EN10088-2 X2CrNi12的鋼板， 是熱膨脹系數(shù)最小的不銹鋼之一，具有優(yōu)秀的力學(xué)性能和焊接性能。其化學(xué)成分見(jiàn)表1， 其力學(xué)性能見(jiàn)表2， 物理性能見(jiàn)表3。

表1 X2CrNi12化學(xué)成分

表2 X2CrNi12力學(xué)性能

表3 X2CrNi12物理性能

根據(jù)上述材料的性能可以確定成型的回彈、加熱溫度和熱成型中的膨脹與收縮數(shù)據(jù)。

1.3 難度分析

根據(jù)圖4空心葉片組成結(jié)構(gòu)圖可知： 進(jìn)、 出汽邊的零件是等截面的，可以采購(gòu)型鋼，而內(nèi)、背弧板的型線是復(fù)雜變截面曲面，成型面積大，曲面成型模具的設(shè)計(jì)要考慮板料在模具中實(shí)際流動(dòng)的相關(guān)因素，在加熱和冷卻中板料變形不均勻，成型流動(dòng)速度控制非常困難，給模具的設(shè)計(jì)和工藝帶來(lái)很大的難度；因空間曲面的結(jié)構(gòu)和材料的特殊性，成型后余量很難加工，成型的精度和下料尺寸的確定就要有高的準(zhǔn)確性；完成成型的內(nèi)弧、背弧曲面精度要設(shè)計(jì)制造專用的立體檢驗(yàn)樣板；檢測(cè)后的型面誤差補(bǔ)償都要采用理論計(jì)算和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)對(duì)下料尺寸、加熱冷卻溫度、模具型面等進(jìn)行合理調(diào)整和糾偏處理。

2 模具及工藝方案確定

根據(jù)空心葉片成型的難度分析，冷壓局部回彈的不可控制性，只能采用熱壓成型的工藝，必須對(duì)成型模具的結(jié)構(gòu)、冷卻方式、定位要求、毛坯下料尺寸等進(jìn)行科學(xué)的分析，制訂對(duì)應(yīng)的方案，控制嚴(yán)格的工藝參數(shù)和步驟。

2.1 模具設(shè)計(jì)

內(nèi)、背弧板熱壓成型模具是成型的關(guān)鍵，根據(jù)現(xiàn)有壓力機(jī)是300t四柱油壓機(jī)， 模具的最小閉合高度不能小于壓力機(jī)的最小閉合高度，工作臺(tái)有效尺寸比較小，模具的結(jié)構(gòu)尺寸必須緊湊，為了減少不可控因素，內(nèi)弧、背弧均采用一次熱壓成型方式?？刂萍訜釡囟?、始?jí)簻囟?、終壓溫度。結(jié)合合理的加工制造工藝參數(shù)、工藝條件，從以下四方面進(jìn)行空心葉片的模具設(shè)計(jì)：

（1）模具定位方式計(jì)算與分析

要保證準(zhǔn)確型面的壓制，要有可靠的定位機(jī)構(gòu)，但葉片圖樣上的尺寸不能直接用于模具制造尺寸， 加放按式（1）計(jì)算的工藝所需的余量， 由于空心葉片的長(zhǎng)度尺寸達(dá)1400mm， 加熱后的毛坯長(zhǎng)度和板厚隨溫度的增加和降低會(huì)發(fā)生尺寸變化；根據(jù)式（1）可進(jìn)行理論分析計(jì)算（根據(jù)加熱溫度為750℃時(shí)計(jì)算）。

式中：

α—熱壓溫度下葉片材料的平均線膨脹系數(shù)（取12×10-6）；

ΔT—從模具中取出時(shí)的溫度差。

定位長(zhǎng)度1400mm時(shí)的膨脹計(jì)算第五級(jí)： ΔL= 1400×12×10-6×750=12.6mm

定位長(zhǎng)度841mm時(shí)的膨脹計(jì)算第四級(jí)： ΔL= 841×12×10-6×750=7.57mm

厚度4.2mm的膨脹量： ΔL=4.2×12×10-6×750= 0.038mm

由上可知模具設(shè)計(jì)要充分考慮其膨脹收縮量并進(jìn)行修正。

（2）模具壓力中心分析計(jì)算

為了保證熱壓成型獲得良好的型面，避免上、下模塊相互錯(cuò)移，模具的中心應(yīng)盡可能同設(shè)備的擠壓重合。

根據(jù)擠壓公式（2）分析計(jì)算。

式中：

P—變形力 （N）；

m—形狀復(fù)雜程度系數(shù) （同寬厚比等因素有關(guān)）；

σ—擠壓時(shí)的變形抗力；

F—投影面積。

首先，在葉片平面圖上選定計(jì)算的基準(zhǔn)線，然后將葉片在長(zhǎng)度方向分為若干小段，并計(jì)算出每一小段的投影面積和復(fù)雜程度系數(shù)， 根據(jù)式（2）計(jì)算出各小段的變形力，根據(jù)各分力和力矩應(yīng)等于各分力矩的和的原理，將各小段的變形力集合，即可求出長(zhǎng)度方向的Z距離值。 計(jì)算出Z值后， 再按同樣方法確定鍛件寬度方向的X距離值，即將葉片沿橫向分成若干小段，計(jì)算出每小段的投影面積以及復(fù)雜程度系數(shù)， 根據(jù)式（2）計(jì)算出各小段的變形力。計(jì)算出Z值后，其交點(diǎn)即為合理的葉片中心。 確定葉片中心的Z值和X值后見(jiàn)圖5。

圖5 模具壓力中心尺寸示意圖

（3）模具定位、 導(dǎo)向方式、 空間尺寸確定

成型板料流動(dòng)時(shí)會(huì)與定位銷擠壓，要求定位銷要有足夠的強(qiáng)度；設(shè)計(jì)成橢圓柱銷使弧板定位槽的接觸面積增大，減少了弧板定位槽與定位銷高溫時(shí)擠壓的變形，提高了定位精度。由于板料成型過(guò)程中流動(dòng)速度的差異，模具定位銷的布置位置非常重要，理論上要設(shè)置在流動(dòng)速度最小處，布置方式見(jiàn)圖6。

（4）毛坯加熱和模具循環(huán)冷卻系統(tǒng)的分析

XCrNi12為單相鐵素體組織， 有良好的抗氧化性和耐高溫氣體腐蝕的能力，但高溫強(qiáng)度較低，室溫脆性較大，焊接性較差，一般用于制作承受載荷較低而要求有高溫抗氧化性的部件。不能通過(guò)熱處理強(qiáng)化。為消除因冷塑性變形加工和焊接所導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力， 可在650～830℃進(jìn)行退火處理，退火后快速冷卻， 以便迅速地經(jīng)過(guò)475℃脆性溫度范圍。

要保證加熱均勻、可控和降低氧化程度，選用具有自動(dòng)控溫的臺(tái)車電阻爐或網(wǎng)帶爐。鐵素體不銹鋼在950℃以上加熱易造成晶間腐蝕， 而且在

圖6 模具定位尺寸示意圖相同時(shí)間下氧化更多。根據(jù)相關(guān)的文獻(xiàn)資料查到鐵素體不銹鋼在采用退火溫度冷卻后，有較細(xì)晶粒和高的沖擊性能。在該溫度時(shí)加熱不用顧慮氧化、 脫碳和合金燒損。 保溫時(shí)間為10～15min， 使鋼板被相變溫度均勻化，采用大于某溫度壓型的原因： 一是在該X2CrNi12的再結(jié)晶溫度以上， 是塑性變形，成型后回彈率非常??；二是在該溫度范圍成型時(shí)材料的形變率較小的特點(diǎn)，不在X2CrNi12材料成型晶粒粗大的溫度范圍內(nèi)， 如成型溫度過(guò)高易產(chǎn)生晶粒粗大現(xiàn)象； 三是由于δ4.2薄板加熱后送入模具降溫迅速；四是尺寸變化相對(duì)較小，尺寸容易控制，對(duì)于第五級(jí)葉片整個(gè)長(zhǎng)度變長(zhǎng)小于5mm， 寬度方向延展小于1.5mm。

X2CrNi12鋼含有較高的鉻， 是比鐵和氧親和力大的元素。當(dāng)機(jī)體金屬被氧飽和后，形成內(nèi)氧化物。由于鉻元素的內(nèi)氧化物的形成，對(duì)金屬和氧的擴(kuò)展形成位壘，阻止氧化皮擴(kuò)展。同時(shí)鉻和鎳可以減少鋼板脫碳的趨勢(shì)，可以不進(jìn)行表面保護(hù)的加熱。為了減少氧化，在爐內(nèi)到達(dá)加熱溫度時(shí)放入板料， 待約20min后取出壓型， 壓型后表面為紅色或黃褐色，說(shuō)明氧化非常輕。但實(shí)際壓型時(shí)不可能每一片都是保溫10～15min， 在爐內(nèi)加熱1h后顏色為淺藍(lán)色， 用拋光砂輪就能很快去除，但對(duì)其力學(xué)性能和晶粒度影響很小。

為了保證葉片內(nèi)、背弧板壓型后快速定型冷卻而且各部位均勻冷卻，模具的內(nèi)部冷卻系統(tǒng)按圖7設(shè)計(jì)， 外部冷卻管道連接見(jiàn)圖8。

圖7 模具設(shè)計(jì)圖

圖8 模具效果圖

2.2 成型工藝

（1）展開(kāi)尺寸確定

為保證曲面成型后外形尺寸的準(zhǔn)確性，合理地展開(kāi)尺寸要根據(jù)葉片的空間幾何尺寸詳細(xì)計(jì)算，理論尺寸與實(shí)際尺寸又受材料性能、加熱溫度、模具的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、流動(dòng)方向、焊接間隙等很多相關(guān)因素的影響， 用CAE軟件進(jìn)行計(jì)算， 如AUTOFORM/DYNAFORM等。 展開(kāi)料算出來(lái)以后料片形狀也就出來(lái)了，然后通過(guò)對(duì)展開(kāi)料形狀進(jìn)行手工優(yōu)化。 因葉片型線較接近直紋， 現(xiàn)就用CAD作圖法進(jìn)行展開(kāi)，展開(kāi)時(shí)根據(jù)定位銷在模具上的位置計(jì)算出每個(gè)截面坡口相對(duì)模具截面坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，然后根據(jù)空心葉片的坡口相對(duì)于空心葉片坐標(biāo)原點(diǎn)的位置，通過(guò)中性面展開(kāi)進(jìn)行計(jì)算該截面的寬度。同樣可以計(jì)算出汽側(cè)相對(duì)坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。通過(guò)對(duì)每個(gè)截面的型線的計(jì)算，并且通過(guò)線性插值法，同時(shí)考慮裝焊間隙，弧板邊緣是直邊，減少加工成本。做出每個(gè)截面的平面圖，確定圖9所示的進(jìn)、 出汽側(cè)邊離坐標(biāo)原點(diǎn)的位置a值， 再根據(jù)壓型后的檢查樣板的檢驗(yàn)以及試裝試焊后的情況，可以做微量調(diào)整，以滿足最佳的坡口間隙和裝配后的型線。

圖9 空心葉片展開(kāi)尺寸示意圖

（2）下料工藝

為了充分利用材料的力學(xué)性能，內(nèi)、背弧板的板長(zhǎng)度方向與板料長(zhǎng)度 （流線）方向應(yīng)基本一致。在切割方式上考慮了兩種：一種方式是采用激光切割 （進(jìn)汽邊除外）； 另一種方式是采用NC等離子切割機(jī)下料。下料工序應(yīng)特別注意標(biāo)識(shí)和標(biāo)識(shí)移植，必須做到標(biāo)識(shí)的可追溯性。標(biāo)識(shí)和標(biāo)識(shí)移植應(yīng)包含零件及余料。通過(guò)兩種方案的試驗(yàn)，比較割口質(zhì)量、變形和尺寸精度后，決定采用激光切割方法加工外形和定位槽。激光切割切縫最窄，熱影響區(qū)最小，工件局部變形極小，無(wú)機(jī)械變形， 激光切割便于工件緊密編排套裁，比每個(gè)工件周圍需預(yù)留較多材料余量的沖裁工藝更節(jié)約材料。激光切割應(yīng)調(diào)整好切割參數(shù)，減少毛刺、飛邊的產(chǎn)生。根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備能力，采用刨削的方式進(jìn)行切割坡口。由于內(nèi)、背弧板下料后具有毛刺、飛邊等，刨削只能部分去除，成型前必須把邊上的毛刺、飛邊等去除掉。

（3）成型過(guò)程

①毛坯加熱溫度控制：有溫控器的電熱爐或網(wǎng)帶爐；加熱到所需溫度，保溫。要求多片放入時(shí)，應(yīng)保證溫度的均勻性，擺放方式有利于操作。采用紅外線測(cè)溫儀或測(cè)溫筆復(fù)查。

②在圖10的閉合高度狀態(tài)下， 裝配上下模并找正固定，清理干凈壓力機(jī)和上下模，特別是上下模的上表面，在連續(xù)壓型時(shí)下模型面采用壓縮空氣吹掃。

③始?jí)簻囟取輙°C， 保壓相應(yīng)時(shí)間， 通水冷卻。

④模具內(nèi)部需要配備循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，冷卻水水溫小于10℃， 流量不小于10L/min以保證壓型后溫度能迅速下降至20°～30℃。 有利于保證鐵素體不銹鋼退火的力學(xué)性能。冷卻系統(tǒng)盡量保證對(duì)零件快速、均勻冷卻，冷卻孔的總體布局、形狀、孔徑、冷卻孔與模具工作表面的距離等也是模具設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容之一。設(shè)計(jì)冷卻孔時(shí)，可以結(jié)合數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)孔內(nèi)冷卻水的流動(dòng)進(jìn)行模擬分析，使孔內(nèi)冷卻水有相同的冷卻效果，保證冷卻的均勻性。

圖10 壓制前模具準(zhǔn)備狀態(tài)

（4）成型效果

由于葉片內(nèi)弧和背弧材料X2CrNi12的獨(dú)特性，背弧板過(guò)渡曲率大；因此熱壓成型后，型線誤差較大，拉傷表面嚴(yán)重。但是成型后型線漏光檢查標(biāo)準(zhǔn)要求單面漏光間隙不超過(guò)1mm， 且裝配誤差和后期的焊接變形很難控制，所以應(yīng)盡可能地控制壓型工序的誤差。空心葉片內(nèi)、背弧板熱壓成型的模具設(shè)計(jì)、模具制造精度、壓型的保溫時(shí)間、始?jí)簻囟取毫C(jī)保壓時(shí)間和模具通水冷卻的時(shí)間控制都對(duì)葉片型線誤差造成影響。試制初期熱壓成型后型線誤差超過(guò)3mm。

圖11 成型后的檢驗(yàn)工裝

通過(guò)采用圖11的工裝檢驗(yàn)型線誤差 ， 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)始?jí)簻囟取⒈簳r(shí)間是其熱壓成型質(zhì)量的關(guān)鍵所在。在不同條件下，對(duì)試制數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析得出不同始?jí)簻囟?、保壓時(shí)間的型線收縮量。

2.3 模具改進(jìn)

（1）產(chǎn)品表面拉傷的模具改進(jìn)

通過(guò)實(shí)際觀察，背弧進(jìn)汽側(cè)拉傷的情況是因倒角處與背弧板在成型時(shí)的擠壓摩擦所致。由于溫度升高后板料的摩擦系數(shù)增加，而且板邊緣的冷卻速度比板內(nèi)部冷卻快，強(qiáng)度較高，且下模尖角處 （見(jiàn)圖12）倒角較小， 會(huì)與板料發(fā)生摩擦，從而發(fā)生劃傷。根據(jù)以上分析，采用兩種方式解決：一是降低摩擦系數(shù)，采用固體減摩劑二硫化鉬，改善板料和模具的表面光滑度；二是在保證下模型腔的情況下盡量加大該處倒角R值。

圖12 板料拉傷原因分析圖

（2）延長(zhǎng)模具使用壽命的模具改進(jìn)

由于成型時(shí)，模具與坯料在高溫時(shí)摩擦加大、溫度應(yīng)力分布不均、冷卻后的收縮等因素，如果模具型腔表面粗糙度增大或有凹坑的缺陷 （見(jiàn)圖13）， 不及時(shí)修復(fù)將使模具的磨損加劇， 成型后坯料的表面質(zhì)量差。為了增加耐磨性，采用了堆焊D397材料。 D397焊條屬于CrMnMo熱鍛堆焊焊條，采用直流反接。堆焊層組織為馬氏體+殘余奧氏體， 堆焊層硬度 （焊后空冷）HRC≥40， 由于堆焊層硬度較硬， 相比ZG230-450表面的加工表面粗糙度和耐磨性均有較大的提高。其熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表4。

圖13 模具型腔表面堆焊示意圖

表4 D397焊條熔敷金屬化學(xué)成分 (%)

3 結(jié)論

采用修正型線、堆焊耐磨材料后的模具，計(jì)算與修正后的展開(kāi)板料，嚴(yán)格加熱和冷卻控制、工藝步驟，保證了空心葉片內(nèi)、背弧的壓制型線的準(zhǔn)確性，提高了模具的耐用度。確保了公司在嶺澳二期、紅沿河、福清等核電空心葉片制造中的應(yīng)用，該工藝技術(shù)不僅適用于核電機(jī)組低壓直焊式隔板空心葉片制造，也適用于燃機(jī)、常規(guī)火電等機(jī)組中不銹鋼板的變截面復(fù)雜空間型面零件成型。

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Form ing Technology of Hollow Stator Blade w ith Variable Cross-section and Com plex Line

Zhang Chunding， Wu Min
（Dongfang Turbine Co.,Ltd.Deyang Sichuan 618000）

The paper introduces the forming technology for inner and back arc profile of hollow blade with complex line.By using theoretical calculation combined with applied experiment analysis， this paper determines the reasonable unfold size of p late,heating and cooling temperature,themold with advanced structure,achieves the formation of hollow blade with comp lex curved surface and guarantees themanufacturing quality of hollow blade of nuclear power.

hollow blade,forming technology,mold design,temperature control

張春定 （1965-）， 男， 高級(jí)工程師， 1985 年畢業(yè)于湖南工程學(xué)院， 一直從事汽輪機(jī)焊接、 成型、 輔機(jī)加工工藝、 工裝設(shè)計(jì)工作。