文/殷勇鋒·江蘇凌飛鍛造有限公司
大功率風(fēng)力發(fā)電機組主軸的創(chuàng)新型工藝
文/殷勇鋒·江蘇凌飛鍛造有限公司
風(fēng)電機組的單機容量大型化是未來的發(fā)展方向,既有利于提高風(fēng)能轉(zhuǎn)化效率,又有利于降低風(fēng)電機組全壽命周期的制造與運營成本。隨著風(fēng)電機組的大型化,風(fēng)電主軸尺寸在增加,產(chǎn)品重量也在急劇增加。本文通過對大型風(fēng)電主軸的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝和創(chuàng)新型生產(chǎn)工藝進行對比,詳細介紹了大型風(fēng)電主軸創(chuàng)新型生產(chǎn)工藝的優(yōu)缺點。
近年來,由于資源短缺和環(huán)境惡化,世界各國開始重視開發(fā)和利用可再生能源和清潔能源。風(fēng)能作為一種綠色、環(huán)保的能源,已越來越得到人們的重視。風(fēng)電產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度令人震驚。而風(fēng)電主軸又是風(fēng)電機組中一個核心零部件,其質(zhì)量決定了整個風(fēng)力發(fā)電整機的使用壽命。
隨著風(fēng)電機組的大型化,風(fēng)電主軸尺寸在增加,產(chǎn)品重量也在急劇增加,同時需符合嚴格的產(chǎn)品驗收技術(shù)標準。這些因素都大大增加了風(fēng)電主軸的鍛造、機加工以及熱處理等各生產(chǎn)工序的生產(chǎn)難度,并提高了生產(chǎn)成本,增加了產(chǎn)品的質(zhì)量控制難度。因此針對此類大型風(fēng)電主軸的生產(chǎn)工藝方案,工藝路線和生產(chǎn)工藝條件,都必須進行技術(shù)升級或技術(shù)革新,才能保證產(chǎn)品質(zhì)量符合客戶要求,并順利生產(chǎn)和交貨。
在風(fēng)電機組容量大型化的生產(chǎn)過程中,由于每一次產(chǎn)品升級,其產(chǎn)品零部件均需重新設(shè)計。特別是3.0MW以上的風(fēng)電主軸,其產(chǎn)品形狀、尺寸、重量等參數(shù)與小容量單機主軸對比,有了非常大的改變增加。為降低風(fēng)力發(fā)電機組在風(fēng)場的運輸、吊裝、安裝等難度,3.0MW以上規(guī)格的風(fēng)電主軸,其內(nèi)孔設(shè)計成大尺寸通孔,如圖1所示。
對主軸要求無損探傷:主軸粗加工后對整根軸進行100%的超聲波探傷檢測,尤其各過渡圓角及截面變化處50~100mm寬度范圍內(nèi),符合JB/T 5000.15-2007中II級質(zhì)量等級的規(guī)定。主軸主要技術(shù)要求詳見表1。
該工藝采用傳統(tǒng)風(fēng)電主軸鍛造方法,即鍛制實心主軸,具體生產(chǎn)工藝實施如下:
⑴鍛件采用真空脫氣VOD爐精煉鋼錠,將熱鋼錠熱送至鍛造生產(chǎn)車間。嚴格按照熱鋼錠加熱工藝進行加熱、保溫,保溫溫度為1230℃。
圖1 3.0MW半直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電機組主軸
表1 主軸材料性能及化學(xué)成分
⑵鋼錠出爐,冒口壓鉗柄,同時確保水口端有一定切除量。將鋼錠放入鐓粗漏盤,以壓機最大鍛壓力鐓粗,第一次鐓粗后的高徑比盡可能接近極限高徑比(1≥L/D≥0.6)。鍛坯出模后,采用WHF法(WHF法是一種寬砧強力壓下鍛造法)拔長,將鍛坯按工藝拔長至出坯尺寸,按圖紙分料,制坯成功,入爐保溫2h。
⑶將鍛坯小頭端放入由旋轉(zhuǎn)工作臺與模圈組成的風(fēng)電主軸工裝,鐓粗鍛坯上部,換砧旋壓法蘭面至圖紙尺寸。鍛坯出模后滾圓法蘭端外圓。操作機夾持鍛坯法蘭端外徑,用WHF法拔長小軸端,按圖紙鍛制成品。
⑷鍛件鍛后空冷至400℃左右,立刻進爐均溫,按鍛后熱處理工藝進行兩次正火+一次回火的鍛后熱處理。
⑸鍛件毛坯檢驗合格后,先將鍛件外圓按圖紙尺寸加工到位,內(nèi)孔再利用專用深孔鉆鉆床進行鉆孔,將內(nèi)孔加工至粗加工圖紙尺寸。
⑹鍛件進行調(diào)質(zhì)熱處理,并進行力學(xué)性能檢驗,無損檢測,以及相關(guān)理化檢測。
⑺產(chǎn)品按成品圖進行精加工,噴涂,檢驗合格。
采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的優(yōu)點
⑴風(fēng)電主軸鍛件生產(chǎn)操作流程和生產(chǎn)方式比較熟練,鍛件尺寸容易控制。
⑵因粗加工鍛件外圓時,內(nèi)孔尚未加工,粗加工外圓尺寸容易控制。
采用傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝的缺點
⑴因鍛件重量大(鍛件重28t),尺寸大(法蘭端尺寸約φ2300mm)。按此鍛件的重量和尺寸規(guī)格,需配套選用8000t以上壓機才能順利生產(chǎn)。
⑵因鍛件在第二火鍛制拔長時,受限于小軸端出坯尺寸限制,造成此處的局部拔長鍛造比不足。故鍛坯內(nèi)部鍛透性不佳,無法消除鋼錠原有缺陷,不易通過嚴格的超聲波無損檢測。
⑶針對鍛件有效直徑較大,鍛件重量較重的特性,需采用兩次高溫正火+一次回火的熱處理工藝。
⑷因該風(fēng)電主軸成品內(nèi)孔為通孔,需在調(diào)質(zhì)前將一支實心軸機加工出約φ400mm×2700mm通孔。
⑸因主軸調(diào)質(zhì)前內(nèi)孔通過機加工,其內(nèi)孔表面容易暴露出鍛件內(nèi)部原有的非金屬夾雜物,偏析和一些尚未完全焊合的疏松等缺陷。這些因素極易增加風(fēng)電主軸內(nèi)孔在調(diào)質(zhì)過程中開裂的風(fēng)險。
故綜上所述,采用傳統(tǒng)工藝具有生產(chǎn)成本高、能耗高、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品合格率低、高風(fēng)險等缺點,且需特定的生產(chǎn)設(shè)備。這對一般生產(chǎn)企業(yè)具有極大的生產(chǎn)難度和高風(fēng)險,無強大的生產(chǎn)設(shè)備和完善的生產(chǎn)工藝,無法保證產(chǎn)品的順利生產(chǎn)。
采用此新工藝鍛造的風(fēng)電主軸鍛件,利用成品主軸內(nèi)有一大尺寸通孔特性,即直接鍛造出中空的主軸鍛件,完全改變傳統(tǒng)風(fēng)電主軸的生產(chǎn)理念的新生產(chǎn)工藝。具體工藝實施如下:
⑴鍛件采用真空脫氣VOD爐精煉鋼錠,將熱鋼錠熱送至鍛造生產(chǎn)車間。嚴格按照熱鋼錠加熱工藝進行加熱、保溫,保溫溫度為1230℃。
⑵鋼錠出爐,倒棱,并切除冒口和水口,使這兩端有足夠的切除量,確保鍛件無縮孔和嚴重的偏析,進爐均溫,均溫溫度升至1240℃。
⑶鍛坯出爐,采用上下大平板對鋼錠進行縱向鐓粗,以壓機最大的鍛壓力鐓粗,第一次鐓粗后的高徑比盡可能接近極限高徑比,L/D≈1,以增加后續(xù)拔長鍛比。然后將鍛坯采用FM法(即無曼內(nèi)斯曼效應(yīng)的鍛造法),對坯料進行縱向大變形量壓拔,直接將鍛坯鍛壓至制坯直徑尺寸。按工藝尺寸制坯成圓柱體,滾圓,平整,進爐保溫約2h。
⑷將鍛坯放入專用旋轉(zhuǎn)工作臺與漏盤組成的風(fēng)電主軸專用工裝,用上平板直接鐓粗圓柱體鍛坯,換上砧旋壓法蘭端至圖紙尺寸,然后帶模圈滾圓平整法蘭端外圓尺寸。將鍛坯出模,用專用長沖頭置于法蘭端端面上,沖出通孔。嚴格控制沖孔位置和尺寸,確保沖孔尺寸質(zhì)量。鍛坯進爐保溫≤1h。
⑸將專用芯棒置入鍛坯通孔,用上下V型砧拔長小軸端,先從法蘭根部開始壓拔,確保第一趟拔長壓下量≥20%,嚴格控制拔長過程中的壓下量和進給量,防止偏心,確保鍛件尺寸符合工藝圖紙,按圖紙鍛制成品。
⑹鍛后空冷至400℃左右,立刻進爐均溫,按鍛后熱處理工藝進行一次正火+一次回火,如圖2所示。
圖2 中空型風(fēng)電主軸鍛件鍛后空冷
⑺毛坯檢驗合格后,按粗加工圖進行外圓粗加工,在粗加工外圓尺寸時,需參考內(nèi)孔毛坯尺寸。外圓粗加工合格后,再對風(fēng)電主軸內(nèi)孔進行內(nèi)孔粗鏜至圖紙尺寸,并做無損檢測。
⑻鍛件進行調(diào)質(zhì)熱處理,并進行力學(xué)性能檢驗、無損檢測以及相關(guān)理化檢測。
⑼按成品圖進行精加工、噴涂、檢驗合格,如圖3所示。
圖3 產(chǎn)品精加工后噴涂階段
工藝分析優(yōu)點
⑴因采用新工藝,該鍛件工藝重量約22t,對比傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝重量節(jié)約6t原材料,節(jié)約了原材料使用量。且在生產(chǎn)過程中,因無需夾持大法蘭端,只需夾持專用芯棒,降低了對操作機設(shè)備的要求。綜合整體生產(chǎn)技術(shù)要領(lǐng),按照該生產(chǎn)工藝生產(chǎn)該類大型風(fēng)電主軸,鍛造生產(chǎn)設(shè)備只需配備4000t以上壓機規(guī)模即可。采用此新工藝將大大降低了原材料成本和鍛造成本,提高了鍛造設(shè)備的適用性,并大大的提高了生產(chǎn)效率。
⑵采用此新工藝,通過芯棒拔長,該鍛件的有效厚度降低至400mm左右,且該鍛件有效壁厚變化量減小。鍛后熱處理只需進行一次正火+回火,便達到了晶粒細化和碳化物分布均勻化,去除了鍛件的內(nèi)應(yīng)力作用。此工序縮短熱處理保溫時間,降低了能耗,達到了節(jié)能增效的效果。
⑶因該鍛件需通過芯棒鍛造拔長,通過第三火鍛造階段的沖通孔工序,能夠沖出鍛坯內(nèi)中心最差的組織部分,且通過芯棒拔長,減少了有效壁厚,增強了對鍛件內(nèi)部缺陷的鍛合能力,并有效的改善偏析等缺陷。因筒形鍛件經(jīng)過鍛造拔長后,具有更優(yōu)異的鍛造流線,其探傷合格率遠遠高于實心軸類件,這些都大大提高了鍛件的無損檢測合格率,并提高了產(chǎn)品調(diào)質(zhì)后的機械性能。
⑷因鍛件內(nèi)孔為通孔,在粗加工過程中,大大減少了內(nèi)孔的加工工作量和工作時間,大大縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)時間,并節(jié)約了成本。
⑸因主軸鍛件內(nèi)孔為沖孔后拔長鍛造而成,其內(nèi)孔非金屬夾雜物以及偏析等缺陷均少于采用傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)的實心主軸內(nèi)孔。這些因素均大大降低了主軸在調(diào)質(zhì)過程中內(nèi)孔開裂的風(fēng)險,并使調(diào)質(zhì)后產(chǎn)品具有更優(yōu)異的力學(xué)性能和組織均勻性。
工藝分析缺點
鍛造此主軸,生產(chǎn)技術(shù)難度較大,生產(chǎn)節(jié)奏緊張,需很好的操作熟練程度和生產(chǎn)班組的默契配合。并需嚴格控制鍛造生產(chǎn)過程中每個關(guān)鍵控制節(jié)點,如加熱溫度、保溫時間、形變過程以及最終鍛件成品尺寸,避免因鍛件毛坯尺寸誤差較大增加后續(xù)鍛件機加工難度。
綜上所述,采用此新工藝,具有成本低、節(jié)能節(jié)材、產(chǎn)品性能優(yōu)異、合格率高、高效率、設(shè)備適用性廣等優(yōu)點。是值得企業(yè)推廣的創(chuàng)新型新技術(shù)、新工藝、新方法。
公司對兩種生產(chǎn)工藝經(jīng)過嚴格的分析,決定采用大功率風(fēng)力發(fā)電機組主軸的創(chuàng)新型工藝進行試生產(chǎn)。為確保此新工藝的順利實施,充分挖掘了公司設(shè)備的最大生產(chǎn)潛能,重新設(shè)計優(yōu)化了生產(chǎn)專用工裝,嚴格制定詳細科學(xué)的生產(chǎn)流程和控制節(jié)點。嚴格控制制造過程中的冶煉、鍛造、熱處理、機加工、過程檢驗等每個環(huán)節(jié),確保大功率風(fēng)力發(fā)電機組主軸的創(chuàng)新型工藝的順利實施。
經(jīng)過試生產(chǎn),成功的完成了大功率風(fēng)力發(fā)電機組主軸的鍛造以及后續(xù)生產(chǎn)工序,并通過了嚴格的質(zhì)量檢驗。總結(jié)出一套較成熟、完整的生產(chǎn)工藝。大功率風(fēng)力發(fā)電機組主軸的創(chuàng)新型工藝的研發(fā)成功,將為公司進一步拓展大功率風(fēng)電主軸產(chǎn)品市場提供強大的數(shù)據(jù)支持和參考價值,創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益和社會效益。
反饋服務(wù)編碼6024