李波 何芬 李蒙軍 謝彬 何應強 劉戈

(東方電氣集團東方汽輪機有限公司，四川 德陽 618000)

某自帶圍帶型葉片為公司透平機組發(fā)展重要代表項目用葉片，本文研究的自帶圍帶型正反向模鍛動葉片(以下簡稱為葉片)形狀較復雜、批量較大，為提高葉片鍛件力學性能，降低機加工余量，減少原材料消耗，確保模鍛葉片包絡量，采用了設計鍛模和工裝成形方式滿足該類葉片配套及批量生產(chǎn)，該自帶圍帶型正反向模鍛動葉片鍛件的順利產(chǎn)出對提升我公司在透平制造領域的技術開發(fā)有重要意義。

1 自帶圍帶型葉片結構及成形分析

該自帶圍帶型正反向模鍛動葉片主要特點為斜型葉片頂部位置大、葉身扭角大、截面型線薄。通過葉片產(chǎn)品結構分析，該動葉模鍛件成形存在相當?shù)睦щy，主要體現(xiàn)在：葉片頂部位置尖角寬度小，鍛模型腔深，自由鍛開坯及模鍛成形材料冷卻快、充型十分困難，且容易卡在上鍛模；葉身型線薄，模鍛過程中坯料不易流動，坯料與模具熱交換能量損失較快，造成打擊變形抗力大，充型困難；同時汽道與葉根、葉頂形成大角度，該類結構會引起葉片毛坯鍛件、模具分型面設計及鍛件毛坯切邊困難，同時會造成進、出汽側最高點充型困難，尤其是出汽側(葉頂最高點)由于截面薄、位置高而充填能力相當困難；進汽側相對較厚，出汽側較薄，模鍛容易造成進汽側坯料很多，出汽側反而難充型飽滿，不利于坯料流動充型。根據(jù)以上自帶圍帶型葉片結構及成形難度分析，如何設計該類葉片鍛模及切邊模具型腔結構，提高模具使用壽命，最優(yōu)葉片開坯結構，確保葉片充型飽滿，模鍛葉片無裂紋折疊等缺陷成為本文研究重點。

2 葉片鍛件及模具設計

2.1 葉片鍛件設計

該自帶圍帶型葉片為葉根、葉冠、葉身大歪扭角結構，從鍛造理論出發(fā)，為平衡塑性成形力又能確保葉片充型順暢、飽滿及模鍛成形后切邊，設計葉片鍛件時進行一定角度旋轉處理。經(jīng)分析綜合考慮葉根、葉冠、葉身截面型線角度，將葉片整體旋轉155°設計。

為保證葉片后續(xù)加工余量，根據(jù)模鍛葉片放量標準，葉片汽道部分放量2.5 mm，葉根、葉冠放量5 mm。在鍛件型線設計時，為平衡成形毛坯切邊受力，將所有截面進出汽邊分模線設計為平面結構，葉片毛坯鍛件設計結構如圖1所示，分型面設計如圖2所示。

2.2 鍛模和切邊摸設計

考慮葉片成形模具時，為平衡塑性成形受力，規(guī)避坯料在型腔中進出汽方向竄動風險，減少鍛模沖擊力而影響使用壽命，鍛模型腔中心設計應與模具燕尾中心同線設計。經(jīng)對葉片最大投影面積(打擊方向)重心分析設計，需將葉片長度方向中心向葉冠方向偏移8 mm，葉片型線中心向進汽側方向鍛模中心線偏移4 mm，確保葉片毛坯成形時受力均勻且側向沖擊力最小化。

圖1 葉片鍛件設計Figure1 Bladeforgingdesign圖2 葉片分型面設計Figure2 Designofbladepartingsurface

由于該型葉片斜型葉片頂部位置大、葉身扭角大、截面型線薄等結構特點，其塑性成形有難度；同時為保證其成形質量，鍛模和切邊模制造精度和表面粗糙度必須得以保證，設計及制造也要得到嚴格控制。為了減小模具的錯移，鍛模采用整體模塊結構，并采用了角鎖口結構，鎖口尺寸長寬高的比例大致選為3∶2∶1。該動葉鍛模三維模型如圖3所示。切邊模設計時，在確保安全及質量的前提下，降低原材料生產(chǎn)成本，采取鑄件基體+工具鋼刃口焊接結構，并按對應焊接工藝實施，切邊凹?；w采用ZG310-570材料，刃口部位作R10四周堆焊5CrMnMo。

2.3 打孔工裝設計及操作

葉片毛坯在后續(xù)機加工時采用三頂針作定位基準，所以在葉片鍛件毛坯兩端工藝頭位置鉆三個中心孔(葉根部位兩孔、葉頂一孔)，這需設計專用打孔工裝。在打孔工裝設計時，由于該自帶圍帶型正反向模鍛動葉片葉根、葉片頂部位置整體平行“十字形”交叉結構，壓緊采取壓緊塊直壓接觸式結構設計，其打孔工裝設計如圖4所示。

圖4 打孔工裝設計Figure 4 Punching tooling design

檢測三孔鉆鉆頭等尺寸精度，將打孔工裝安裝在臥式三孔鉆設備平臺，用定位尺左右上下定位找正，擰緊固定螺栓，將待打孔葉片毛坯放置于打孔工裝上，先將模鍛葉片毛坯緊靠在葉根、葉冠定位塊斜面上，然后擰緊直壓接觸式壓板，啟動臥式三孔鉆床進行兩端頂針孔加工，三個中心孔同步進行加工，保證中心孔位置精度，為后續(xù)加工包絡量均勻性作保證。

(a)上模 (b)下模

2.4 檢測樣板設計

由于葉片汽道截面數(shù)量較多且扭度大，為驗證檢測模鍛葉片毛坯打孔精度及余量情況，設計樣板時除葉根、葉冠樣板檢測外，汽道部分均勻選擇了三個截面作檢測，分別為C-C、D-D、E-E截面；為確保垂直方向定位，在鍛件設計時于葉根平端面設置了Z向定位線，作為樣板檢測Z向定位基準，并將其作為葉根檢測截面；由于葉片葉根為凸臺結構，為確保尺寸檢測全面，在內背側均設計了檢測樣板。綜合考慮毛坯設計方案后，樣板型線設計時，在鍛件型線基礎上，原則上汽道放量2.5 mm，葉根、葉頂部放量10 mm，并制定相應檢測規(guī)范，以確?？刹僮餍约皽蚀_性。

3 開坯方案設計

葉片模鍛成形過程中，開坯形狀及表面質量對后工序模鍛成形效果起關鍵作用，開坯方案設計時，根據(jù)塑性成形體積不變原則，將該葉片分為六部分等體積的圓柱形體，通過軟件做截面圖方法進行尺寸輔助設計。按照模鍛成形特點及鍛模設計相關標準，并結合實際需求開坯方案設計時加放3 mm欠壓量設計。經(jīng)技術及軟件分析荒坯設計截面如5所示。其中上圖實線為葉片鍛件輪廓線圖，下圖實線為各截面轉化圓截面圖，雙點劃線為簡化設計后的荒坯半徑變化曲線圖。因葉根、葉頂部位置投影面積相對較大、其余厚度相對薄，為便于荒坯在模膛中定位和成形，開坯方案設計時將“啞鈴型”坯料大頭部分垂直交叉拍扁結構設計。荒坯形狀尺寸如圖6所示，三維設計如圖7，開坯設計與葉片鍛件三維對比如圖8所示。

圖5 荒坯設計截面圖Figure 5 Design section of blank

圖6 荒坯形狀尺寸Figure 6 Blank shape and size

圖7 荒坯三維設計Figure 7 Three dimensional design of blank

圖8 開坯設計與葉片鍛件三維對比圖Figure 8 Three dimensional comparison between blank design and blade forging

4 生產(chǎn)試驗

4.1 開坯生產(chǎn)試驗

根據(jù)體積不變等截面法設計出的該自帶圍帶型正反向模鍛動葉片開坯工藝方案，對該型葉片各生產(chǎn)10件進行塑性成形驗證性試驗，嚴格按照鍛造工藝尺寸執(zhí)行后鍛件實物如圖9所示。

4.2 葉片模鍛試制

因該型葉片鍛件投影面積和產(chǎn)品重量大，按模鍛設備生產(chǎn)能力和鍛模生產(chǎn)設備標準，并經(jīng)工藝技術人員進行校核模擬分析，選擇30 kN程控模鍛錘及6.3 MN切邊機進行驗證性試驗，并結合材料特性及開坯尺寸工藝輸入要求，為滿足葉片鍛件尺寸及表面質量要求，需進行二次鍛造成形才能滿足該自帶圍帶型正反向模鍛動葉片成形。按荒坯設計截面在模鍛試驗中應懸掛工藝頭一半左右的位置，如圖10所示，葉片模鍛毛坯經(jīng)第1火次模鍛生產(chǎn)試驗后的大致充型情況如圖11所示，經(jīng)切邊后的實際情況如圖12～13所示。

圖10 葉片毛坯模膛定位Figure 10 Positioning of blade blank die bore

圖11 第1火次試鍛充填情況Figure 11 Filling condition of the first fire trial forging

圖12 第1火次切邊后葉片實物圖Figure 12 Real product picture of blade after trimming in the first fire

圖13 第1火次切邊后葉片實物及飛邊情況Figure 13 Flash condition after trimming in the first fire

從葉片首次塑性成形驗證性試驗充型效果可知，除鍛模成形葉根、葉片頂部位置的最低點及最高點位置充型存在局部未成形滿外，其余已基本充型飽滿，葉片毛坯鍛件飛邊完整且基本均勻，無飛邊毛刺等缺陷出現(xiàn)，驗證了切邊模堆焊刃口及間隙等設計基本合理。

通過飛邊厚度的測量，首次成形后葉片鍛件欠壓量還有7 mm±1 mm左右，氣道等局部位置飛邊相對較少，由于該葉片結構特征(啞鈴型)造成成形受力不均，加上在石墨等潤滑劑的作用下，啞鈴型開坯料在實際模鍛成形中向遠離出汽側方向串動，同時受葉片材料鍛造溫度區(qū)間相對較窄等條件，很快進入終鍛溫度臨界點溫度，在設備資源前提下一火次很難到達成形效果。經(jīng)第1火次切邊再加熱后進行第2火次模鍛試驗，第2火試鍛充型如圖14所示。

(a)內弧

在葉片第2火次模鍛成形且切邊后目視檢查實物，鍛模成形葉根、葉片頂部位置的最低點及最高點等難點位置已全部充型飽滿，且飛邊整齊均勻，測量鍛件殘留飛邊也≤2 mm。經(jīng)試驗性試驗現(xiàn)場跟蹤，葉片鍛件首次模鍛成形需14～16錘才能基本充型，此時實際欠壓在4～6 mm，坯料經(jīng)第2火次模鍛需7～9錘才能達到設計充型完整要求，此時鍛件欠壓在2～3 mm。從實際驗證生產(chǎn)來看，經(jīng)過目視檢查表面質量及輪廓尺寸測量，葉片毛坯經(jīng)2火次模鍛試驗后葉片鍛件滿足試鍛工藝及規(guī)范要求，鍛模及切邊?，F(xiàn)場運行安全可靠且滿足設計需求，現(xiàn)場試驗驗證此方案設計坯料符合試驗要求。

5 三坐標檢測

為驗證葉片充型、鍛模、切邊模及打孔工裝等合理性，確保該模鍛葉片滿足下工序加工要求，從試鍛生產(chǎn)葉片毛坯中抽取兩件進行三坐標檢測。葉片三坐標檢測結果如圖15所示。從三坐標檢測試驗數(shù)據(jù)分析，三頂針滿足打孔規(guī)范要求，內背弧加工余量比較均勻，毛坯余量合格滿足下工序加工要求，也驗證了模具設計合理。

圖15 葉片三坐標檢測結果Figure 15 Three-coordinate inspection report of blade

6 結束語

通過對該汽輪機自帶圍帶型葉片鍛模設計及試驗研究，從其葉片結構特點分析、模具設計、開坯方案分析及設計等過程，確保了開坯最優(yōu)尺寸及模具設計方案；同時結合生產(chǎn)試驗驗證了該開坯尺寸及結構合理、鍛造工藝參數(shù)可行；通過后續(xù)性能熱處理工藝試驗及三坐標檢測等方式，檢測了其力學性能、充型效果及葉片飛邊殘留情況，同時也驗證了該葉片模鍛成形模具設計安全且合理。其自由鍛及模鍛始鍛溫度參數(shù)1140℃合理，未出現(xiàn)過熱過燒等鍛件缺陷，塑性變形充分，解剖分析模鍛葉片組織均勻、致密，晶粒細小，晶粒度達到7級(標準要求≥4級)，無其它超標冶金缺陷和熱加工缺陷，模鍛2火次成形，欠壓量≤3 mm，殘留飛邊≤2 mm等試驗數(shù)據(jù)均符合標準要求，最終固化了該自帶圍帶型葉片塑性成形技術，為后續(xù)類似模鍛葉片提供了技術支持及指導。