毛闖 孫嫘 沈國劬 易泓宇

(二重(德陽)重型裝備有限公司,四川 德陽 618000)

第三代核電蒸汽發(fā)生器水室封頭材料為SA-508 Gr.3Cl.2低合金鋼,此種材料強(qiáng)度適中,塑韌性、可塑性和可焊性良好,中子輻照敏感性低,被廣泛應(yīng)用于核電建設(shè)中[1]。為提高容器部件運(yùn)行的安全性和可靠性,容器部件制造技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展趨勢是減少其上的焊縫數(shù)量和長度[2-3]。水室封頭一體化程度高,尺寸規(guī)格大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其在大厚壁球形封頭基體上集成有進(jìn)口接管、出口接管、余熱排出接管、支承臺(tái)等多個(gè)結(jié)構(gòu)元素,且各接管呈向心與非向心混合分布,見圖1,要求整鍛制造,其制造難度相當(dāng)大,是最能體現(xiàn)鍛件制造企業(yè)技術(shù)水平的產(chǎn)品之一[4]。

以往的鍛造方法將這些結(jié)構(gòu)元素包絡(luò)成形[5],見圖2,雖鍛造難度有所降低,但鍛件重量大幅增加,需要使用巨大的鋼錠,材料利用率低。

①—封頭基體;②、③—非向心直接管;④、⑤—向心斜接管;⑥—中心凸臺(tái)。圖1 水室封頭三維結(jié)構(gòu)示意圖(右側(cè)為剖視圖)Figure 1 3D structure diagram of water chamber head (section view on the right)

而且,整體包絡(luò)鍛造使得鍛件底部形如一塊大直徑厚壁“管板”,鍛透壓實(shí)難度大,無損檢測風(fēng)險(xiǎn)高。此外,包絡(luò)鍛造的鍛件毛坯余塊多、余量大,導(dǎo)致鍛后熱處理時(shí)間延長,機(jī)械加工量顯著增加,總體制造周期明顯增長。

為了解決傳統(tǒng)鍛造在質(zhì)量、成本、效率方面先進(jìn)性不足的問題,十分有必要開展工藝優(yōu)化研究,設(shè)計(jì)專用模具,實(shí)現(xiàn)水室封頭的一體化仿形鍛造,以提高材料利用率,降低質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn),縮短制造周期,同時(shí)對(duì)提升企業(yè)鍛造技術(shù)水平具有重要意義。

1 工藝性分析

水室封頭輪廓見圖1,其最大外徑4550 mm,壁厚超過300 mm,總高2760 mm。兩出口接管非向心分布,而進(jìn)口接管向心設(shè)置,接管直徑大,超過1000 mm,外伸高度高。此外,還設(shè)置有中心支承臺(tái)和余熱排出接管。

要實(shí)現(xiàn)水室封頭一體化仿形鍛造,關(guān)鍵在于解決封頭各類接管的成形問題[6-8]。對(duì)圖中各接管的分布角度、外伸高度及輪廓尺寸等要素綜合分析,實(shí)現(xiàn)近凈成形的主要難點(diǎn)有:

(1)設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)的中間坯以最有利于接管的充型,同時(shí)中間坯的制備應(yīng)具有良好工藝性。

(2)設(shè)計(jì)合理結(jié)構(gòu)的模具以獲得各部位較好的充型效果,且適宜現(xiàn)場操作。

(3)需掌握成形過程金屬流動(dòng)規(guī)律,結(jié)合場量分布情況,制定合理的鍛造成形工藝。

(4)解決成形過程的現(xiàn)場操作控制難題。

2 工藝優(yōu)化思路

考慮鍛造過程坯料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及易于入模、脫模的因素,將向心的進(jìn)口斜接管鍛造成與出口接管同向的非向心直接管,其余各部均隨形鍛出,鍛造成品的封頭形狀見圖3。

圖3 水室封頭鍛造成品三維示意圖Figure 3 Three-dimensional schematic diagram of water chamber head forging product

總體工藝思路為,制備出SA508-3鋼錠,并進(jìn)行整體鍛透壓實(shí),而后鍛制特定結(jié)構(gòu)的中間坯,置于專用模具內(nèi)進(jìn)行多火次的胎膜鍛造,逐步成形各部,直至全仿形鍛出。具體操作為中間坯先在專用模具內(nèi)進(jìn)行大變形量整體鐓粗,在強(qiáng)大的鐓粗變形力作用下,坯料填充模具型腔,形成封頭和接管雛形;再利用“月牙形”上模進(jìn)行旋轉(zhuǎn)展壓,進(jìn)一步成形封頭球體與接管;當(dāng)旋轉(zhuǎn)展壓達(dá)到一定的深度后,模具各型腔充型飽滿,各部位實(shí)現(xiàn)近形成形。

3 中間坯設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)尺寸的中間坯,利用DEFORM數(shù)值模擬軟件,在模具內(nèi)進(jìn)行鐓粗和展壓成形模擬計(jì)算,分析接管和封頭基體的成形效果,選擇結(jié)構(gòu)合理的中間坯[9-10]。

3.1 模型建立

(1)數(shù)值模擬內(nèi)容:分別對(duì)截面形狀為圓柱形、錐臺(tái)形、三角形的中間坯進(jìn)行成形數(shù)值模擬,如圖4所示。

(2)方案目標(biāo):掌握不同結(jié)構(gòu)中間坯在成形過程的金屬流動(dòng)規(guī)律,著重分析封頭各接管的成形效果,為中間坯結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供指導(dǎo),最終確定結(jié)構(gòu)合理的中間坯。

(3)數(shù)值模擬所用模型:利用CATIA軟件進(jìn)行坯料和工裝建模,中間坯的形狀如圖5所示,各中間坯的截面尺寸以最有利于接管成形為原則進(jìn)行設(shè)置,高度尺寸則以下料重量來確定。下模工裝的型腔與鍛件圖匹配,見圖5。所用材料模型為SA508-3鋼。

圖5 下模工裝三維建模Figure 5 Three-dimensional modeling of lower die tooling

(4)邊界條件:坯料與工裝的接觸摩擦因數(shù)為0.7,傳熱系數(shù)為1 N/(s·mm·℃),上下模溫度為30℃,坯料初始溫度為1250℃,模具下壓速率為1～10 mm/s,開始鐓粗時(shí)壓下速率快,鐓粗后期壓下速率降低。

(5)單元類型和數(shù)量:初始鋼坯的網(wǎng)格數(shù)量不宜太多,但要盡可能保證網(wǎng)格均勻,網(wǎng)格數(shù)量設(shè)定在40000個(gè),后續(xù)計(jì)算過程中出現(xiàn)的網(wǎng)格畸變可自動(dòng)重劃分。

3.2 結(jié)果與分析

(1)圓柱形中間坯

圓柱形中間坯在下模內(nèi)整體鐓粗至壓機(jī)載荷極限,如圖6所示,足夠變形量的整體鐓粗對(duì)接管的充型是十分有利的,鐓粗過程坯料的應(yīng)力應(yīng)變分布如圖7所示,從應(yīng)力分布來看,接管與基體過渡處的最大等效應(yīng)力超過100 MPa,超出材料在該溫度下的屈服強(qiáng)度較多;從應(yīng)變分布來看,過渡處的最大等效應(yīng)變超過2,說明過渡處的金屬變形較為劇烈,易產(chǎn)生開裂風(fēng)險(xiǎn),那么,在鐓粗過程中應(yīng)控制變形速率≤10 mm/s,避免變形速率過大,變形劇烈而產(chǎn)生撕裂缺陷,對(duì)其他結(jié)構(gòu)中間坯鐓粗同樣如此。

圓柱形中間坯在模具內(nèi)最終成形后的鍛件形狀如圖8(a)所示,從圖中可以看出,各接管外側(cè)均產(chǎn)生了約400 mm的圓角,會(huì)引起接管尺寸缺量。此種圓柱形中間坯能夠保證有足夠的鐓粗變形量,但由此帶來的初始截面尺寸較小,導(dǎo)致成形過程接管充型有限,外側(cè)自然產(chǎn)生較大圓弧的現(xiàn)象難以避免。

(2)錐臺(tái)形中間坯

在圓柱形中間坯基礎(chǔ)上,為了改善接管外側(cè)的充型效果,改進(jìn)等截面的圓柱形中間坯為變截面的錐臺(tái)形中間坯,優(yōu)先與下模接觸的截面尺寸足夠大,為接管成形提供較好的基礎(chǔ)條件。最終成形后的鍛件形貌如圖8(b)所示,可以看出,接管外側(cè)的尺寸缺量變得更加嚴(yán)重,水平側(cè)缺量超過800 mm,豎直側(cè)缺量超過450 mm,這主要是由于錐臺(tái)形中間坯在增大截面的同時(shí),高度受到嚴(yán)重的縮減,模具成形的變形量明顯減弱,影響了接管充型效果。

(3)三角形中間坯

在以上兩種中間坯基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了一種三角形中間坯,三角形的三只角對(duì)應(yīng)三個(gè)接管,預(yù)先減小接管的金屬流動(dòng)阻力,同時(shí)不影響中間坯的高度尺寸。成形中間過程的鍛件形貌如圖8(c)所示,可以看出,三角形中間坯的接管成形效果得到明顯改善,但封頭上部碗口出現(xiàn)了落差約300 mm的“三角峰”現(xiàn)象,而且這種落差會(huì)隨著成形的深入而逐步加大,最終導(dǎo)致碗口尺寸缺量。另外,三角形的中間坯的制備也存在相當(dāng)大的難度。

圖6 圓柱形中間坯在模具內(nèi)鐓粗時(shí)的變形力情況Figure 6 Deformation force of cylindrical intermediate billet during upsetting in die

(a)應(yīng)力分布情況

根據(jù)分析,上述三種結(jié)構(gòu)中間坯對(duì)封頭接管的成形存在各自優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合各自優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出一種錐臺(tái)與圓柱的組合結(jié)構(gòu)中間坯,能夠?qū)崿F(xiàn)封頭與接管的良好充型與近形成形,如圖9所示。

圖9 接管充型良好的近凈成形封頭Figure 9 Near net forming head with good filling of nozzle

4 模具設(shè)計(jì)

4.1 進(jìn)、出口接管型腔設(shè)計(jì)

利用DEFORM計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬軟件,對(duì)多種接管型腔結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化。

(1)圓形結(jié)構(gòu)的接管型腔,如圖10所示。此種型腔結(jié)構(gòu)和尺寸與水室封頭的進(jìn)、出口接管完全對(duì)應(yīng),但相鄰型腔之間的“隔斷”面積較大,成形過程不利于金屬的流動(dòng)和接管的充型,會(huì)造成接管外側(cè)形成過大的圓弧而缺肉,如圖11所示,不宜選取此種結(jié)構(gòu)。

圖10 圓形接管型腔結(jié)構(gòu)示意圖Figure 10 Schematic diagram of the circular nozzle cavity structure

(2)為了使坯料更容易流入型腔,對(duì)整體鐓粗和旋轉(zhuǎn)展壓過程接管部分的金屬流動(dòng)情況進(jìn)行了分析,如圖12、13所示,坯料在下模內(nèi)整體鐓粗時(shí),接管型腔內(nèi)的金屬處于自由狀態(tài),這部分金屬在強(qiáng)大的鐓粗力作用下被擠壓進(jìn)入接管型腔[11],隨著進(jìn)入型腔金屬的增多,部分金屬首先接觸到型腔內(nèi)壁而受到阻礙,未接觸到的部分逐漸貼向內(nèi)壁。而較早接觸到球面部分的金屬因受到阻礙只能沿著球面向碗口方向流動(dòng),即坯料直徑逐漸增大。在旋轉(zhuǎn)展壓過程中,隨著壁厚的減薄,球面部分的金屬受反擠壓力流向碗口,球體高度增加,接管型腔內(nèi)的金屬受到正擠壓力,進(jìn)一步填充型腔,直到型腔金屬大面積貼合型腔內(nèi)壁后又形成反向擠壓,此時(shí)金屬只能向碗口流動(dòng)。

圖11 接管外側(cè)圓角形貌Figure 11 Outer corner shape of nozzle

圖12 坯料鐓粗金屬流動(dòng)情況Figure 12 Metal flow situation of billet upsetting

圖13 坯料旋壓金屬流動(dòng)情況Figure 13 Metal flow situation of billet spinning

因此,為了使金屬更容易流入型腔,應(yīng)盡可能減少型腔與型腔之間的“隔斷”面積,設(shè)計(jì)成較大的圓角過渡且設(shè)計(jì)合理的型腔拔模斜度[12]。優(yōu)選的模具型腔結(jié)構(gòu)如圖14所示,在模具強(qiáng)度滿足要求的前提下,通過增大圓角過渡,可有效減少型腔與型腔之間的“隔斷”面積,尤其是靠近型腔根部的“隔斷”。

(3)優(yōu)化型腔結(jié)構(gòu)后,坯料旋轉(zhuǎn)展壓到后期可以發(fā)現(xiàn),型腔內(nèi)的金屬大面積接觸型腔內(nèi)壁和底面后,金屬受到反向擠壓力作用而更多的向碗口流動(dòng),從而在型腔內(nèi)形成金屬流動(dòng)“死角”,如圖15所示,設(shè)計(jì)時(shí)可通過優(yōu)化型腔尺寸來解決。旋轉(zhuǎn)展壓時(shí)型腔內(nèi)金屬始終受到正向擠壓力作用,能夠有效降低金屬流動(dòng)“死角”的面積,保證該部位尺寸滿足工藝要求。

圖14 優(yōu)化后的下模型腔結(jié)構(gòu)示意圖Figure 14 Schematical diagram of the lower model cavity structure after optimization

4.2 分模面設(shè)計(jì)

采用整體模具不僅制造成本高,而且增加了鍛造操作難度,應(yīng)分模制造。分模面的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮三方面因素:一是滿足成形需要的整體鐓粗變形量;二是整體鐓粗后,坯料能夠順利利用夾具夾持入模和脫模;三是整體鐓粗的最大截面應(yīng)小于分模面截面尺寸。

5 工藝方案

水室封頭鍛造工藝過程見圖16,鋼錠經(jīng)過鐓粗拔長有效鍛透壓實(shí)后,制成變截面中間坯;中間坯在下模內(nèi)利用中心支承臺(tái)對(duì)中后進(jìn)行整體鐓粗達(dá)到預(yù)定的變形量,金屬在鐓粗力作用下流入模具型腔,形成封頭和接管雛形;此時(shí)由于坯料截面積增大,整體鐓粗的變形抗力達(dá)到了設(shè)備極限,無法再整體鐓粗,換用“半月形”上模進(jìn)行旋轉(zhuǎn)展壓,展壓過程隨著變形量增加,模具型腔進(jìn)一步被填充,同時(shí)封頭球體也逐漸成形;達(dá)到預(yù)定的旋轉(zhuǎn)展壓深度后,模具型腔基本充型飽滿,接管高度和直徑基本達(dá)到要求尺寸;最后對(duì)接管進(jìn)行修整,使得接管尺寸完全滿足工藝要求。

圖15 型腔內(nèi)出現(xiàn)金屬流動(dòng)“死角”Figure 15 Metal flow ‘dead angle’ appeared in the cavity

6 工藝應(yīng)用情況

利用DEFORM數(shù)值模擬軟件對(duì)水室封頭一體化鍛造成形方案進(jìn)行全過程模擬,通過計(jì)算成形力,溫度場及應(yīng)力應(yīng)變場分布情況,并結(jié)合現(xiàn)場操作條件,合理制定各工藝火次的溫度、變形量參數(shù)和工作內(nèi)容。通過整體鐓粗后坯料形狀尺寸與模擬結(jié)果的對(duì)比,可以看出兩者結(jié)果吻合度高,見圖17。

改進(jìn)后的鍛造工藝在第三代核電某項(xiàng)目水室封頭上進(jìn)行了實(shí)施,實(shí)現(xiàn)了水室封頭一體化近形鍛造,獲得了外形規(guī)則,表面質(zhì)量好,尺寸滿足工藝要求的水室封頭產(chǎn)品,如圖18所示,經(jīng)超聲檢測,未發(fā)現(xiàn)超過?2 mm當(dāng)量的任何缺陷,滿足技術(shù)條件要求,充分驗(yàn)證了工藝的可行性。

7 結(jié)論

(1)通過工藝創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了超大尺寸規(guī)格的異形復(fù)雜水室封頭全仿形鍛造。

(2)通過設(shè)計(jì)全新的模具和中間坯結(jié)構(gòu),有效解決了接管充型難題。

(3)設(shè)計(jì)出合理的成形工藝方案,既具有現(xiàn)場可實(shí)施性,又較好實(shí)現(xiàn)了水室封頭的全仿形成形。

(4)一體化鍛造新工藝成功應(yīng)用到核電項(xiàng)目水室封頭產(chǎn)品制造,獲得了尺寸、表觀與內(nèi)部質(zhì)量均滿足要求的水室封頭產(chǎn)品,有效提高了產(chǎn)品材料利用率,縮短了制造周期,降低了制造成本,同時(shí)為后續(xù)該項(xiàng)技術(shù)推廣應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。