沈偉濤，翟武藝

（1.西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，西安 710068；2.西安陜鼓動(dòng)力股份有限公司，西安 710049）

0 引言

離心式壓縮機(jī)主要應(yīng)用于石油、化工、空分等工業(yè)領(lǐng)域[1-4]，在工業(yè)生產(chǎn)中的氣體輸送、裂解等方面起著重要的作用。葉輪作為離心壓縮機(jī)的核心做功部件，其材料強(qiáng)度、耐蝕性、加工制造的精度對(duì)風(fēng)機(jī)的壽命、可靠性及氣動(dòng)性能有著十分重要的影響。圖1所示為離心式壓縮機(jī)和葉輪。葉片是構(gòu)成葉輪流道的重要組成部分，其加工制造的型面精度及材料性能對(duì)葉輪的強(qiáng)度和材料具有重要影響，因此有必要對(duì)葉片的加工制造工藝進(jìn)行研究[5-7]。

圖1 離心式壓縮機(jī)及葉輪

葉片的加工方式根據(jù)葉輪制造工藝主要可分為兩類(lèi)：1）葉輪整體銑制或者兩體拼焊時(shí)，葉片直接銑制在葉輪上，或者銑制在輪盤(pán)上之后和輪蓋拼焊成形；2）葉輪三體拼焊時(shí)，葉片按模壓成形方式生產(chǎn)，利用模具將預(yù)制的平板狀坯料壓制成為葉片曲面形狀，然后和輪盤(pán)、輪蓋拼焊成形。

鑒于三體葉輪生產(chǎn)制造在成本、材料利用率、生產(chǎn)周期方面的明顯優(yōu)勢(shì)，一般作為葉輪制造的首選方案，相應(yīng)的葉片采用熱壓成形方案。而葉片的熱壓成形制造工藝水平制約著葉輪三體拼焊制造方案的生產(chǎn)質(zhì)量、應(yīng)用范圍。

本文研究了離心式壓縮機(jī)三元流葉片的熱壓成形過(guò)程，即在板料展開(kāi)并銑出周邊輪廓后對(duì)熱壓成形工藝及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。最終利用本文中的葉片成形方法，試驗(yàn)得到了大型離心式壓縮機(jī)葉片，并驗(yàn)證了該方法的可行性。

1 葉片的材料及性能要求

葉片所用材料為低碳馬氏體沉淀硬化不銹鋼，其成分如表1所示，壓形、銑制周邊前為固溶+過(guò)時(shí)效熱處理狀態(tài)。

表1 馬氏體不銹鋼的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

馬氏體不銹鋼葉片冷壓成形工藝時(shí)回彈量很大，生產(chǎn)上有諸多困難，因此三元流葉片成形一般采用熱壓成形。

為了研究馬氏體不銹鋼在壓力成形中的材料特性并將其作為仿真計(jì)算的輸入，利用Gleeble數(shù)控動(dòng)態(tài)熱模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行葉片材料的熱模擬性能測(cè)試，采取Hansel-Spittel材料模型建立馬氏體不銹鋼在變形溫度為700～900 ℃、應(yīng)變速率為10.00、1.00、0.10、0.01 s-1的本構(gòu)方程如下[8]：

2 制造工藝流程及關(guān)鍵技術(shù)

葉片所用的原材料為固溶+過(guò)時(shí)效狀態(tài)的板材，并按照公司內(nèi)部展開(kāi)軟件計(jì)算所得的葉片展開(kāi)輪廓銑至后邊后待壓。為了減少終壓成形的一次性變形量，保證葉片最終成形的質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，在最終成形前按照冷壓的方式對(duì)葉片進(jìn)行預(yù)變形，隨后按照熱壓成形，預(yù)變形直接使用熱壓模具，壓制葉片上下模合模即可。具體生產(chǎn)工藝流程如圖2所示，終壓成形對(duì)葉片成形質(zhì)量具有決定性的影響。

圖2 三元流葉片生產(chǎn)工藝流程

葉片終壓成形工藝流程如圖3所示，其關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)主要有模具設(shè)計(jì)、葉片側(cè)向定位、壓形工藝、加熱3個(gè)方面。

圖3 三元流葉片熱壓工藝流程

2.1 模具設(shè)計(jì)方案與模具結(jié)構(gòu)

2.1.1 模具的組成

模具主要包括上模、下模、定位銷(xiāo)、導(dǎo)向套幾部分，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 模具的組成

2.1.2 模具型面的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)模具型面時(shí)，先按照最小深度法將目標(biāo)成形葉片放平，直接使用葉片上下型面作為上下模的型面并按照中性面修整模具邊緣。

2.2 葉片成形中的側(cè)向定位

在成形過(guò)程中，為了避免葉片出現(xiàn)滑動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，在模具的四周布置若干定位銷(xiāo)，以對(duì)坯料進(jìn)行定位，葉片出氣側(cè)不設(shè)置定位銷(xiāo)，給材料一定的自由延展空間，如圖5所示。

圖5 葉片的側(cè)向定位

圖6 葉片壓形模具

圖7 葉片成形過(guò)程中的步數(shù)-Z向壓力曲線

2.3 葉片壓形過(guò)程中的加熱

較高的成形溫度能夠最大限度地避免回彈[9]，因此三元流葉片壓形采用熱壓，同時(shí)考慮到在加熱過(guò)程中溫度對(duì)葉片組織的影響，因此葉片熱壓成形溫度確定為900 ℃。

葉片出爐后溫度會(huì)迅速下降，由實(shí)測(cè)結(jié)果可知，葉片出爐后1 min內(nèi)葉片中間部位的溫度降幅達(dá)100℃，邊緣降幅達(dá)200 ℃以上。如果出爐后在空氣中停留的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域成形后回彈較大，從而影響葉片的整體成形精度。因此，將葉片出爐至上模的時(shí)間嚴(yán)格控制在30 s以?xún)?nèi)。

3 熱壓成形過(guò)程的工藝仿真

3.1 仿真模型的建立

仿真計(jì)算使用DEFORM-3D軟件進(jìn)行，通過(guò)UG軟件建立葉片坯料和模具造型，并導(dǎo)入仿真軟件，隨后導(dǎo)入材料數(shù)據(jù)、邊界條件、摩擦因數(shù)、壓力機(jī)運(yùn)動(dòng)方式等參數(shù)導(dǎo)入仿真軟件。

3.1.1 材料數(shù)據(jù)

按式（1）計(jì)算材料的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)并輸入到軟件材料庫(kù)中，葉片坯料的熱力學(xué)性能如表2所示。

表2 板料熱力學(xué)性能

3.1.2 邊界條件

成形過(guò)程中的邊界條件如表3所示。

表3 成形過(guò)程中熱邊界條件設(shè)置

3.1.3 摩擦因數(shù)

根據(jù)圓環(huán)壓縮試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，測(cè)得不同溫度下的摩擦因數(shù)（如表4），將數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真軟件中。

表4 成形過(guò)程中熱邊界條件設(shè)置

3.1.4 成形過(guò)程中的溫度設(shè)置

加熱溫度設(shè)置為800 ℃，葉片從加熱爐轉(zhuǎn)移到壓力機(jī)過(guò)程為10 s，在仿真計(jì)算中將這個(gè)過(guò)程設(shè)置為空冷。

成形過(guò)程中模具設(shè)置為常溫，葉片與模具之間設(shè)置熱交換。壓形完成后保壓20 min。

3.1.5 壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式

根據(jù)壓形過(guò)程中壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)方式，將凈模具下壓的速度設(shè)置為10 mm/s。

3.1.6 冷壓

葉片的成形過(guò)程分為預(yù)壓和終壓兩步進(jìn)行。根據(jù)前期研究的結(jié)論，對(duì)于葉輪直徑1400 mm葉輪的葉片進(jìn)行仿真計(jì)算，獲得的冷壓成形數(shù)模和冷壓成形的實(shí)際葉片偏差小于1 mm的區(qū)域占80%以上，因此冷壓后的葉片預(yù)壓數(shù)?？梢灾苯幼鳛闊釅撼尚蔚妮斎霐?shù)據(jù)。

3.2 仿真結(jié)果

3.2.1 壓力

從仿真計(jì)算結(jié)果看，葉片成形所需的壓力機(jī)噸位為173.61 t，因此現(xiàn)有的200 t油壓機(jī)能夠滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

3.2.2 葉片與模具接觸情況分析

坯料與上下模接觸間隙云圖如圖8所示，按照本文設(shè)計(jì)的工藝方案壓形最終狀態(tài)時(shí)，葉片與模具的接觸間隙絕大部分在1 mm以?xún)?nèi)，符合要求。

圖8 坯料上下模具接觸間隙云圖

圖9 葉片壓形現(xiàn)場(chǎng)照片

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

葉片熱壓成形工藝驗(yàn)證使用車(chē)間現(xiàn)有200 t油壓機(jī)。葉片坯料到位后，進(jìn)行冷壓成形，壓制葉片坯與模具貼合后出模。

將冷壓后的預(yù)壓坯料放入電爐內(nèi)加熱至900 ℃，迅速轉(zhuǎn)移至模具中壓形至貼合，保壓20 min。使用塞尺檢測(cè)葉片坯料與模具間隙小于1 mm，出模。

對(duì)成形葉片進(jìn)行三坐標(biāo)分析，其正反兩面的結(jié)果如圖10所示，葉片理論造型的85%區(qū)域內(nèi)的偏差都小于1 mm，基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖10 最終成形葉片的三坐標(biāo)分析結(jié)果

5 結(jié)論

1）本文對(duì)離心式壓縮機(jī)三元流葉片的熱壓工藝成形生產(chǎn)流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)、仿真分析，并進(jìn)行了工藝驗(yàn)證，最終獲得滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的葉片，證明了該生產(chǎn)流程的合理性（包括葉片的坯料、模具的設(shè)計(jì)、側(cè)向定位、加熱過(guò)程的確定）。

2）通過(guò)驗(yàn)證確定，本文中的模具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法（包括上模、下模和定位銷(xiāo)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案）可以滿(mǎn)足生產(chǎn)需要。

3）在工藝設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)熱壓成形過(guò)程進(jìn)行了仿真分析，在工藝驗(yàn)證前對(duì)設(shè)備能力、成形質(zhì)量進(jìn)行了仿真預(yù)測(cè)，并在設(shè)計(jì)中對(duì)設(shè)計(jì)方案的不足之處進(jìn)行了調(diào)整，收到了良好效果。

4）進(jìn)行了葉片熱壓工藝的生產(chǎn)驗(yàn)證，最大誤差小于1 mm，滿(mǎn)足加工精度要求。雖然在葉片內(nèi)弧側(cè)寬邊位置的偏差略大，但偏差在可控范圍內(nèi)，通過(guò)后期的工藝改進(jìn)完全可以解決。