大型焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子鍛造工藝研究

張建國 徐國濤 曹志遠(yuǎn)

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子鍛件材質(zhì)為25Cr2Ni4MoV，鍛件毛坯軸身截面尺寸為?2 900 mm，截面較大，決定在150 MN水壓機(jī)上進(jìn)行鍛造。轉(zhuǎn)子鍛造主要有兩大難點(diǎn)：一是由于截面尺寸大，鍛造時(shí)首先要解決的是鍛件心部壓實(shí)的問題；二是焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子形狀特殊，軸頸與軸身直徑相差很大，如何解決最終鍛件成形的問題也很關(guān)鍵。因此，需要采用有效的壓實(shí)方法和合理的成形方式，以便最終獲得內(nèi)部質(zhì)量和外部尺寸均合格的焊接轉(zhuǎn)子鍛件。

1 鍛造工藝方案的確定

焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子鍛件圖見圖1。

圖1 焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子鍛件簡圖Figure 1 The diagram of welding test rotor forging

鑒于轉(zhuǎn)子軸身?2 900 mm的超大直徑，為完全壓實(shí)轉(zhuǎn)子心部孔隙性缺陷，并保證轉(zhuǎn)子整個(gè)軸身在鍛造過程中變形均勻，決定采用兩次鐓粗+兩次FM法拔長的壓實(shí)方法。由于兩端軸頸與軸身直徑相差太大，為解決鍛件最終合理成形問題，決定在最后出成品工序采用上下漏盤鐓粗的方式。鍛造過程見圖2。

圖2 焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子鍛造過程示意圖Figure 2 Schematic drawing of forging process of welding test rotor

2 焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子上下漏盤鐓粗模擬

焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子的鍛造工藝采用兩次鐓粗+兩次FM法拔長的壓實(shí)方法和上下漏盤局部鐓粗的成形方法。有關(guān)鐓粗+FM法拔長壓實(shí)的研究和實(shí)際應(yīng)用已有很多資料及文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，本文主要對鍛件最終成形工序進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

2.1 模型的建立

模擬上下漏盤鐓粗工藝建立的幾何模型如圖3所示。

圖3 上下漏盤鐓粗工藝幾何模型Figure 3 Geometrical model of up-and-down drain plate upsetting process

根據(jù)編制的鍛造工藝，進(jìn)行上下漏盤鐓粗工序時(shí)坯料料身尺寸為?2 500 mm×4 200 mm，下端軸頸為?1 270 mm×1 600 mm，上端軸頸?1 250 mm×650 mm，坯料中間靠上的環(huán)帶是為預(yù)防到最后鐓粗立料時(shí)鉗爪坑過深而預(yù)留的。坯料劃分網(wǎng)格數(shù)60 000個(gè)，上下漏盤網(wǎng)格數(shù)為30 000個(gè)。坯料與輔具之間要考慮傳熱因素。上模的壓下速度按壓機(jī)實(shí)際壓下速度進(jìn)行設(shè)置，隨壓力增大，壓下速度相應(yīng)降低。上模壓下量為40%，總壓下時(shí)間約6 min。

2.2 鐓粗結(jié)果分析

試驗(yàn)轉(zhuǎn)子坯料在上下漏盤鐓粗時(shí)，主要關(guān)注兩個(gè)指標(biāo)：一是坯料在鐓粗過程中軸身處的等效應(yīng)變的變化情況；二是成形后坯料的形狀及尺寸參數(shù)。等效應(yīng)變的大小和分布關(guān)系到鐓粗工序軸身內(nèi)部組織的均勻性以及后續(xù)鍛造完成后最終的晶粒尺寸，這關(guān)系到鍛件最終的力學(xué)性能及超聲檢測結(jié)果。最終鍛完坯料的形狀和尺寸參數(shù)的重要性不言而喻，二者必須在鍛件要求的公差范圍內(nèi)。

2.2.1 鐓粗過程中坯料軸身等效應(yīng)變的變化情況

圖4是坯料在壓下量分別為20%、30%及40%時(shí)，截面上等效應(yīng)變的分布變化情況。從圖4可以得出，坯料在上下漏盤鐓粗過程中，除與上下漏盤接觸的肩部區(qū)域外，心部材料先開始變形，最大等效應(yīng)變區(qū)在軸身心部，并且隨著壓下量的增大，坯料心部等效應(yīng)變增大，大等效應(yīng)變區(qū)增大，等效應(yīng)變最小值區(qū)域集中在兩軸頸及其和料身的延伸部位。當(dāng)壓下量達(dá)到40%時(shí)，軸身心部最大等效應(yīng)變值達(dá)到0.75，等效應(yīng)變值達(dá)到0.5的區(qū)域超過整個(gè)截面的3/4，兩軸頸以及其在軸身的延伸部位等效應(yīng)變值小于0.25，延伸深度約500 mm。

由等效應(yīng)變值的分布和大小可以得到以下結(jié)論：軸身部位在鐓粗時(shí)變形較均勻，但軸頸及其與軸身延伸部位材料變形量偏小，等效應(yīng)變值小于0.25，容易在鍛造過程中造成該部位坯料晶粒粗大，但軸頸直徑較小，在后續(xù)熱處理過程中軸頸及其附近部位材料晶粒比較容易細(xì)化，因此該處粗大晶?？赏ㄟ^鍛后熱處理進(jìn)行細(xì)化。

2.2.2 鐓粗后坯料的形狀及尺寸

坯料在上下漏盤鐓粗及滾圓后坯料與鍛件形狀的比較結(jié)果見圖5。

(a) 壓下量20%(b) 壓下量30% (c) 壓下量40%圖4 坯料在不同壓下量下截面等效應(yīng)變的變化情況Figure 4 Equivalent strain change situations of blanks bottom sections under different screw down amounts

(a) 鐓粗后坯料關(guān)鍵部分尺寸及與鍛件尺寸的比較結(jié)果(b) 滾圓后坯料形狀與鍛件形狀的比較結(jié)果 圖5 坯料鐓粗及滾圓后關(guān)鍵部位尺寸與鍛件尺寸的比較結(jié)果Figure 5 The comparison result of key position dimension and forging dimension after blank upsetting and rounding

由圖5a可以看到，鐓粗完成后，上端軸頸及下端軸頸都有所伸長，除軸身上端直徑比鍛件直徑略小外，軸身其它各處直徑基本滿足鍛件要求，軸身部位高度略小于鍛件名義尺寸，可通過滾圓后坯料長度有所增加進(jìn)行補(bǔ)償。從圖5b可以看到，坯料軸身滾圓后，軸身部位直徑及高度完全滿足鍛件的形狀和尺寸要求，上端小軸頸高度比鍛件小，需進(jìn)行拔長。

通過數(shù)值模擬分析可知，鍛造工藝參數(shù)基本能滿足轉(zhuǎn)子的技術(shù)要求。實(shí)際鍛造時(shí)，除略微增加上端小軸頸高度外，其余按原工藝參數(shù)進(jìn)行。

3 焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子的鍛造

在充分考慮設(shè)備和實(shí)際鍛造條件后，最終形成焊接轉(zhuǎn)子的鍛造工藝方案。在實(shí)際鍛造過程中，通過兩次鐓粗+兩次FM法拔長的壓實(shí)方法解決坯料的壓實(shí)及其組織均勻性的問題；通過上下漏盤鐓粗實(shí)現(xiàn)焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子毛坯的成形，并最終通過滾圓修整鍛出轉(zhuǎn)子的成品。

通過對比鍛件毛坯實(shí)際尺寸與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：鍛件實(shí)際鐓粗后的鼓肚比模擬時(shí)的小，軸身上下兩端直徑比模擬的稍大；實(shí)際鐓粗后上、下軸頸的伸長與模擬的結(jié)果相差不大，誤差小于5%；由于軸身鉗爪坑較深，達(dá)100 mm左右，可見在鉗爪立料部位增加環(huán)帶很有必要。

4 結(jié)論

針對軸身與軸頸直徑相差很大的焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子鍛件，提出采用兩次鐓粗+兩次FM法拔長的壓實(shí)方法，并最終采用上下漏盤鐓粗出成品，解決了焊接試驗(yàn)轉(zhuǎn)子心部壓實(shí)、組織均勻性控制以及最終成形的問題。通過對轉(zhuǎn)子上下漏盤局部鐓粗過程的模擬并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)條件，對鍛造工藝進(jìn)行了分析和優(yōu)化，最終成功鍛造出滿足鍛件形狀和尺寸要求的鍛件毛坯。

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