某汽輪機(jī)自帶圍帶型葉片模鍛成形工藝設(shè)計(jì)

李波 何芬 李蒙軍 謝彬 何應(yīng)強(qiáng) 劉戈

(東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽 618000)

某自帶圍帶型葉片為公司透平機(jī)組發(fā)展重要代表項(xiàng)目用葉片，本文研究的自帶圍帶型正反向模鍛動(dòng)葉片(以下簡稱為葉片)形狀較復(fù)雜、批量較大，為提高葉片鍛件力學(xué)性能，降低機(jī)加工余量，減少原材料消耗，確保模鍛葉片包絡(luò)量，采用了設(shè)計(jì)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(dòng)葉片鍛件的順利產(chǎn)出對(duì)提升我公司在透平制造領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)有重要意義。

1 自帶圍帶型葉片結(jié)構(gòu)及成形分析

該自帶圍帶型正反向模鍛動(dòng)葉片主要特點(diǎn)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(jié)構(gòu)分析，該動(dòng)葉模鍛件成形存在相當(dāng)?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(dòng)，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(shí)汽道與葉根、葉頂形成大角度，該類結(jié)構(gòu)會(huì)引起葉片毛坯鍛件、模具分型面設(shè)計(jì)及鍛件毛坯切邊困難，同時(shí)會(huì)造成進(jìn)、出汽側(cè)最高點(diǎn)充型困難，尤其是出汽側(cè)(葉頂最高點(diǎn))由于截面薄、位置高而充填能力相當(dāng)困難；進(jìn)汽側(cè)相對(duì)較厚，出汽側(cè)較薄，模鍛容易造成進(jìn)汽側(cè)坯料很多，出汽側(cè)反而難充型飽滿，不利于坯料流動(dòng)充型。根據(jù)以上自帶圍帶型葉片結(jié)構(gòu)及成形難度分析，如何設(shè)計(jì)該類葉片鍛模及切邊模具型腔結(jié)構(gòu)，提高模具使用壽命，最優(yōu)葉片開坯結(jié)構(gòu)，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(diǎn)。

2 葉片鍛件及模具設(shè)計(jì)

2.1 葉片鍛件設(shè)計(jì)

該自帶圍帶型葉片為葉根、葉冠、葉身大歪扭角結(jié)構(gòu)，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(shè)計(jì)葉片鍛件時(shí)進(jìn)行一定角度旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)155°設(shè)計(jì)。

為保證葉片后續(xù)加工余量，根據(jù)模鍛葉片放量標(biāo)準(zhǔn)，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(shè)計(jì)時(shí)，為平衡成形毛坯切邊受力，將所有截面進(jìn)出汽邊分模線設(shè)計(jì)為平面結(jié)構(gòu)，葉片毛坯鍛件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，分型面設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 鍛模和切邊摸設(shè)計(jì)

考慮葉片成形模具時(shí)，為平衡塑性成形受力，規(guī)避坯料在型腔中進(jìn)出汽方向竄動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)，減少鍛模沖擊力而影響使用壽命，鍛模型腔中心設(shè)計(jì)應(yīng)與模具燕尾中心同線設(shè)計(jì)。經(jīng)對(duì)葉片最大投影面積(打擊方向)重心分析設(shè)計(jì)，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(jìn)汽側(cè)方向鍛模中心線偏移4 mm，確保葉片毛坯成形時(shí)受力均勻且側(cè)向沖擊力最小化。

圖1 葉片鍛件設(shè)計(jì)Figure1 Bladeforgingdesign圖2 葉片分型面設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其塑性成形有難度；同時(shí)為保證其成形質(zhì)量，鍛模和切邊模制造精度和表面粗糙度必須得以保證，設(shè)計(jì)及制造也要得到嚴(yán)格控制。為了減小模具的錯(cuò)移，鍛模采用整體模塊結(jié)構(gòu)，并采用了角鎖口結(jié)構(gòu)，鎖口尺寸長寬高的比例大致選為3∶2∶1。該動(dòng)葉鍛模三維模型如圖3所示。切邊模設(shè)計(jì)時(shí)，在確保安全及質(zhì)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(jié)構(gòu)，并按對(duì)應(yīng)焊接工藝實(shí)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(shè)計(jì)及操作

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

圖4 打孔工裝設(shè)計(jì)Figure 4 Punching tooling design

檢測(cè)三孔鉆鉆頭等尺寸精度，將打孔工裝安裝在臥式三孔鉆設(shè)備平臺(tái)，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(dòng)臥式三孔鉆床進(jìn)行兩端頂針孔加工，三個(gè)中心孔同步進(jìn)行加工，保證中心孔位置精度，為后續(xù)加工包絡(luò)量均勻性作保證。

(a)上模 (b)下模

2.4 檢測(cè)樣板設(shè)計(jì)

由于葉片汽道截面數(shù)量較多且扭度大，為驗(yàn)證檢測(cè)模鍛葉片毛坯打孔精度及余量情況，設(shè)計(jì)樣板時(shí)除葉根、葉冠樣板檢測(cè)外，汽道部分均勻選擇了三個(gè)截面作檢測(cè)，分別為C-C、D-D、E-E截面；為確保垂直方向定位，在鍛件設(shè)計(jì)時(shí)于葉根平端面設(shè)置了Z向定位線，作為樣板檢測(cè)Z向定位基準(zhǔn)，并將其作為葉根檢測(cè)截面；由于葉片葉根為凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，為確保尺寸檢測(cè)全面，在內(nèi)背側(cè)均設(shè)計(jì)了檢測(cè)樣板。綜合考慮毛坯設(shè)計(jì)方案后，樣板型線設(shè)計(jì)時(shí)，在鍛件型線基礎(chǔ)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(yīng)檢測(cè)規(guī)范，以確?？刹僮餍约皽?zhǔn)確性。

3 開坯方案設(shè)計(jì)

葉片模鍛成形過程中，開坯形狀及表面質(zhì)量對(duì)后工序模鍛成形效果起關(guān)鍵作用，開坯方案設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)塑性成形體積不變?cè)瓌t，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(jìn)行尺寸輔助設(shè)計(jì)。按照模鍛成形特點(diǎn)及鍛模設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)際需求開坯方案設(shè)計(jì)時(shí)加放3 mm欠壓量設(shè)計(jì)。經(jīng)技術(shù)及軟件分析荒坯設(shè)計(jì)截面如5所示。其中上圖實(shí)線為葉片鍛件輪廓線圖，下圖實(shí)線為各截面轉(zhuǎn)化圓截面圖，雙點(diǎn)劃線為簡化設(shè)計(jì)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(duì)較大、其余厚度相對(duì)薄，為便于荒坯在模膛中定位和成形，開坯方案設(shè)計(jì)時(shí)將“啞鈴型”坯料大頭部分垂直交叉拍扁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。荒坯形狀尺寸如圖6所示，三維設(shè)計(jì)如圖7，開坯設(shè)計(jì)與葉片鍛件三維對(duì)比如圖8所示。

圖5 荒坯設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)Figure 7 Three dimensional design of blank

圖8 開坯設(shè)計(jì)與葉片鍛件三維對(duì)比圖Figure 8 Three dimensional comparison between blank design and blade forging

4 生產(chǎn)試驗(yàn)

4.1 開坯生產(chǎn)試驗(yàn)

根據(jù)體積不變等截面法設(shè)計(jì)出的該自帶圍帶型正反向模鍛動(dòng)葉片開坯工藝方案，對(duì)該型葉片各生產(chǎn)10件進(jìn)行塑性成形驗(yàn)證性試驗(yàn)，嚴(yán)格按照鍛造工藝尺寸執(zhí)行后鍛件實(shí)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(shè)備生產(chǎn)能力和鍛模生產(chǎn)設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)工藝技術(shù)人員進(jìn)行校核模擬分析，選擇30 kN程控模鍛錘及6.3 MN切邊機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證性試驗(yàn)，并結(jié)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(zhì)量要求，需進(jìn)行二次鍛造成形才能滿足該自帶圍帶型正反向模鍛動(dòng)葉片成形。按荒坯設(shè)計(jì)截面在模鍛試驗(yàn)中應(yīng)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(yàn)后的大致充型情況如圖11所示，經(jīng)切邊后的實(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)證性試驗(yàn)充型效果可知，除鍛模成形葉根、葉片頂部位置的最低點(diǎn)及最高點(diǎn)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(yàn)證了切邊模堆焊刃口及間隙等設(shè)計(jì)基本合理。

通過飛邊厚度的測(cè)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(duì)較少，由于該葉片結(jié)構(gòu)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(shí)際模鍛成形中向遠(yuǎn)離出汽側(cè)方向串動(dòng)，同時(shí)受葉片材料鍛造溫度區(qū)間相對(duì)較窄等條件，很快進(jìn)入終鍛溫度臨界點(diǎn)溫度，在設(shè)備資源前提下一火次很難到達(dá)成形效果。經(jīng)第1火次切邊再加熱后進(jìn)行第2火次模鍛試驗(yàn)，第2火試鍛充型如圖14所示。

(a)內(nèi)弧

在葉片第2火次模鍛成形且切邊后目視檢查實(shí)物，鍛模成形葉根、葉片頂部位置的最低點(diǎn)及最高點(diǎn)等難點(diǎn)位置已全部充型飽滿，且飛邊整齊均勻，測(cè)量鍛件殘留飛邊也≤2 mm。經(jīng)試驗(yàn)性試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)跟蹤，葉片鍛件首次模鍛成形需14～16錘才能基本充型，此時(shí)實(shí)際欠壓在4～6 mm，坯料經(jīng)第2火次模鍛需7～9錘才能達(dá)到設(shè)計(jì)充型完整要求，此時(shí)鍛件欠壓在2～3 mm。從實(shí)際驗(yàn)證生產(chǎn)來看，經(jīng)過目視檢查表面質(zhì)量及輪廓尺寸測(cè)量，葉片毛坯經(jīng)2火次模鍛試驗(yàn)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(chǎng)運(yùn)行安全可靠且滿足設(shè)計(jì)需求，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證此方案設(shè)計(jì)坯料符合試驗(yàn)要求。

5 三坐標(biāo)檢測(cè)

為驗(yàn)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(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)。葉片三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如圖15所示。從三坐標(biāo)檢測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，三頂針滿足打孔規(guī)范要求，內(nèi)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(yàn)證了模具設(shè)計(jì)合理。

圖15 葉片三坐標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Figure 15 Three-coordinate inspection report of blade

6 結(jié)束語

通過對(duì)該汽輪機(jī)自帶圍帶型葉片鍛模設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，從其葉片結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析、模具設(shè)計(jì)、開坯方案分析及設(shè)計(jì)等過程，確保了開坯最優(yōu)尺寸及模具設(shè)計(jì)方案；同時(shí)結(jié)合生產(chǎn)試驗(yàn)驗(yàn)證了該開坯尺寸及結(jié)構(gòu)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(yàn)及三坐標(biāo)檢測(cè)等方式，檢測(cè)了其力學(xué)性能、充型效果及葉片飛邊殘留情況，同時(shí)也驗(yàn)證了該葉片模鍛成形模具設(shè)計(jì)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(xì)小，晶粒度達(dá)到7級(jí)(標(biāo)準(zhǔn)要求≥4級(jí))，無其它超標(biāo)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(yàn)數(shù)據(jù)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，最終固化了該自帶圍帶型葉片塑性成形技術(shù)，為后續(xù)類似模鍛葉片提供了技術(shù)支持及指導(dǎo)。