水輪機葉片模擬件的鍛造成形工藝研究

于海艷，楊開黎

（1. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150000；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

引言

葉片是水輪機中的關鍵部件，葉片的質量直接影響到整個水輪機組的運行壽命、效率、空化性能、出力、抗氣蝕性能和運行穩定性等。水輪機葉片由于其曲面形狀較為復雜，表面質量要求很高，所以其制造工藝尤為重要[1]。

目前水輪機葉片的加工工藝主要有三種：(1)砂型鑄造工藝(2)數控加工(3)熱成形工藝。砂型鑄造工藝容易在葉片表面出現縮孔、裂紋和缺肉等鑄造缺陷，而且后續的打磨拋光勞動強度很大，得到的葉片形線不準確，葉片的表面質量較差。數控加工方法是目前應用較廣的方法之一，但是此加工方法對原材料利用率低，而且由于毛坯表面的流線被切斷、微觀組織較粗大，所以成形后的葉片綜合機械性能較差。熱成形工藝是指利用模鍛的方法來成形水輪機葉片，此工藝可以提高毛坯的利用率，鍛后的葉片表面狀態較好，葉片內的微觀組織細小且均勻，葉片的綜合機械性能較高[2-4]。

由于常規的水輪機葉片尺寸巨大，所需的成形溫度高、壓力機的開間大、噸位高、熱成形模具造價昂貴。本課題擬對水輪機葉片的模擬件進行熱模鍛，以得到合理的工藝路線。

1 試驗材料與方法

本文采用Q235鋼為葉片模擬件的材料。Q235鋼的晶粒形態為等軸狀，包含先共析的鐵素體，位于晶界處的珠光體，該材料的強度、塑性等綜合性能較好。

2 試驗結果與討論

2.1 傳統鍛造工藝試驗方案

根據試驗要求，設計了如下的葉片坯形狀與尺寸，如圖1所示。并加工了一套葉片成形的鍛模。模具的材料為 H13。鍛模的模膛部分采用電火花加工，其他部分采用傳統的機械加工方法。模具的熱處理采用一次淬火+兩次回火。

先將Q235坯料表面及模具型腔預熱至100oC左右，把石墨潤滑劑均勻地涂在其表面，然后將坯料裝入模具中一同放入電爐中，加熱到500oC保溫1h。最后放在300t壓力機下快速鍛造，在空氣中直接開模取件。如下圖2所示為此工藝成形后的葉片實物圖。從圖可以看出，飛邊較多，葉片的榫頭和葉身連接處出現凸臺，葉身的前端出現缺肉。

圖1 葉片坯料形狀和尺寸

圖2 Q235鋼鍛件

2.2 傳統鍛造工藝有限元分析

用三維有限元模擬軟件3D-DEFORM對以上成形過程進行了有限元分析。整個成形過程設置為等溫過程，上下模和坯料的溫度設定為500oC。熱摩擦系數設定為0.3。利用熱模擬試驗機GLEEBLE-1500在500oC對 Q235作熱壓縮實驗(應變ξ=0.7，應變速率=0.1,0.01,0.001)，建立了相應的本構關系，導入DEFORM-3D材料庫中，最終計算得到如圖(3)的葉片最終成形圖和圖4、5所示的等效應變和溫度場分布圖。

圖3 葉片最終成形圖

圖4 等效應變分布圖

從圖3可以看出，葉片最終成形件的飛邊較多，榫頭與葉身的連接處出現凸臺，葉身前端并未填充完成。從圖4可以看出，在整個變形過程中葉身兩側的進氣邊附近以及榫頭與葉身過渡區域應變形量較大。從圖5可以看出，溫度較高的區域主要集中在榫頭和葉身前端，由于鍛件直接在空氣中開模，葉身前端的金屬降溫較快，開模后一部分金屬黏在了模膛內造成了缺肉。

圖5 溫度場分布圖

2.3 改進后的鍛造成形工藝試驗方案

為了改善葉片的成形效果，必須對模具和葉片坯重新設計。為此重新加工了K403模具。鑄態K403在900oC的強度能達到700～800MPa，可以減少在鍛造過程中的磨損，同時增加模具的強度。模具的模膛部分采用電火花加工，其他部分采用機械加工，加工完畢不需要進行熱處理。

針對傳統鍛造工藝中水輪機葉片模擬件的缺陷分析，重新設計了坯料形狀、鍛造工藝和后續的去應力退火工藝。將裝配好后的模具以及葉片坯，一起裝入700oC的電爐中，保溫1h，然在壓力機上鍛造。鍛造完畢，將未開模的模具整體放入200oC的爐中進行去應力退火，待冷卻至室溫再開模，之后對鍛件的飛邊進行加工得到如下圖6所示的水輪機葉片模擬鍛件[5]。

圖6 改進工藝后的葉片鍛件

由圖7可以看出，金屬填充性良好，飛邊較少，無凸臺和缺肉等成形缺陷。

3 結論

(1)葉片坯料的形狀和尺寸設計應該合理，避免因分料不合理造成的凸臺和飛邊過多；

(2)成形后，應對鍛件進行適當去應力退火處理，消除鍛件在開模過程中由于降溫過快造成的缺肉。

[1]賀元. 水輪機葉片制造技術[J]. 東方電氣評論，2004, 18(4): 210-214.

[2]賴喜德. 大型X混流式水輪機葉片五軸聯動數控加工技術 [J]. 兵工自動化，2001, 61(3): 40-43.

[3]王地召，王貞凱. 水輪機轉輪葉片模壓成型技術[J]. 東方電氣評論，2006, 20(1): 42-46.

[4]王樂安. 難變形合金鍛件生產技術 [M]. 國防工業出版社, 2005: 8.

[5]呂炎。鍛件缺陷分析與對策 [M]. 機械工業出版社, 1999: 99.