大型焊接試驗轉子鍛造工藝研究

張建國 徐國濤 曹志遠

(天津重型裝備工程研究有限公司，天津300457)

焊接試驗轉子鍛件材質為25Cr2Ni4MoV，鍛件毛坯軸身截面尺寸為?2 900 mm，截面較大，決定在150 MN水壓機上進行鍛造。轉子鍛造主要有兩大難點：一是由于截面尺寸大，鍛造時首先要解決的是鍛件心部壓實的問題；二是焊接試驗轉子形狀特殊，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鍵。因此，需要采用有效的壓實方法和合理的成形方式，以便最終獲得內部質量和外部尺寸均合格的焊接轉子鍛件。

1 鍛造工藝方案的確定

焊接試驗轉子鍛件圖見圖1。

圖1 焊接試驗轉子鍛件簡圖Figure 1 The diagram of welding test rotor forging

鑒于轉子軸身?2 900 mm的超大直徑，為完全壓實轉子心部孔隙性缺陷，并保證轉子整個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 焊接試驗轉子鍛造過程示意圖Figure 2 Schematic drawing of forging process of welding test rotor

2 焊接試驗轉子上下漏盤鐓粗模擬

焊接試驗轉子的鍛造工藝采用兩次鐓粗+兩次FM法拔長的壓實方法和上下漏盤局部鐓粗的成形方法。有關鐓粗+FM法拔長壓實的研究和實際應用已有很多資料及文獻報導，本文主要對鍛件最終成形工序進行數值模擬分析。

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

根據編制的鍛造工藝，進行上下漏盤鐓粗工序時坯料料身尺寸為?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，坯料中間靠上的環帶是為預防到最后鐓粗立料時鉗爪坑過深而預留的。坯料劃分網格數60 000個，上下漏盤網格數為30 000個。坯料與輔具之間要考慮傳熱因素。上模的壓下速度按壓機實際壓下速度進行設置，隨壓力增大，壓下速度相應降低。上模壓下量為40%，總壓下時間約6 min。

2.2 鐓粗結果分析

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

2.2.1 鐓粗過程中坯料軸身等效應變的變化情況

圖4是坯料在壓下量分別為20%、30%及40%時，截面上等效應變的分布變化情況。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域外，心部材料先開始變形，最大等效應變區在軸身心部，并且隨著壓下量的增大，坯料心部等效應變增大，大等效應變區增大，等效應變最小值區域集中在兩軸頸及其和料身的延伸部位。當壓下量達到40%時，軸身心部最大等效應變值達到0.75，等效應變值達到0.5的區域超過整個截面的3/4，兩軸頸以及其在軸身的延伸部位等效應變值小于0.25，延伸深度約500 mm。

由等效應變值的分布和大小可以得到以下結論：軸身部位在鐓粗時變形較均勻，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，在后續熱處理過程中軸頸及其附近部位材料晶粒比較容易細化，因此該處粗大晶粒可通過鍛后熱處理進行細化。

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) 鐓粗后坯料關鍵部分尺寸及與鍛件尺寸的比較結果(b) 滾圓后坯料形狀與鍛件形狀的比較結果 圖5 坯料鐓粗及滾圓后關鍵部位尺寸與鍛件尺寸的比較結果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行補償。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，需進行拔長。

通過數值模擬分析可知，鍛造工藝參數基本能滿足轉子的技術要求。實際鍛造時，除略微增加上端小軸頸高度外，其余按原工藝參數進行。

3 焊接試驗轉子的鍛造

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

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

4 結論

針對軸身與軸頸直徑相差很大的焊接試驗轉子鍛件，提出采用兩次鐓粗+兩次FM法拔長的壓實方法，并最終采用上下漏盤鐓粗出成品，解決了焊接試驗轉子心部壓實、組織均勻性控制以及最終成形的問題。通過對轉子上下漏盤局部鐓粗過程的模擬并結合實際生產條件，對鍛造工藝進行了分析和優化，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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