核電大葉片鐓頭工藝設計

文/賀小毛，蔣鵬，黃健寧·北京機電研究所

李發文·天仟重工有限公司

核電大葉片鐓頭工藝設計

文/賀小毛，蔣鵬，黃健寧·北京機電研究所

李發文·天仟重工有限公司

賀小毛，高級工程師，主要從事鍛造工藝開發工作。

大葉片鍛件屬于長軸板片類鍛件，因葉片鍛件葉根和葉身截面和各型面截面變化劇烈、同一截面厚度尺寸變化極大、葉片扭角大，屬于最難鍛造的鍛件之一。大葉片制坯技術對于大葉片成形至關重要，坯料分配的合理性直接關系到葉片最終尺寸精度、組織結構和性能。

鐓頭工藝方案

鐓頭工序為大葉片鍛造工藝流程的第一道工序，鐓頭工藝是后續工藝的基礎。圖1是天仟重工計劃生產的一種材料為1Cr12Ni3Mo2VN大葉片的計算毛坯圖，從圖中可以看出葉片各截面積在長度方向上變化很劇烈。按最小葉冠部位計算毛坯直徑選取，下料尺寸為：φ232mm×1252mm的原材，下料重量為415kg，葉根鐓到φ380mm時，含葉身后全部長度的高徑鐓粗比為5.4。鐓粗時會發生失穩現象，而且下料尺寸超過現有3000t液壓機設備最大裝模高度，鐓頭工藝難以進行。綜合考慮大葉片葉根、葉身、凸臺、葉根處截面和設備最大裝模高度及鐓粗失穩情況后，確定原材料下料尺寸為φ240mm×1170mm，此時全部長度的高徑鐓粗比為4.9，符合鐓粗不失穩的條件，可在3000t液壓機上完成鐓頭工序。為了確保葉根部分有足夠的材料滿足終鍛要求，設計了三種鐓頭方案：閉式鐓頭，半開式鐓頭和開式鐓頭，三種墩頭方案中的模具結構如圖2所示。

圖1 某大葉片計算毛坯圖

圖2 三種鐓頭方案模具結構

圖3 坯料及三種鐓頭工藝坯料

三種鐓頭工藝方案完成鐓頭工序后的坯件如圖3所示。

閉式鐓頭可以有效保證鐓頭坯料的尺寸，但是要求下料尺寸精確及溫度控制嚴格，如果下料尺寸偏大或溫度變化，則會在上下模分模處形成橫向的飛邊，對后續工序不利。開式鐓頭坯料的葉根部分與計算毛坯圖不符，對終鍛成形葉根不利。綜合考慮閉式和開式優缺點，最終采用半開式鐓頭方案（如圖2b），這樣既保證了葉根處坯料的均勻分布，也消除了閉式鐓頭因下料誤差造成的橫向飛邊。

鐓頭工藝數值模擬

數值模擬技術已經成為鍛造工藝設計的有力輔助工具，通過模擬可以觀察到材料填充模具情況和金屬流線、應力應變場、溫度場以及成形所需的力能，通過數值模擬可以驗證和優化工藝、模具參數。

為了使模擬結果能夠真實反映實際的變形情況，將熱模擬試驗測得高溫流動應力-應變本構關系導入鍛造模擬軟件Qform8中，采用雙曲正弦形式的Arrhenius形式，材料的本構關系可以寫成：

模擬參數設置如下：模具材料為5CrNiMo，預熱溫度200℃，材料溫度設置為1130℃，坯料運送到設備的時間為90秒，設備公稱壓力設置為3000t，采用石墨乳劑做潤滑劑。

分別對閉式，開式和半開式鐓頭進行了模擬，三種鐓頭工藝預測的鐓頭力和能量模擬結果如表1所示：

表1 三種鐓頭工藝預測的鐓頭力和能量

從表中可以看出，三種鐓頭工藝所需的能量很接近，特別是閉式和半開式鐓頭，開式鐓頭由于葉根壓縮變形量比其余兩種鐓頭工藝都要大，所需要的能量要高。而閉式和半開式鐓頭時葉根的變形程度基本相同，所需的能量也基本相同。三種鐓頭工藝成形情況、模擬情況如圖4所示。圖中藍點表示模具與坯料的接觸狀態。從圖4a中可以看到，閉式鐓頭坯料與模具完全接觸，下料尺寸也很準確，沒有多余金屬在上下模間形成飛邊。因為坯料和模具垂直壁接觸，所以所需的鍛造力是三種工藝中最大的，達到了液壓機的公稱壓力。從圖4a中可以看到，離模具打靠還差1.7mm，可以確定所需最終鐓鍛力大于3000t。如果坯料稍大，會出現飛邊，則鍛造力遠超過3000t。圖4b是開式鐓頭的模擬情況，葉根呈鼓形并且不和模具接觸，因此所需要的鍛造力最小，但壓下量卻是最大的，所需的能量也最大。

圖4 三種鐓頭工藝成形情況模擬

圖4c為半開式鐓頭的模擬情況，因上下模間留有60mm的間隙，可以有效的減小鐓頭所需的成形力，成形力需要2635t，比閉式鐓頭要小很多，3000t液壓機完全可以滿足鐓頭的噸位要求。

圖5 鐓頭工藝力能與位移的關系

圖5為鐓頭過程中，鐓頭力與變形能和位移的關系，從圖5a可以看出，整個閉式鐓頭過程中能量基本呈線性關系持續增加，但鐓頭力在位移達到370mm以前，鐓頭力增加的很緩慢。在375mm到結束這段時間，鐓頭力從1500t急劇增加到3000t，這是因為在375mm時，坯料已經開始和上模的垂直壁接觸，限制了坯料的流動，造成鐓鍛力的垂直上升。

圖5b是半開式鐓頭的位移與力能的關系，可以看到，能量變化的曲線和閉式鐓頭一樣，基本是呈線性增加的。鐓頭力卻要比閉式鐓頭增加的緩慢。

圖6為半開式鐓頭的溫度場，降溫最快的部位位于鍛件兩端，特別是葉冠處，溫度已降到600℃左右。不過由于坯料體積大，通過熱傳導，芯部的熱量會把外表的溫度升上去，而且后續工序也不會對葉冠處進行變形，影響也不會太大。

圖6 半開式鐓頭溫度分布

圖7為半開式鐓頭的應力和應變場。從圖7a中可以看出，整個坯料在鐓頭過程中，一直是處于壓應力狀態，最大應力位于上下模間隙處，由于此處為自由狀態，沒有模具的限制，這也是所需成形力比閉式鐓頭小的原因。圖7b是應變分布狀態，越靠近分模面處，應變越大，因為坯料的聚料在此處發生。

圖7 半開式鐓頭應力和應變場

從模擬的結果來看，采用半開式鐓頭工藝，葉根處坯料尺寸精度和閉式鐓頭相當，但可以有效的減小鐓頭所需的鍛造力，而且對坯料下料尺寸要求也不用太精確，具有一定的容錯性，現有的3000t液壓機可以滿足鐓頭工藝的要求。

鐓頭工藝試驗

鐓頭試驗用材料為：1Cr12Ni3Mo2VN；下料尺寸為：φ240mmx1170mm；數量為2件。采用燃氣爐加熱，加熱溫度為1130±20℃，保溫2小時，模具溫度預熱到200℃，模具用石墨乳潤滑；本次試驗鐓了兩根坯料。

圖8是實際的鐓頭模具，鐓頭試驗采用的是閉式鐓頭的工藝，液壓機最大壓力設置為2600t，以保護壓力機。鐓頭后的坯料如圖9所示，鐓到圖9a所示的形狀，液壓機噸位顯示此時的噸位達到設置的最大值2600t，上下模具沒有打靠，并開始形成橫向的飛邊，若壓力機沒有設置上限值，成形力還將增加。這與模擬的閉式鐓頭壓力大于3000t的壓力很吻合。坯料形成飛邊的原因是由于坯料的尺寸要比計算尺寸大1mm，造成坯料多了，在上下模結合處形成飛邊。

圖9b是第二根坯料鐓頭的實物圖片，該坯料是在坯料即將鐓出飛邊時停止了加壓，在整個鐓鍛過程中，液壓機顯示的噸位為1680t～2600t，在1680t時還沒有與上模壁接觸，這與半開式鐓頭的模擬數據1500t（圖5）符合得也很好。隨著繼續加壓繼續上升，坯料與上模壁接觸，噸位顯示也在增加，直到人為停止，最大噸位顯示為2500t。

從圖中還可以看出，坯料底部溫度降的比較快，與模擬的溫度場分布也吻合得很好。

圖8 鐓頭試驗模具

圖9 鐓頭試驗坯料

結論

根據鐓頭工藝數值模擬分析結果，采用半開式鐓頭工藝方案，通過鐓頭工藝試驗，發現3000t油壓機設備能滿足鐓頭工藝要求。同時實現大直徑、大鐓粗比坯料的鐓頭，并且可以降低下料尺寸精度、加熱溫度變化等對鐓頭質量的影響。