汽輪機用法蘭鐓鍛成形與模具設計

0 引 言

汽輪機是蒸汽熱能轉變為機械能的原動機，其結構包含各種類型的中小法蘭，數量多且質量要求高。由于其在高溫、高壓條件下工作，法蘭零件要求采用鍛件，法蘭的傳統成形工藝一般采用自由鍛，利用簡易工裝（如漏盤）人工鍛造成形，鍛造效率低、尺寸精度且成形質量難以保證。按當前產能需求，傳統制造方式對生產周期影響較大，為此對其進行一模多件鐓鍛成形研究，以確保法蘭高效、高質量生產。

1 鐓鍛成形原理

為驗證一模多件鐓鍛成形及模具設計的可行性，采用鐓鍛技術制造法蘭毛坯，工作原理如圖1所示。利用模具將坯料中間桿部固定，然后在坯料兩端施加一定作用力，兩端部棒料在擠壓力作用下充滿型腔，一次成形2個法蘭毛坯，法蘭毛坯余量單面預留3 mm，棒料采用中頻感應加熱，加熱時間短（1～2 min），氧化皮少，表面質量良好且生產效率高，材料性能易保證。

2 法蘭毛坯設計

以汽輪機用典型法蘭為例，在零件圖上單面預留3 mm余量，如圖2所示，同時考慮法蘭鐓鍛時兩端棒料高徑比≤3，加大法蘭底徑處余量并進行圓整處理。

3 鐓鍛工藝設計

在整個鐓鍛過程中只有左、右兩端金屬參與塑性變形，中間桿部不發生變形，鐓鍛工藝設計時需根據兩端變形部分（包括過渡圓角部分）坯料質量，按成形體積不變原則核算相應變形部分棒料長度，然后加上無需變形的棒料長度即為毛坯鐓鍛棒料總長度。圖3所示為典型法蘭毛坯鐓鍛工藝尺寸，根據毛坯預放熱收縮量，采用1模2件對稱布置，中間預留20 mm鋸縫，以便于成形后從中間鋸開。

4 鐓鍛模設計

模具結構采用水平分模方式，沿鐓鍛坯料最大輪廓分模，分型面上不設置飛邊槽，模具也不設置脫模斜度。推料桿中心與鐓鍛壓力機中心重合，接近坯料幾何中心，上、下模之間采用定位銷定位，模具型腔尺寸與坯料尺寸一致。

（2）試制結果及分析。根據上述參數進行法蘭鐓鍛試制，鐓鍛法蘭實物如圖8所示，毛坯軸頸

部位光滑無折疊，但兩端面存在明顯傾斜，端面厚度不足，主要由于所選棒料規格相對偏小，毛坯兩端受力鐓擠時變形部分棒料高徑比較大，棒料軸向變彎所致。

（1）工藝優化。為改善第一次試制產生的端面傾斜缺陷，對模具桿部直徑進行優化，加大棒料桿部直徑至

90 mm，縮短變形部分棒料長度，減小高徑比到2.5以下，避免鐓鍛過程中棒料彎曲變形，改善成形端面傾斜的缺陷。

（3）交流輸入，有備電：采取UPS+蓄電池的供電方式。這種方式能為信號源提供高質量的交流電，并在市電停電時保證信號源的工作，適合對網絡質量要求比較高，同時信號源為交流輸入的場景。

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5 法蘭鐓鍛試生產

5.1 首次試制

（1）參數設定。根據實際經驗及現場圓鋼余料，選擇棒料規格

80 mm×575 mm進行試制，材料為0Cr17Ni12Mo2，始鍛溫度為1 150℃，終鍛溫度為850℃，鐓鍛機參數設置如表1所示，根據工藝設置左、右沖頭及上模的起始位置及最終位置。

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5.2 優化試驗

從模塊化及制造成本考慮，采用分體式模具方案，即設計1套通用的模座（見圖4）用于與設備緊固、定位，不同規格的法蘭模具（見圖5）嵌入到模座中（見圖6），減小模具模塊尺寸（整體模塊截面尺寸600 mm×210 mm，分體模具模塊截面尺寸：330 mm×170 mm），縮短了模具模塊制造時間，降低了制造成本，且可實現法蘭模具快速安裝與拆卸，同時模座上端面低于上、下模分型面，避免模具合模時產生干涉，裝配結構如圖7所示。

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（2）優化試驗結果及分析。鐓鍛參數設置與第一次試制一致，針對左、右沖頭及上模的起始位置按工藝參數進行設置即可。優化試驗鐓鍛法蘭及分割后實物如圖9所示，成形尺寸滿足技術要求，表面質量良好，且法蘭兩端面無傾斜，法蘭盤與中間桿部同軸度較好。

6 經濟性分析

雖然鐓鍛模設計復雜、制造周期長，但法蘭需求量大，批量化生產單件分攤成本較低，以典型法蘭為例，采用自由鍛與鐓鍛制造的數據對比如表2所示。從表2可以看出，采用鐓鍛工藝，該法蘭每件可節約原材料14.9-25.6/2=2.1 kg，按目前生產量，每年可節約（原材料單價按30元/kg計算）56.7萬元左右，此外，鍛造時間及淬火次數都將減少，可縮短法蘭制造時間及降低相應的能源費用。

7 結束語

通過對法蘭一模多件鐓鍛成形研究，驗證了法蘭鐓鍛成形的可行性，并實現了批量化生產。通過實際生產試制，鐓鍛法蘭零件滿足工藝要求，表面質量光滑且無缺陷，節約了原材料及生產時間，提高了法蘭制造效率。分體式的鐓鍛模結構可通用于汽輪機其他法蘭、葉片結構的鐓鍛制坯，模塊化結構通用性強，降低模具制造成本的同時可實現模具快速安裝與拆卸。

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