宋凌云，何应强，刘明松，蒋峥嵘

（东方电气集团东方汽轮机有限公司，四川 德阳，618000）

1 前言

1 000 MW超超临界汽轮机是近年百万级汽轮机组发展的重要代表项目，对于提升我国百万级机组生产技术及扩大再生产有着极其重要的意义。低压3级动叶片形状复杂，工作条件恶劣，力学性能要求高，锻件成形金属流线要求较好，所以锻造工艺性差，流动规律难以掌握[1]。通过产品结构分析，该动叶模锻件成型相当困难，主要表现在叶片型线薄，锻造过程中坯料温度下降过快，金属在模膛中充型能力困难，成形后期变形抗力大[2]。运用数值模拟分析技术，对锻件成型情况进行前期预测，确定最佳工艺方案，一次试锻合格，减小开坯尺寸，实现降本增效。

2 开坯方案设计

叶片模锻成形过程中，开坯形状尺寸对模具型腔充填、充型完整起着决定性作用，需反复调整才能满足锻件生产。设计开坯形状时，根据体积不变原则，将动叶片分为若干部分，分别折算为等体积的圆柱体或圆台，并通过做截面图的方法进行设计。考虑实际生产中不可能达到理论成形状态，通常需考虑3 mm欠压作为补偿。经计算后各截面图如1所示。其中上图实线为叶片锻件轮廓线，下图实线为各截面折算后的半径变化曲线，双点划线为简化设计后的开坯形状曲线。因叶根、叶冠投影面积大、锻件薄，为便于荒坯在模膛中的充填和定位，开坯方案设计时将叶根、叶冠拍扁进行试验研究，因叶身扭角大，不宜采用整体拍扁方式，具体形状尺寸如图2所示。

图1 开坯设计曲线图

图2 开坯形状尺寸

3 开坯成形模拟分析及优化

3.1 初始开坯成形模拟分析

运用数值模拟分析技术对坯料在模膛成形过程进行模拟分析，并利用结果对锻件成型情况进行前期直观预测，确定最佳工艺方案。根据做截面图方法辅助设计的初始荒坯进行成形数值模拟分析，有限元分析模型如图3所示。在模拟叶片的成形过程中，定义模具为刚性体，材料为AISIH-13，预热温度300℃。定义坯料为塑性体，材料0Cr17Ni4Cu4Nb（SUS-630），始锻温度1 180℃。环境温度20℃，界面摩擦系数0.5（普通机油）；成形设备为5吨模锻锤。初始开坯在欠压3 mm时的整体成形结果如图4所示，各截面充型情况如图5所示。

图3 有限元分析模型

图4 初始开坯成形分析结果

图5 充型情况

从初始开坯成形分析模拟结果看，叶根、叶冠分料偏少，但基本充型；叶根工艺头型腔还未充型，欠缺坯料还多；叶身充型基本完整，但产生的飞边偏少。从以上成形分析情况得知，初始开坯方案设计还不合理，需要对开坯形状尺寸进行调整，以满足模具型腔整体充型完整，产生飞边较均匀。

3.2 优化开坯设计及成形模拟分析

针对初始开坯设计形状尺寸不合理的地方进行重新计算和设计，经优化后的开坯形状尺寸如图6所示。

图6 优化开坯形状尺寸

对优化后的开坯形状进行数值模拟分析，整体成形结果如图7所示，各截面充型情况如图8所示，成形应力和温度分布如图9所示。

图7 优化开坯成形分析结果

图8 优化后截

图9 成形温度和等效应力分布

从整体成形分析结果看，优化后的开坯方案比较合理，整个叶片锻模型腔充型完整，且产生的飞边也很均匀，适合进行生产试验。从成形结果还可看出叶根、叶冠工艺头飞边部位有金属折叠趋势的产生（如图示部位），对整个坯料成形过程分析得知，这是由于自由锻开坯叶根、叶冠截面远比工艺头截面尺寸大，没有进行工艺头坯料的局部分料结果，但从模拟结果看，该折叠金属基本转移到飞边上去了，除叶冠工艺头边缘可能还存在折叠，通常切边后折叠金属基本不存在，也不影响后续产品加工质量。

从图9（a）可以看出，坯料成形过程中与模具接触的区域冷却较快，尤其在叶根、叶冠与叶身过渡圆角和工艺头部位温度最低，这是由于此区域在坯料成形过程中与模具接触时间最长，热传导损失能量最多造成的，然而坯料中部（锻件产品内部）始终处于变形阶段，由于坯料成形过程中吸收能量发生塑性变形，因此其主要变形区域温度反而升高，图中还显示叶片飞边温度也特别高，这是除坯料产生飞边时该部分金属变形量特别大，还有该部位与模具摩擦较多，使温度变高。从图9（b）看出，坯料充填成形后应力主要分布在锻件产品四周飞边处，这主要是因为坯料产生飞边的过程中与模具桥部入口圆角产生摩擦力较大，金属变形较多，从而造成四周应力比较集中。

从以上锻件成形分析结果可以预测，叶片模锻成形过程中，由于坯料与模具有接触传热，摩擦做功产热，以及热功转换等原因，导致模具型腔温度会不断升高[3]。分析得出坯料变形温度降低的外表面区域与对应的模具型腔部位，以及模具型腔桥部入口圆角部分，产生的热交换能量较多，模具温度会升高，同时由于该区域受挤压、摩擦做功等因素的影响，会严重影响模具的强度，长时间工作甚至会发生模具圆角塌陷，这些是与实际生产中模具该处磨损塌陷情况相符的。故要求在模具加工过程中尤其要保证分析所示区域的热处理强度和硬度，避免模具过早磨损塌陷甚至开裂造成报废。在生产操作中还需通过喷涂润滑剂来防止模具因温度上升过高而造成的缺陷。

4 生产试验

4.1 开坯生产试验

根据模拟分析优化后设计出的开坯工艺方案，现对该低压3级正反向模锻叶片各投5件进行生产试验，正反向荒坯生产试验记录和生产实物如图10所示。

图10 正反向叶片荒坯生产试验数据记录及实物图

4.2 叶片模锻试制

根据该低压3级动叶锻件投影面积和产品重量测算，该叶片模锻需选用5吨模锻锤进行模锻生产试验，需加热2火次才能满足模锻产品成形充填要求。叶片模锻毛坯经1火次模锻生产试验后的充型情况如图11（a）所示，经第2火次模锻再生产试验后的充型情况如图11（b）所示。

图11 正向叶片第1、2火试锻充型

从正向叶片第1火次试锻充型结果看，锻模型腔已基本充型完整，叶片锻件四周也产生了飞边，此时由于模锻欠压量还大，预计欠压8～9 mm，产生的飞边较少，尤其叶身出汽侧产生的飞边最少，这是由于叶身出汽侧型线特别薄，成形充填抗力大，坯料充型过程中偏向进汽侧流动，并且锻造过程中该处坯料温度下降快，进一步造成充型抗力变大。从正向叶片第2火次成形充填情况看，叶片锻件充型更加完整，四周除出汽侧外，其余部位产生的飞边基本均匀，比较满足充型设计要求。经生产试验记录，正向叶片坯料第1火次模锻需17～19锤才能基本充型，坯料经第2火次模锻需7～9锤才能达到设计充型完整要求，此时锻件欠压4～5 mm。正反向叶片经模锻试制后产品。通过检查和尺寸测量，模拟分析优化后的开坯方案经一次模锻试制后整体充型饱满，飞边较均匀，产品尺寸与设计尺寸基本一致，说明优化后的坯料符合实际生产。

锻件经后续热处理、切边和打孔后能很好满足产品加工，但在批量生产过程中有少数锻件经切边后出现叶冠工艺头还有金属折叠现象，基本不影响打孔以及后续产品定位、夹持加工。其与锻件成形模拟分析结果基本一致，由此可见数值模拟技术对预测产品成形质量的有效性和准确性。

5 结论

本文对1 000 MW低压3级正反模锻动叶塑性成形进行技术研究，并运用数值模拟分析技术对其成形过程进行了细致分析，形成了以下结论：

（1）开坯方案设计时，通过做截面图的方法辅助设计，有助于提高荒坯形状和尺寸的准确性；

（2）运用数值模拟技术可以直观分析坯料模锻成形情况，以及成形过后锻件温度场、应力场分布和变化，并有效预测了锻件产品缺陷，对有效提高产品成形质量、生产效率有重要的意义；

（3）通过模拟分析对开坯方案进行设计优化，并达到一次试锻即满足锻件产品设计要求，和传统设计方案相比，这样有效减少试锻次数和试锻成本，确保了锻件产品顺利生产；

（4）有限元模拟分析结果与实际模锻试锻生产过程和结果基本一致，从而说明数值模拟技术可以有效指导实际模锻生产，对有效预测产品成形质量和缺陷，提高生产效率具有重要的意义。