大型转子锻件局部表面缺陷修复的数值模拟

■天津重型装备工程研究有限公司　季雪，曹志远，郑会赛，时立佳

大型转子锻件局部表面缺陷修复的数值模拟

■天津重型装备工程研究有限公司季雪，曹志远，郑会赛，时立佳

发电设备向着大容量方向发展，机组不断大型化，使转子锻件尺寸、重量随之增加，对材料力学性能要求也越来越高。钢锭越大，偏析越严重，内部缺陷越多，对锻造要求也越高。为达到压实目的，达到相应锻造比，压下量增大，砧子搭接部位难免留下折伤；锻件重量增加，锻造难度加大，多次返炉、换附具，吊钳难免在轴身留下抓痕。而近年锻造倡导近净成形，随着节能降耗的推进，锻造余量也越来越少，因此大型转子锻件有可能由于局部的折伤、抓痕等缺陷而达不到交货要求，面临报废。

由于转子锻件交货前大都需要开槽，开槽前如果将有多料部位的余量通过某种附具某种方法流动到缺料部位，即可达到消除表面缺陷的目的。为此，进行了大量的数值模拟，以解决大型转子锻件件大而局部缺陷很小的问题。

1. 局部存在尺寸缺陷转子

现有存在表面缺陷的大型转子锻件，其现状为锻后粗加工阶段，如图1a所示。在轴身部位存在轴向长度约40mm、径向尺寸较交货目标直径（φ1900mm）单面约6mm的不规则缺陷。其交货图见图1b，最大截面直径为φ1900mm，总长度为8000mm，轴身长4500mm，轴身有凹槽。缺陷位置对应交货图中220mm凸台处，凸台两侧各有轴向长度为250mm和140mm的凹槽，槽深均为585mm。

2. 评价标准

如上述缺陷可通过模具挤压，将多料部位金属流向缺料部位，使工件最终尺寸满足交货要求，实际生产前需进行数值模拟，寻求合理模具及方式进行修复。

由于缺陷部位相对整个轴身尺寸极小，如果建模时预置缺陷，即使将局部网格细化，变形过程也极易产生网格畸变，不断重分网格，以致缺陷部位被网格覆盖，导致模拟失真。如图2所示，假设实际工件为图2a粗线轮廓，Ⅰ框内为缺陷缺料部位，可建模为图2b粗线轮廓（即无缺陷表面），只要使对应缺陷Ⅱ部凸起部位的高度、宽度均大于Ⅰ部凹陷部位，即视为达到修复要求。

3. 数值模拟计算

图1　转子锻件

图2　缺陷形状示意

（1）建立三维实体模型坯料模型设置长度为4500mm，直径φ1900mm（转子轴身尺寸），在轴身部位开槽（对应交货要求为凹槽部位），坯料、模具及模型具体尺寸如图3所示，假设缺陷部位位于300mm的凸台部位（此凸台定义为A部）。

（2）网格及划分由于变形量较大，网格选择适应边界能力

强的四面体单元。一般来讲，网格数目越多则结果越趋近于理论值。选择的网格数目既要保证计算结果的收敛，又不能过多。经过摸索，现将网格设置为20万个。

（3）边界条件边界条件包括力边界条件、位移边界条件。转子的凹槽部位及轴身分别与上下模作接触处理。将下模底部节点位移均设为零。锤头的位移通过设置其步数和步长给定。

（4）温度场设置模具和室温均设为20℃，且室温恒定不变。工件温度设置如图4所示，A部设置温度为950℃，其余部位设置为650℃。根据实际修复过程，计算分两个阶段进行。第一阶段为工件在室温中散热，该阶段为自由散热过程，设定散热时间为30min。第二阶段为工件与上下模接触，上模压下的塑性变形的过程。工件外表面均设置为热交换面。

4. 模拟结果

第一阶段温降30min后温度场结果如图5所示，A部温度由950℃降至650～800℃。

当锤头下压300mm时，温度场及尺寸测量结果如图5、图6所示。A部轴向尺寸减小，径向尺寸加大。为评价模拟结果，定义X、Y1、Y2三个尺寸，具体含义及压前压后尺寸对比如附表所示，同时结合图6。结果表明A部轴向尺寸大于交货图样要求的220mm，径向返料约6.32379～18.0833mm，完全满足轴向长度约40mm、径向尺寸约6mm的缺陷修复要求。

图3　模拟模型

图4　采用温度场计算2#缺陷修复方案1后处理

图5　采用温度场计算2#缺陷修复方案1前处理

图6　锤头下压300mm效果

模拟前后尺寸对比　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（mm）

5. 结语

通过对大型转子表面缺陷的数值模拟发现，局部加热后，可以通过特殊附具进行局部挤压等方式，使坯料由多料部位流动到缺料部位，达到局部修复的目的。此法可有效解决大型锻件由于局部表面小缺陷而面临报废的问题。

20150706