燃机动叶片模锻工艺研究

李　波　龙正建　刘明松　何应强　蒋峥嵘

(东方汽轮机有限公司，四川618000)



燃机动叶片模锻工艺研究

李波龙正建刘明松何应强蒋峥嵘

(东方汽轮机有限公司，四川618000)

摘要：对燃机动叶片的结构特点、锻模设计、模锻工艺进行了分析设计，并利用Deform-3D数值模拟软件对模锻工艺参数进行优化分析，制定了合理的模锻工艺。

关键词：燃气轮机；叶片；模具设计；模锻工艺

燃气轮机为高效率、大出力型机组，燃机叶片是燃气轮机的核心部件。为加快燃气轮机国产化，降低生产成本，形成批量制造能力，加快生产进度，缩短生产周期，增强自主制造能力，需对动叶片进行模锻工艺研究。本文主要对燃机动叶片模锻工艺研究进行阐述。

1叶片结构特点

燃气轮机动叶片一般采用05Cr17Ni4Cu4Nb和1Cr12Mo等耐热不锈钢材料。图1为常规燃机动叶片冷锻件三维图，其叶片结构有如下几个特点：

图1　燃机动叶片冷锻件三维图

(1)叶片为“倒T型”斜叶根大扭度型线弯扭叶片。由于其形状复杂，锻造时产生不等的错移力，模具设计需考虑错移力的平衡。

(2)材料塑性较差，变形抗力较大。由于叶片材料为耐热不锈钢，材料塑性较差，变形抗力较大，金属流动性差，不易成形。

(3)叶片型线气流方向弦长较宽，厚度尺寸较薄。这种薄而宽的结构易引起锻造时坯料流动阻力大，坯料与模膛之间热传递较快，坯料温度下降快，金属在模膛中充型难度加大。

(4)自由锻开坯质量不易控制。其形状较复杂，开坯时各部位的金属不易分配均匀。

(5)材料利用率不易达到最优化。传统工艺方法锻造，在材料的利用率上不易达到最优，往往需浪费材料来满足局部充满，很难控制与分析。

(6)叶根与叶身以斜截面连接，如何准确保证叶片进、出汽边开档尺寸，成为叶片毛坯设计及模具设计一大难点，同时在锻造方向上形成高低两个尖点，高低两点均为叶片锻造时的充型难点，尤其是高尖点与叶身斜截面交汇处为充型盲区。

2锻模设计

2.1叶片余量

为满足后续机加工要求及消除锻造过程中产生的氧化皮、脱碳、渗碳、折叠、表面裂纹等缺陷，模具设计前需考虑毛坯余量。以模锻叶片复杂程度、设备精度及模锻工艺方法为依据，模锻叶片汽道部分单边余量为3 mm，叶根及工艺头部分单边余量为5 mm。

2.2型线调整

为平衡锻模型腔受力均匀以减少模锻时产生的错移力，将对模锻叶片各截面型线进行平衡处理，受力分析图如图2，将叶片在模膛中的位置旋转一个θ角。θ值确定主要有三角相加法、矢量作图法、变形量求解法和作图法等4种常用方法。本文以三角相加法为例计算旋转角，分别作进出汽边圆角部分圆心连线，与X轴相交，求得与X轴的夹角α1、α2…、αn，然后相加取平均值。θ=α1+α2+…αn/n(n为截面数)≈44°。综合考虑叶根及工艺头的受力情况，选定θ为44°。

图2　受力分析图

2.3分模面选择

为保证锻件容易脱模，易于检查上下模膛的相对错移，分模面应在锻造方向的最大投影面上，同时考虑模具加工难度，在保证成形可行性的前提下应对分模线进行调直处理。对型线截面AA-AY过进出汽侧的圆心作水平长度为L(一般为5 mm～8 mm)的直线，获取调直前初定的P1、P2点。结合空间理论和几何思维，要完成调直处理须将每个截面型线对应P1、P2坐标中X1、Y1与X2、Y2值分别调为一条空间直线即可。

2.4冷热锻件设计

冷热锻件设计在保证余量的前提下，应考虑锻件充型难易程度的合理性及后续检测的可行性，尤其考虑型线与叶根过渡部分、型线与工艺头过渡部分成形，设计时在过渡部分采用圆弧R30 mm过渡，为便于锻件检测设计了Z向定位线。由于采用热模锻成形，因此热锻件需要考虑加放热收缩量，综合其材料特性加放热收缩量为1.2%。

2.5模块设计

按其叶片批量化大小及产品尺寸大小等要求，模具可设计为整体单型腔模、整体多型腔模、镶块锻模三种形式。综合三种锻模设计优点和成形特点，考虑到整体单型腔模有设计简单、模块尺寸小、制造成本低、操作简单等优点，结合该叶片产品的成形特点，选用整体单型腔开式锻模。根据叶片外形尺寸及设备参数选用了350 mm×650 mm×720 mm的模块，如图3所示。

图3　燃机动叶片锻模模块图

2.6飞边槽设计

开式模锻的终锻型腔周围均有飞边槽，对锻件体积及质量有调节、补偿作用，可使金属在充型中具有足够大阻力，保证模锻成形的稳定性。飞边槽的形状、尺寸与锻件形状、尺寸有关，也和终锻前毛坯体积及形状有关。考虑桥部和仓部都设在上模上的飞边槽上，上模受热时间短，温度较低，不易产生过热和磨损等优点，选用此类飞边槽。飞边槽设计尺寸如图4所示。

图4　飞边槽设计尺寸

2.7模膛设计

为使坯料在模膛受均匀打击力，解决打击偏心问题，从左右两边投影面积基本对称原则出发，将叶片型线中心与模具燕尾中心作一定偏移，并将叶片朝叶根工艺头方向作一定位移，保证坯料在模膛里受力平衡。燃气轮机动叶片外形尺寸修长，其型线、叶根工艺头及叶顶工艺头之间存在过渡，需提高模具制造精度和表面粗糙度。燃气轮机动叶片锻模采用整体模结构(图5)。

图5　燃机动叶片锻模图

3荒坯设计

荒坯设计是模锻叶片能否成型的关键。整个叶片毛坯相对比较扁平均匀分布，按照金属塑性成形体积不变原则，将各个截面进行体积计算后进行预制坯尺寸设计，同时便于荒坯料在模膛中定位，预制坯叶根部分进行拍扁处理，即为扁平“T”型坯料，有利于坯料在模膛里定位，如图6所示。

4模拟分析及试验验证

利用数值模拟分析软件检验坯料及在模具中充填情况，以便优化开坯尺寸，从而减少试锻次数，节约原材料及锻造费用。成形分析情况如图7所示。将预期设计的坯料形状进行模拟分析：(1)可以预判叶片开坯各部位金属分配是否合理；(2)飞边分配情况，通过尺寸调整可以最大限度地提高材料的利用率；(3)各部位是否有折叠、裂纹产生，为开坯工艺优化提供依据；(4)判定坯料摆放到模具型腔是否为最佳位置。从分析情况来看整体成型效果良好，只是叶冠与叶身过渡部分飞边较少，适当调整尺寸即可。成型效果良好，飞边均匀，坯料形状模拟结果能够满足模锻工艺要求。

通过对模拟分析优化调整后的模锻工艺进行验证试验，模锻后对叶片毛坯切边后目视检查，毛坯充型饱满，飞边均匀。说明模具设计合理、荒坯设计合理，满足了模锻工艺要求。

图6　模锻荒坯形状图

图7　成形模拟充填效果

5锻件检查

模锻叶片热处理后，力学性能、金相组织和晶粒度等检验满足相关标准要求。为验证模锻动叶片尺寸的准确性，对其进行了三坐标检测，检测结果验证其毛坯余量均匀合格。只有个别叶片出现余量偏向内弧侧，主要原因为打中心孔时以叶片毛坯背弧为基准，毛坯锻造欠压量偏向叶片内弧侧导致，控制打中心孔即可避免。

6结论

通过对燃机动叶片模锻工艺的研究，掌握了该模锻叶片成型的控制要点及难点，并重点研究了该叶片的结构特点、模具设计、荒坯设计及充填模拟分析，为优化模锻动叶片工艺和模具设计提供了科学依据。同时，还通过生产试验对该研究结果进行了验证，其试验结果证明了研究结论的正确性，该模锻动叶片工艺研究成果已形成技术储备，为汽轮机类似动叶片模锻成形夯实了基础。

参考文献

[1]李尚健.锻造工艺及模具设计. 北京：机械工业出版社.

[2]夏巨谌.中国模具设计大典.江西科学技术出版社.

[3]万嘉礼.机电工程金属材料手册.上海：上海科学技术出版社.

[4]吕炎主编.锻造工艺学. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.

[5]高锦张主编.塑性成形工艺与模具设计.北京：机械工业出版社.

编辑杜青泉

Research on Die Forging Process of Moving Blade for Gas Turbine

Li Bo, Li Zhengjian, Liu Mingsong, He Yingqiang, Jiang Zhengrong

Abstract：The analysis and design of structure characteristic, forging die design and die forging process for gas turbine have been performed. By adopting DEFORM-3D numerical simulation software, the parameters of die forging process has been analyzed and optimized, and the reasonable die forging process has been prepared.

Key words：gas turbine; blade; mold design; die forging process

作者简介：李波(1984—)，男，工程师，主要从事锻压技术研究及技术服务。电话：13548258896，E-mail：libodec@mail.dfstw.com

收稿日期：2015—07—09

中图分类号：TG316.3

文献标志码：B