汽轮机用法兰镦锻成形与模具设计

0 引 言

汽轮机是蒸汽热能转变为机械能的原动机，其结构包含各种类型的中小法兰，数量多且质量要求高。由于其在高温、高压条件下工作，法兰零件要求采用锻件，法兰的传统成形工艺一般采用自由锻，利用简易工装（如漏盘）人工锻造成形，锻造效率低、尺寸精度且成形质量难以保证。按当前产能需求，传统制造方式对生产周期影响较大，为此对其进行一模多件镦锻成形研究，以确保法兰高效、高质量生产。

1 镦锻成形原理

为验证一模多件镦锻成形及模具设计的可行性，采用镦锻技术制造法兰毛坯，工作原理如图1所示。利用模具将坯料中间杆部固定，然后在坯料两端施加一定作用力，两端部棒料在挤压力作用下充满型腔，一次成形2个法兰毛坯，法兰毛坯余量单面预留3 mm，棒料采用中频感应加热，加热时间短（1～2 min），氧化皮少，表面质量良好且生产效率高，材料性能易保证。

2 法兰毛坯设计

以汽轮机用典型法兰为例，在零件图上单面预留3 mm余量，如图2所示，同时考虑法兰镦锻时两端棒料高径比≤3，加大法兰底径处余量并进行圆整处理。

3 镦锻工艺设计

在整个镦锻过程中只有左、右两端金属参与塑性变形，中间杆部不发生变形，镦锻工艺设计时需根据两端变形部分（包括过渡圆角部分）坯料质量，按成形体积不变原则核算相应变形部分棒料长度，然后加上无需变形的棒料长度即为毛坯镦锻棒料总长度。图3所示为典型法兰毛坯镦锻工艺尺寸，根据毛坯预放热收缩量，采用1模2件对称布置，中间预留20 mm锯缝，以便于成形后从中间锯开。

4 镦锻模设计

模具结构采用水平分模方式，沿镦锻坯料最大轮廓分模，分型面上不设置飞边槽，模具也不设置脱模斜度。推料杆中心与镦锻压力机中心重合，接近坯料几何中心，上、下模之间采用定位销定位，模具型腔尺寸与坯料尺寸一致。

（2）试制结果及分析。根据上述参数进行法兰镦锻试制，镦锻法兰实物如图8所示，毛坯轴颈

部位光滑无折叠，但两端面存在明显倾斜，端面厚度不足，主要由于所选棒料规格相对偏小，毛坯两端受力镦挤时变形部分棒料高径比较大，棒料轴向变弯所致。

（1）工艺优化。为改善第一次试制产生的端面倾斜缺陷，对模具杆部直径进行优化，加大棒料杆部直径至

90 mm，缩短变形部分棒料长度，减小高径比到2.5以下，避免镦锻过程中棒料弯曲变形，改善成形端面倾斜的缺陷。

（3）交流输入，有备电：采取UPS+蓄电池的供电方式。这种方式能为信号源提供高质量的交流电，并在市电停电时保证信号源的工作，适合对网络质量要求比较高，同时信号源为交流输入的场景。

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5 法兰镦锻试生产

5.1 首次试制

（1）参数设定。根据实际经验及现场圆钢余料，选择棒料规格

80 mm×575 mm进行试制，材料为0Cr17Ni12Mo2，始锻温度为1 150℃，终锻温度为850℃，镦锻机参数设置如表1所示，根据工艺设置左、右冲头及上模的起始位置及最终位置。

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5.2 优化试验

从模块化及制造成本考虑，采用分体式模具方案，即设计1套通用的模座（见图4）用于与设备紧固、定位，不同规格的法兰模具（见图5）嵌入到模座中（见图6），减小模具模块尺寸（整体模块截面尺寸600 mm×210 mm，分体模具模块截面尺寸：330 mm×170 mm），缩短了模具模块制造时间，降低了制造成本，且可实现法兰模具快速安装与拆卸，同时模座上端面低于上、下模分型面，避免模具合模时产生干涉，装配结构如图7所示。

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（2）优化试验结果及分析。镦锻参数设置与第一次试制一致，针对左、右冲头及上模的起始位置按工艺参数进行设置即可。优化试验镦锻法兰及分割后实物如图9所示，成形尺寸满足技术要求，表面质量良好，且法兰两端面无倾斜，法兰盘与中间杆部同轴度较好。

6 经济性分析

虽然镦锻模设计复杂、制造周期长，但法兰需求量大，批量化生产单件分摊成本较低，以典型法兰为例，采用自由锻与镦锻制造的数据对比如表2所示。从表2可以看出，采用镦锻工艺，该法兰每件可节约原材料14.9-25.6/2=2.1 kg，按目前生产量，每年可节约（原材料单价按30元/kg计算）56.7万元左右，此外，锻造时间及淬火次数都将减少，可缩短法兰制造时间及降低相应的能源费用。

7 结束语

通过对法兰一模多件镦锻成形研究，验证了法兰镦锻成形的可行性，并实现了批量化生产。通过实际生产试制，镦锻法兰零件满足工艺要求，表面质量光滑且无缺陷，节约了原材料及生产时间，提高了法兰制造效率。分体式的镦锻模结构可通用于汽轮机其他法兰、叶片结构的镦锻制坯，模块化结构通用性强，降低模具制造成本的同时可实现模具快速安装与拆卸。

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