汽輪機用法蘭鐓鍛成形與模具設計

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摘要：通過對汽輪機用法蘭毛坯鐓鍛成形原理分析，進行鐓鍛模與成形工藝設計及鐓鍛試生產(chǎn)研究，并結(jié)合試驗數(shù)據(jù)及實物優(yōu)化成形工藝，驗證了鐓鍛模成形的可行性，確定了該類法蘭鍛件經(jīng)濟、高效的成形方式，為類似零件制造提供參考。

關(guān)鍵詞：法蘭；鐓鍛成形；模具設計；汽輪機

0引言

汽輪機是蒸汽熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的原動機，其結(jié)構(gòu)包含各種類型的中小法蘭，數(shù)量多且質(zhì)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(tǒng)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(zhì)量難以保證。按當前產(chǎn)能需求，傳統(tǒng)制造方式對生產(chǎn)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(zhì)量生產(chǎn)。

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(shù)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3mm，棒料采用中頻感應加熱，加熱時間短（1~2min），氧化皮少，表面質(zhì)量良好且生產(chǎn)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3mm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(fā)生變形，鐓鍛工藝設計時需根據(jù)兩端變形部分（包括過渡圓角部分）坯料質(zhì)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(jù)毛坯預放熱收縮量，采用1模2件對稱布置，中間預留20mm鋸縫，以便于成形后從中間鋸開。

4鐓鍛模設計

模具結(jié)構(gòu)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。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(guī)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600mm×210mm，分體模具模塊截面尺寸：330mm×170mm），縮短了模具模塊制造時間，降低了制造成本，且可實現(xiàn)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(chǎn)生干涉，裝配結(jié)構(gòu)如圖7所示。

5法蘭鐓鍛試生產(chǎn)

5.1首次試制

（1）參數(shù)設定。根據(jù)實際經(jīng)驗及現(xiàn)場圓鋼余料，選擇棒料規(guī)格φ80mm×575mm進行試制，材料為0Cr17Ni12Mo2，始鍛溫度為1150℃，終鍛溫度為850℃，鐓鍛機參數(shù)設置如表1所示，根據(jù)工藝設置左、右沖頭及上模的起始位置及最終位置。（2）試制結(jié)果及分析。根據(jù)上述參數(shù)進行法蘭鐓鍛試制，鐓鍛法蘭實物如圖8所示，毛坯軸頸R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(guī)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。

5.2優(yōu)化試驗

（1）工藝優(yōu)化。為改善第一次試制產(chǎn)生的端面傾斜缺陷，對模具桿部直徑進行優(yōu)化，加大棒料桿部直徑至φ90mm，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。（2）優(yōu)化試驗結(jié)果及分析。鐓鍛參數(shù)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(shù)進行設置即可。優(yōu)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(shù)要求，表面質(zhì)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(jīng)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(chǎn)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(shù)據(jù)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(jié)約原材料14.9-25.6/2=2.1kg，按目前生產(chǎn)量，每年可節(jié)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(shù)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(jié)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(xiàn)了批量化生產(chǎn)。通過實際生產(chǎn)試制，鐓鍛法蘭零件滿足工藝要求，表面質(zhì)量光滑且無缺陷，節(jié)約了原材料及生產(chǎn)時間，提高了法蘭制造效率。分體式的鐓鍛模結(jié)構(gòu)可通用于汽輪機其他法蘭、葉片結(jié)構(gòu)的鐓鍛制坯，模塊化結(jié)構(gòu)通用性強，降低模具制造成本的同時可實現(xiàn)模具快速安裝與拆卸。

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作者:李波 何芬 謝彬 劉戈 單位:中國東方電氣集團東方汽輪機有限公司