透平压缩机叶片精锻

关键词 风口前帽 金属塑性加工 有限元分析 模具设计
Process anal ysis and die design for manuf acturing front cap of tuyere
Sha ndong U niv e rsity of T echnolog y Wang Guangchun Zhao Guoqun Yang Yan
瑞士苏尔寿公司引进 ,其系列化、标准化程度很高。以 动叶为例 , 11种动叶弦长按优先数 1. 25这一几何系 列确定 ,其中我公司产品常用 40k、 50k、 63k、 80k及 100k这 5种弦长 ,相同弦长的叶片各截面型线完全 相同。 如所有 63k的 A -A、B -B、 C-C… 等截面型线相 同 ,只是其截面距 ,与叶根相对位置不同 ,但也已系列 化 ,如图 1,其截面距 C一般是 18mm、 22mm、 28mm、 35mm 4种规格。每种弦长的叶片 ,其标准长菱形叶根 的几何尺寸是一定的 ,即 H、 L、 d 是一定的 ,其安装 角一般是标准安装角 65°。 这样标准化、系列化的结 果 ,减小了叶片的规格 ,使模具、检具、样板规格数量 大大减小 ,从而为经济的组织生产创造了条件。
1. 透平压缩机叶片的结构特点 透平压缩机设计制造技术是我公司 70年代末从
* 男 , 37岁 , 高级工程师 收稿日期: 1999-07-26; 修改稿返回日期: 2000-06-23
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图1
2. 叶片生产采用精锻件分析 我公司叶片加工方法沿用瑞士苏尔寿公司加工 方法 , 叶身型线采用仿型切削加工。苏尔寿公司的加 工方法是依据其每年 3～ 5台机组而制定的 , 而我们 1997年生产将近 20台 , 叶片需求量大 , 这就为叶片 精锻提供了客观条件。其次 , 设计人员根据压缩机性 能参数选择叶片型号时 , 可优先选用精锻型号的叶 片 , 这就为增加叶片批量提供了可能。 通过近 3年投料情况统计 , 批量上千片的有 10 种 , 有的年平均在 2000片以上 , 这样只要投资 10套 模具就可对我公司 60% 叶片实行精锻。 每年根据计 划 , 每种规格的叶片投 500～ 1000片不等 , 然后根据
本。工艺过程为: 原材料锯床下料— 车削拔皮— 加热 辊锻 (合理分配金 属 )— 预锻 (切边 )— 辊锻 (基本成 形 )— 精锻整形 (清理毛刺 )— 热处理— 型线抛磨。
对 于 2Cr13 材 料 的 叶 片 初 始 锻 造 温 度 为 1160℃ , 终锻温度为 920℃ , 可不用给炉中通保护气 氛 , 有条件的可在终锻前给预制坯涂覆玻璃层 , 可使 叶片表面质量得到改善 , 提高模具的寿命。精整成形 后的叶片飞边毛刺 , 最好用打磨清除。
产品成套对叶根加工 , 叶身定长。不够批量或超出精 锻叶片长度范围的可采用现在的机加工模式。这样我 公司只需购置 1～ 2台叶根铣 , 不需增加大型仿形铣 设备 , 就可大大提高叶片的加工能力 , 利用现有的叶 片加工设备 , 满足年 20台透平叶片加工能力。
二、 工艺试验
叶片的零件图是在机组装配状态下绘制的 ,如图 1, 叶片零件图上表明的只是投影尺寸 , 叶身各截面 轮廓用坐标列出。要进行叶片精锻 , 首先要选定工艺 方案 , 我们采用辊锻机成形 , 螺旋压力机精整的工艺 方案。我们选择弦长 63k动叶片为试验件 , 首先设计 叶片的精锻件图 , 然后设计模具 , 最后给出精锻叶片 的工艺过程及质量控制手段。
采用精锻工艺制造的叶片有 3大主要优点: ( 1) 显著地节省金属原材料 ,精锻件的材料利用率由自由 锻 10% 左右提高到 50% 以上。 ( 2) 提高生产效率 , 由 于精锻叶片单边余量一般不超过 1m m, 型线不需仿 形加工而直接抛磨 ,减少了主要消耗工时的仿形机械 加工工序 , 大量节省机加工工时。 ( 3) 透平压缩机叶 片采用精锻件 , 由于热处理时叶片余量很小 , 加之不 需切削加工 , 基本上保持了完整的锻造流线 , 从而使 叶片的屈服强度提高 10% 以上 , 其疲劳强度、冲击韧 及抗腐蚀能力得以大大提高。
二、 工艺分析
风口前帽产品的零件图如图 1所示 , 材料为紫 铜。该产品的锻造毛坯适合于整体成形 , 但由于其平
(车削拔皮 )
化学分析 显微境 超声波探伤仪
抽样 抽样 100%
模锻检验: — 样品检验 — 各道工序加工 后组织检查 — 炉温及均匀性 — 标记
测量仪
显微镜
一个样品
抽样
自控装置及高温计 100% 抽样
打钢印
100%
热处理检验: — 炉温运行方式 — 硬度 — 力学性能
— 铁素体及晶粒度
自动测量 硬度测量仪 强度测量机
面尺寸较大 , 整体成形所需的设备吨位相当高 , 考虑 到生产成本和实际条件的限制 ,对使用性能要求较高 的小端圆顶区域在摩擦压力机上进行局部成形。锻件 图如图 2所示。在制定该锻件图时 , 考虑到应进一步 减小设备的吨位和提高材料的利用率 ,芯部设计成带 连皮的通孔。
为了确定合理的锻造行程、铸造预制坯形状和尺 寸以及合理的局部成形模具结构 ,以保证锻件在圆顶 区域获得最大变形量的同时 ,使得小端芯部端口处和 大端端口处同时达到锻件图的尺寸要求 ,本文使用大 型体积成形模拟分析软件 D EFO RMTM系统对不同形
Abstract In o rder to im pr ov e mechanical pro pe rties of a f ro nt cap of the tuyer e, a me ta l plastic wo r king pr ocess
fo r ma nufacturing a ca sting pr efor m w as pro po sed. T he r easo nable shape and dimensions of the prefo rm and the die str uctur e we re determined thr ough a na ly zing and simulating by the F EM me tho d. A set of die fo r manufacturing the fr ont cap o f the tuye re w as desig ned accor ding to the actua l w o rking co nditio ns.
Keywords Fro nt cap o f tuye re M etal plastic wo rking FEM Die design
一、 引言
紫铜风口前帽产品在冶炼企业中需求量较大 ,由 于其尺寸较大和冶炼企业在铸造方面的优势 , 该产品 的毛坯一直采用铸造方法来生产。 随着市场竞争的日 益加剧 ,用户对产品的性能提出了更高要求 ,传统的铸 造生产方法受到了挑战。 金属塑性加工方法较之铸造 方法的优越性便是能够在成形的同时 ,极大地改善产 品的力学性能。由于风口前帽锻件尺寸较大 ,整体成形 所需设备吨位较高 ,因此 ,根据实际条件限制 , 本文提 出对风口前帽产品使用性能要求较高的区域进行局部 热成形 ,提高产品力学性能以满足用户的要求。
显微镜
100%
100% 两套试样 (最高最低硬度 ) 上述样品
抛磨后检验: — 尺寸检查 — 表面缺陷 — 检验标记
检具、样板 磁粉探伤
100% 100% 100%
四、 精锻叶片经济效益分析
根据上述分析 , 采用辊锻机成形 , 螺旋压力机精 整工艺制造透平压缩机叶片。由于螺旋压力机可采用 镶块模具 , 模座为通用件 , 锻造不同规格的叶片只需 更换镶块模 , 从而简化了模具的调试及降低了制造 费。如果按精锻工艺方法制造叶片 , 投资 10套模具 , 按每套 5万元计算 , 只需投资 50万元。 每套模具平 均寿命 2000片。 采用精锻件叶片 , 原材料消耗可节 省 60% , 如果每年生产 10台机组 , 原每台叶片平均 消耗需 6t 原材料 , 即可节省材料 6t × 10× 60% =
一、 透平压缩机叶片采用 精锻件的可能性
透平压缩机叶片材质为 2Cr13电渣不锈钢 ,其制 造成本占整个主机的 30% ～ 40% , 这足以说明合理 地选择叶片的加工方法对降低整个机组制造成本的 重要性。要采用精锻件叶片 , 牵扯模具及辅助工装投 入 ,所以叶片必须够批量 ,才能产生较好的经济效益。 透平压缩机叶片不像汽轮机叶片那样数量多 ,规格集 中 , 但我公司透平压缩机叶片有它自己的特点 , 下面 我们谈谈它的特点。
关键词 透平压缩机叶片 结构特点 精锻工艺
叶片精锻是一种效益非常高的叶片加工方法。它 是当代工业中逐步发展起来的一项重要技术 ,特别是 在飞机发动机 ,汽轮机及透平压缩机等现代化的动力 装置的制造时 , 由于其主要零件— 叶片品种多、 数量 大、 材料昂贵、 质量要求严格 , 而且机械加工难度大 , 因此世界各发达的工业国家均普遍采用精锻工艺方 法制造叶片。
三、 叶片精锻件质量控制
质量保证在加工高精度锻件时十分重要。为了保 证叶片精锻件的质量 ,必须对叶片生产的整个过程进 行严格控制 , 对各道工序进行必要的检验。表 1为质 量保证控制内容。表 1 叶 片道工序的检验内容检验项目
检验方法与工具
检验数量
材料的到货检查: — 化学成分 — 金相组织 — 内在质量
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锻压技术 2000年 第 5期
紫铜风口前帽锻件成形工艺分析及模具设计
山东 工业大学模具工程技术研究中心 ( 250061) 王广春* 赵国群 杨 艳
摘要 为提高紫铜风口前帽产品的力学性能 , 提出采用塑性加工方法对其铸造预制坯进行局部 成形 , 通过有限元分析和模拟 , 给出了合理的预制坯形状尺寸和模具结构 , 并根据生产实际 , 设计 了风口前帽锻件局部成形模具 , 经生产实际验证 , 取得良好效果。
1. 锻件图设计 首先给叶身加放余量 ,根据零件图的叶身型面按 坐标点分别绘制各个型面的放大图 ( 10: 1) ,以抛光量 为半径作出一系列的圆 , 再作各圆的共切线 , 从而得 到锻件型线图。其次给叶根加放余量 ,由于 A-A截面 与叶根的位置关系只有两种即 12′和 5°, 角度相差不 到 5°, 为减少叶片规格 , 采用 A-A截面为基准 , 通过 叶根余量来消除 5°的偏差。第三确定分模面 , 叶片各 型面都有一定的扭转角度 , 如果分模面选择不当 , 造 成水平错移力会对锻件精度、模具寿命和锻压设备造 成不良影响。由于透平叶片不像汽轮机叶片扭曲那么 大 , 其平衡角可简单按 θ= (α尖 + α根 ) /2确定。最后选 定叶长 , 叶长一般是弦长的 3倍 , 与统计结果接近 , 我们选取 l= 160mm。 叶尖带有工艺凸台 , 以便后续 加工顶尖孔用。 2. 模具设计及成形工艺 以分模面为基准 , 将原坐标变换到该基准上。借 助计算机精确计算各截面金属分配 ,通过辊锻工艺合 理的分配金属 , 然后螺旋压力机精锻成形。在模具设 计除考虑平衡角外 , 还需考虑分模面、 圆角半径、 拔 模斜度、 计算型槽的压力中心等。经过计算平衡角与 叶根长菱形长对角线法线角度相差不大 ,所以选择长 菱形角及进出汽边轮廓为分模线。对于精锻型槽 , 由 于叶片很薄 , 叶身变形抗力很大 , 而叶身型面复杂 , 不能以几何中心来确定压力中心 ,而应以叶身变形力 的非均匀性为前提的计算方法确定型槽中心。由于采 用螺旋压力机精锻 , 可采用镶块模结构 , 模座为通用 件。这种结构不仅简化模具制造过程 ,缩短生产周期 , 使调试模具时换模装夹方便 , 而且大大降低模具成