叶轮盖盘成形新工艺数值模拟和试验研究

文/范淑琴，赵升吨，韩晓兰，徐凡，张琦·西安交通大学机械工程学院

叶轮盖盘成形新工艺数值模拟和试验研究

文/范淑琴，赵升吨，韩晓兰，徐凡，张琦·西安交通大学机械工程学院

叶轮盖盘是一种较复杂的旋转体构件，是离心风机的主要组成部分，其中心部位有孔且厚度最大，外侧厚度小。其作用是引导和改善气流，同时加强叶片的强度和刚度，它的形状和加工制造质量将直接影响到风机的工作性能。如图1所示为一个典型的叶轮盖盘外形图。

图1 典型的叶轮盖盘外形图

目前叶轮盖盘主要用机械加工的方法来制造，即在坯料的基础上进行切削加工，包括粗加工和精加工两个工序。叶轮盖盘的特点是随着直径的增大，零件的厚度逐渐变薄，外侧的最薄部位仅约5mm，中心部位最厚处达到110mm。因此，随着直径的增大，切削掉的金属材料急剧增加。叶轮盖盘所用的材料为不锈钢FV520B，该材料为专用材料，价格约为4.5万元/t。采用纯机械加工的方法存在材料利用率低（小于10％）、后续机械加工量大、制造成本高和周期长等问题。随着风机产业竞争的日益激烈，如何采用新型制造方法生产出低成本、高质量的叶轮盖盘和轮盘显得尤为重要。

为了减少切削加工量，提高材料利用率，本文欲采用镦粗→冲孔→扩孔→镦粗＋旋锻→压弯的多工步成形方法来获得粗加工的盖盘锻件，然后再进行少量的切削加工，从而得到最终的叶轮盖盘。为了研究该盖盘成形新工艺的可行性，指导实际的工艺改造和设备选型，本文采用DEFORM-3D有限元分析软件对西安陕鼓动力股份有限公司某规格型号的盖盘成形过程进行了塑性成形有限元数值模拟，获得了工件在成形过程中成形力的变化情况，然后进行了叶轮盖盘新工艺试验，验证了盖盘成形新工艺的可行性和优越性，为后续的工艺改进提供了可靠的试验依据。

数值模拟

如图2所示为本文采用镦粗→冲孔→扩孔→镦粗＋旋锻→压弯得到的某规格盖盘粗加工锻件的几何外形尺寸图。

图2 盖盘粗加工锻件的几何外形尺寸

镦粗

由计算可得锻件的体积为80503311.75mm3，根据塑性变形体积不变的原则可知，棒料的尺寸为φ500mm×410mm。

根据坯料和模具的几何尺寸及成形工艺要求，建立了盖盘成形工艺的镦粗成形有限元模型。坯料的材料为FV520B，其应力应变曲线是通过材料热模拟试验得到的；上模和下模的材料直接用DEFORM-3D自带的材料库中的AISI-H-13［1450-1850F（800-1000C）］。摩擦系数为0.3，热传导系数为11。坯料划分网格后的单元数为37144，节点数为8332；上模的单元数为4289，节点数为1168；下模的单元数为4288，节点数为1168。最终得到的有限元模型如图3所示。

图3 镦粗有限元模型

工件第一火镦粗时的始锻温度设为1150℃，镦粗到245mm时第一火镦粗结束。第一火镦粗时镦粗力的变化曲线如图4所示，最大力为929t。

图4 第一火镦粗时镦粗力的变化曲线

在镦粗到245mm时进行第二火镦粗，始锻温度为1135℃，最终镦粗到135mm。第二火镦粗时镦粗力的变化曲线如图5所示，最大力为2297t。

冲孔

在镦粗后的工件上进行冲孔，始锻温度为1135℃，最终得到的工件形状如图6所示。

图5 第二火镦粗时镦粗力的变化曲线

图6 冲孔成形后工件的最终外形尺寸

如图7所示为盖盘冲孔有限元模型。坯料、上模和下模的材料均与前面工艺模拟中的设置相同，摩擦系数为0.3，热传导系数为11。坯料划分网格后的单元数为35221，节点数为8084；上模的单元数为5694，节点数为1395；下模的单元数为5277，节点数为1315；冲头的单元数为7617，节点数为1811。

图7 冲孔有限元模型

冲孔前加热工件到1135℃，冲孔过程中冲头施加力的变化情况如图8所示，最大力约为196t。

图8 冲孔过程中冲头施加力的变化曲线

扩孔

将前面冲孔后的工件进行扩孔，扩孔后工件的外形尺寸如图9所示。

图9 盖盘扩孔后的外形尺寸

镦粗＋旋锻

在扩孔后的工件上进行镦粗和旋锻，所获得的工件形状如图10所示。

图10 盖盘镦粗及旋锻后的外形尺寸

根据坯料和模具的几何尺寸及成形工艺要求，建立了盖盘扩孔工序后的镦粗有限元模型。坯料的材料为FV520B，上模和下模的材料为AISI-H-13［1450-1850F（800-1000C）］。摩擦系数为0.3，热传导系数为11。坯料划分网格后的单元数为36239，节点数为8462；上模的单元数为3764，节点数为1017；下模的单元数为24757，节点数为5734。最终得到的有限元模型如图11所示。

图11 扩孔后的盖盘镦粗有限元模型

镦粗成形的始锻温度为1150℃，镦粗20mm后结束。镦粗过程中镦粗力的变化曲线如图12所示，最大力为2477t。

图12 扩孔后盖盘镦粗过程中镦粗力的变化曲线

图13 扩孔后的盖盘旋锻有限元模型

扩孔后工件的旋锻成形有限元模型如图13所示。坯料、旋锻锤头和下模的材料均与前面的设置相同，摩擦系数为0.3，热传导系数为11。坯料划分网格后的单元数为36239，节点数为8462；旋锻锤头的单元数为6628，节点数为1584；下模的单元数为24757，节点数为5734。

在上一步镦粗的基础上，再将工件加热到1135℃进行多步旋锻，旋锻过程中测温，旋锻过程中旋锻力的变化曲线如图14所示，最大力为1827.5t。

图14 扩孔后盖盘旋锻过程中旋锻力的变化曲线

压弯

旋锻后对工件进行压弯成形，始锻温度为1135℃，压弯成形用模具如图15所示。

图15 压弯模具

如图16所示为盖盘压弯有限元模型。坯料、上模和下模的材料均与前面成形工艺模拟中的设置相同，摩擦系数为0.3，热传导系数为11。坯料划分网格后的单元数为29936，节点数为7234；上模的单元数为17664，节点数为4288；下模的单元数为16087，节点数为3865。

压弯前加热工件到1135℃，完成压弯工艺，压弯过程中压弯力的变化曲线如图17所示，最大力为732.7t。

图16 压弯有限元模型

图17 压弯过程中压弯力的变化曲线

试验研究

本文盖盘工艺试验中的制坯是在10t电液锤上完成的，其余工艺均是在YDZ2000锻造液压机上完成的。从盖盘成形模拟结果中可以知道，始锻温度为1150℃时镦粗力的最大值超过了2000t，由于升高始锻温度可以降低镦粗力，因此在试验中始锻温度采用（1180±10）℃，终锻温度不低于850℃，锻造比取3，控制镦粗力在2000t之内。

盖盘成形模拟中第一次的镦粗分为两火，第一火镦粗量为165mm，第二火镦粗量为110mm，而试验中由于提高了始锻温度，因此将第一火的镦粗量增加为200mm，并且在试验中增加了滚圆工序，滚圆可以减小工件受力面积，从而减小第二火的镦粗力。第二火镦粗后锻件达到工艺尺寸，然后在其上进行φ200mm的冲孔以及马架扩孔，达到φ515mm的内孔尺寸要求，然后在始锻温度1180℃的条件下对扩孔后的锻件进行镦粗和旋锻，并对得到的锻件进行滚圆，最后进行压弯成形。得到的最终的盖盘粗加工锻件如图18所示。

图18 最终的盖盘粗加工锻件

结束语

采用DEFORM-3D有限元分析软件对盖盘成形过程中的各个工序进行了模拟计算，获得了工件在成形过程中成形力的变化情况。模拟结果表明，采用镦粗→冲孔→扩孔→镦粗＋旋锻→压弯多工步成形盖盘的新工艺方案是可实现的，按照该工艺方案进行了盖盘成形工艺试验，并在试验中增加了滚圆工序，提高了始锻温度，减小了成形力，满足目前2000t锻造液压机的设备现状。试验结果表明，叶轮盖盘的试验锻件尺寸基本符合设计要求，验证了本文工艺方案的合理性和可行性，为后续盖盘成形工艺的改进奠定了基础。

范淑琴，博士后，主要从事塑性成形工艺及装备的研究。