300 MW Mn18Cr18N护环模内冲孔工艺试验与数值模拟的研究

2018-03-14王鹏刚

大型铸锻件 2018年2期

李洋王鹏刚

(1.太原科技大学重型机械教育部工程研究中心，山西030024；2.二重(德阳)重型装备有限公司铸锻公司，四川618000)

护环是汽轮发电机组的重要零部件之一，对转子端部绕组起着固定、保护、位移和偏心等作用[1-2]。同时它承受转子绕组端部及自身离心力和弯曲应力等，且护环钢采用形变强化，所以它存在一定的残余应力[3]。为了保证承受应力最高的部件的安全运转，护环需要足够高的强度、塑性、均匀的力学性能和最小的残余应力，对于300 MW以上机组护环的屈服强度要求在1000 MPa以上[4]。护环工作在温度大于100℃的强磁场和腐蚀介质中，因此为减少端部线圈电流损失和防止工作温度过高，护环一般采用奥氏体钢制造。由于护环特殊的工况和使用条件，需要其具有较高的抗应力腐蚀能力[5-6]。目前国内的300 MW以上发电机护环基本上均采用Mn18Cr18N系列钢，一些科研工作者对50Mn18Cr4系列钢护环的应力腐蚀开裂现象等报道较多，但对于Mn18Cr18N钢冲孔工艺试验研究甚少[7]。发展大型核电产业中超临界机组可显著提高机组的发电效率，因此发展以超临界发电机组为主的发电技术时不我待，其中重要的就是关键零部件选材和制造技术水平，例如转子、缸体、护环等，如何通过引进、自主研究、开发具有自主知识产权的先进制造技术是发展超临界机组发电机组的关键[8-9]。为了提高生产效率和经济效益，缩短生产流程，我们还需要在前人的基础上探索新的护环制造方法和工艺流程[10]。

鉴于此，本文针对300 MW燃煤发电机采用的Mn18Cr18N钢护环，通过研究冲孔工艺环节，采用铅材料缩比试验和数值模拟的方法对模内冲孔新工艺进行试验探索，观察、分析冲孔后制件的形状和表面质量，得出锻造护环钢Mn18Cr18N坯料的模内冲孔新工艺，为确定其合理的生产试制以及护环冲孔工艺路线提供一定理论依据和实际指导意义。

表1 冲孔试验方案及坯料尺寸Table 1 Punching test scheme and blank dimensions

1 试验与数值模拟

1.1 试验材料、设备与方法

1.1.1 试验材料与设备

由于铅材料具有熔点低、材质较软的特性且能重复利用，同时，为了降低试验劳动强度，我们选用铅做缩比试验材料，比例约为1∶11，坯料机加工前的尺寸如图1所示。综合考虑坯料不同横截面形状、冲孔前坯料是否镦粗以及圆柱与长方体过渡部分有无倒角对冲孔后制件形状和表面质量的影响制定试验方案，如表1所示。机加工后坯料如图2所示。主要试验设备为YE-100t压力试验机，压力机冲头直径为30 mm、高度为200 mm。试验中主要用到空心圆柱筒模具，模具内径为70 mm，外径为120 mm，高度为190 mm。

图1 坯料机加工前尺寸Figure 1 Dimensional drawing before blank processing

图2 坯料机加工后实物图Figure 2 Picture after blank processing

1.1.2 试验方法

利用金属在冲孔过程中体积不变原理，首先利用铣床铣掉圆柱坯料表面的部分坯料(部分坯料根据DEFORM-3D计算得出，并且尽量使剩余材料的体积大致等于冲孔后制件的体积，计算后坯料的尺寸如表1所示)，然后在YE-100t压力机上冲孔，从而使冲孔内的材料转移至铣掉的面上。具体试验步骤：先将空心圆柱筒模具放到压力机正下方，再将坯料放入模具内，然后将冲头移动到坯料的正上方中心处，最后开启压力机工作按钮。

试验中需要注意：冲头必须移动到与压力机压块接触的正中间，以防止偏载；保证冲头在移动过程中始终与工作台面垂直；模具与坯料接触的部分应该涂润滑油从而降低摩擦。

1.2 数值模拟

1.2.1 模型的建立

通过三维软件建立上模具冲头、空心圆柱筒模具以及下模具圆柱垫片(冲头直径30 mm，高度200 mm；空心圆柱筒模具内径70 mm，外径120 mm，高度190 mm；圆柱垫片直径70 mm，高度5 mm)。根据试验二、试验五、试验六的坯料尺寸进行建模，分别得到模拟一、二、三的有限元模型，如图3所示。坯料为刚塑性材料，采用4节点实体单元进行网格划分，体单元数选为150 000；模具为刚性体，不需要划分网格。

1.2.2 仿真约束条件及参数

本次模拟选用的材料为Mn18Cr18N；坯料定义为刚塑性材料，初始温度为1200℃；模具定义为刚体，初始温度设置为200℃；环境温度定义为20℃；考虑坯料、模具以及环境之间的热传递，热传递因子定义为5；上模具下压速度设置为1 mm/s；坯料与模具的摩擦方式为剪切摩擦模型，摩擦因子定义为0.3。

图3 有限元模型Figure 3 The finite element model

2 结果与分析

2.1 试验结果与分析

在相同工艺参数条件下，不同形状坯料冲孔后的制件如图4所示。

图4 坯料冲孔后实物图Figure 4 Picture after blank punching

从图4(a)、图4(b)可看出，试验一、试验二中制件冲型效果不理想，表面质量不合格，均未能达到实际生产要求。同时，制件端面处不光滑且存在明显的毛刺。但试验二中制件端面的毛刺较少，且制件形状和表面质量相对于试验一有进一步改善。这就说明当坯料上、下横截面不同时，在圆柱与长方体过渡部分进行倒角，有助于改善冲孔后制件的形状和表面质量。

从图4(c)、图4(d)可看出，试验三中制件表面存在局部未充满的缺陷且端面残余的坯料较多，试验四中制件的表面局部未充满的缺陷得到了改善，且毛刺相对于试验三明显减少。这就说明在相同的试验条件下，对坯料进行微量镦粗有助于解决坯料表面局部未充满的缺陷以及减少端面毛刺，能有效提高材料利用率，但是试验四中坯料的冲型效果仍不理想。

从图4(c)、图4(e)、图4(f)可看出，试验六制件的形状和表面质量最好，试验五次之，试验三最差，这就说明：在相同的工艺参数下，冲孔后制件的形状和表面质量与冲孔前坯料的横截面尺寸有关。相对于试验三、试验五中的制件，试验六中制件端面比较光滑且毛刺较少。分析其原因是：试验六中坯料与模具之间的间隙均匀且最小，冲头在冲孔过程中受到的阻力恒定，这有利于金属平稳的流动。就制件形状和表面质量而言，六方体坯料的冲型效果最好，也能满足实际生产要求。

2.2 模拟结果与分析

图5为模拟一、二、三第100步时的金属流动性图。图6为模拟一、二、三第300步时的金属流动性图。

图5 第100步时金属流动图Figure 5 Metal flow diagram at 100th steps

图6 第300步时金属流动性图Figure 6 Metal flow diagram at 300th steps

从图5、图6可看出，坯料与冲头直接接触的部分金属流动最快，这是因为该处金属直接受到冲头的挤压作用，所以此处的金属会沿着轴线向下流动；冲头周围的坯料由于与冲头的距离相对较远，金属在流动的过程中受到摩擦力以及冲孔力的共同作用使金属沿着与工件轴线呈45°的方向流动。冲孔过程中，模拟二的金属流动比模拟一平稳，一方面是因为模拟二中的坯料形状比模拟一规则，另一方面模拟二的坯料与模具的间隙在整个冲孔过程中是不变的，这有利于金属平稳流动。模拟三中的金属流动最平稳，原因是：坯料与模具有效接触面积最大且间隙最短，增强了金属流动的平稳性。在相同工艺参数和特定分析步的条件下，不同横截面坯料冲孔完成的程度也不同，显然，完成模拟三所需要的时间最短。经过对比分析，发现在冲孔过程中坯料横截面形状对金属流动性影响较大。就冲孔过程中金属流动的平稳性及流动速率而言，对六方体坯料冲孔效果最好。