毛坯形状与尺寸对叶片模锻及节能节料影响的研究

【摘要】： 汽轮机叶片对能量的转换起着关键的作用，是汽轮机的“心脏”零部件。模具锻造一直是叶片生产的主要工艺手段，影响叶片模锻质量的因素很多，其中也包括毛坯形状与尺寸。定量设计模锻叶片的开坯形式、毛坯结构和优化开坯体积，对于有效减少生产调试时间，节约材料和能源，降低生产成本，大批量锻造稳定合格的叶片产品具有十分重要的现实意义。 随着计算机技术和计算方法的发展，利用数值模拟实验，既可了解毛坯变形与充模过程，预测和控制产品质量，确定锻造缺陷类型、部位、起因及影响因素，以改进和优化锻件结构、开坯形式、模锻条件及工艺参数，减少试模次数，提高材料利用率；又可分析模具在力—热等交变载荷的耦合作用下可能产生失效的部位及原因，以改进和优化模具结构，从而避免传统方法中反复试锻(试模)所带来的人力、物力和财力的浪费，提高叶片生产的技术经济效益。 本文以汽轮机叶片模锻成形过程为基础，应用有限元分析软件DEFORM-3D开展毛坯形状与尺寸对叶片模锻质量和模具工作状态影响的研究，解决叶片模锻中的材料利用率及能源节约等问题。通过对比、分析不同结构的毛坯对变形温度与等效应力应变的影响来确定可行的开坯形状；通过正向模拟技术与黄金分割实验法优化坯料尺寸与体积；通过分析模具的工作状态预测模具的失效部位并提出预防措施。 数值模拟结果表明：在体积不变的条件下，采用叶根截面为圆扁形、叶身截面为圆形的锻坯不仅有利于叶片模锻过程中金属坯料的均匀流动，而且便于实际生产操作；在保证坯料充模质量和毛坯形状一定的前提下，可以通过控制飞边量或减少毛坯体积来节约叶片材料；模腔局部高温和高应力的交互作用是造成模具过早失效的重要原因。由此可知，毛坯形状与尺寸不同，对于模锻过程中坯料金属充模和节能节料的影响也不同，确定合理的模锻叶片开坯形状与尺寸，不仅能有效地提高材料利用率，而且还能适当减少锤击次数，降低模具损坏几率，节约锻造能源。