1Cr12Ni2Mo1V静叶片锻压成型模拟仿真

1Cr12Ni2Mo1V静叶片锻压成型模拟仿真

刘伟召1李爱听2杨建平2

1.中机中联工程有限公司重庆九龙坡400039；

2.东方电气集团东方汽轮机有限公司四川德阳618000

摘要：本文从软件的应用角度出发，利用现在的限元分析方法——DEFORM-3D，得出1Cr12Ni2Mo1V静叶片的最优锻压成型工艺方案和变形参数，然后结合到实际的产品试制之中，对制造得出的产品进行分析确认其结构和质量合格，最终量产化并广泛地应用于实际的生产和类似产品的生产之中。

关键词：静叶片；数值模拟；DEFORM-3D

1研究方法

1.1数据处理及变量说明

工件名称为：常规隔板用叶片铸模，其形状结构及尺寸大小通过绘图，具体如下图1-1所示：

图1-1数据尺寸明细图

1.1.1材料基本分析

根据上图1-1及生产相关需求：此为常规隔板叶片（2401022KW），材料为1Cr12Ni2Mo1V，材料特性具有较高的强度和良好的切削性，冷变形塑性中等，压型性不好，经淬火回火后可压型，热处理时无回火脆性，但淬透性低。用于制造机器运动零件，如辊子、轴、连杆、圆盘等，满足叶片的基本造型前提条件和后续成型需求。

1.1.2常规隔板毛坯尺寸加工精度和表面工艺性分析

加热是锻件生产过程中的重要工序之一。一方面，坯料温度越高，金属的塑性越好，变形抗力也越小，金属坯料的成形也越容易；另一方面，如果加热温度过高，又会引起诸如过热、脱碳、氧化和过烧等加热缺陷[1]。因此作出优化后的措施为前者，即减少轴管的后续机加工的工作量。

1.1.3此叶片材料成型的技术要求

首先锻件应无裂纹、折叠、过烧、夹层等缺陷，其次各回转表面同轴度小于0.2mm，然后加工表面应无毛刺或者棱边，且非机加工表面无氧化皮，非加工面的尺寸允许机加保证，锻后正火理，正火硬度179-217HB，调质处理，调质硬度取229HB到269HB的范围区间，最后未注公差尺寸的极限偏差：机械加工按QC/T267-1999中的规定执行[2]。

1.1.4此叶片材料成型的技术要求

因为在热锻压的过程中，会因为改善热锻压成形效果温度而改变形状结构，另外温度、压力等原因也会使工件的尺寸精度和表面质量达不到预定的要求，因此需要后续机加工操作。这样就必须考虑工件的加工余量和公差[3]。

冲孔连皮厚度的确定；由于中空件无法锻出，将会通过锻压的方式留下连皮，只能通过后续加工手段去除。在本次的工艺中，采用两端凸模相向旋转至法兰盘界面处，选取连皮厚度为3mm。

轴管作为制造中的大锻件，由于所需成形力大，使得其成形工艺比较复杂，现目前主要采用自由锻、正反锻压、镦挤成形、胎膜锻和开式模锻等加工工艺。但是此类工艺不仅生产投资大，还具有材料利用率低和生产率低等缺点，严重阻碍了行业在我国的发展。

复合热锻压工艺：下料→加热→压型→锻挤成形→反挤内孔→精整内孔。以这几个步骤进行工艺执行。

1.2DEFORM-3D成型分析及数值模拟

1.2.1变形程度与变形力预确定

变形程度的预确定：多向闭塞锻造时的变形程度可按照下式1-1表示：

热变形力可按下式1-7确定：

F=C*p*A(式1-2)

式中C——安全系数，一般取1.0～1.3

p——单位锻压力/MPa

A——凸模工作部分的有效截面积/mm2

从金属流动方向来看，金属是在左、右凸模的锻压条件下填充型腔。因此，属于反锻压类型。

接下来进行左、右凸模反锻压力的计算，对应的单位锻压力计算公式如下式1-8：

(式1-3)

式中：D——反挤凹模的工作直径/mm

d——反挤凸模的工作直径/mm

——成形终了温度时的材料抗拉强度/MPa

已知：反挤凹模最大的工作直径D=136mm，左反挤凸模的工作直径d左=34.5mm，右反挤凸模的工作直径d右=50.6mm，抗拉强度σb(MPa)：≥570(58)。因此按照上式1-8可计算得：

<2>上、下凹模夹紧力

在多向模锻成形时，凹模对坯料的夹紧力一般为凹模对坯料锻压成形力的1～4倍。

因此，可计算得：

F夹紧=2×（F左凸模+F右凸模）≈400N

1.2.2变形速度预确定

材料的变形速度不仅和材料的材质有关，和所处的温度以及所受到的力的大小，更和模具的相对运动速度相关。金属材料的变形抗力σb即正应力或流动应力。表2-5给出了钢和某些合金在模锻结束温度下的抗拉强度，见表1-11

1.2.3成形温度范围确定

本次采用的材料是钢材1Cr12Ni2Mo1V，属于优质复合结构钢，根据过往的研究成果可以查得其成形温度范围为：1200℃～800℃。此次利用多向闭塞锻造的方法，力保一次成形良好，故选择一个较高的开始成形温度，T始=1100℃，T终=900℃。

这样的成型温度对DEFORM-3D的分析数值模拟式正向有利的，避免材料锻造模拟过程中的意外损坏而导致成型失败。

2DEFORM-3D锻压模拟结果

2.1引言

应用DEFORM软件对常规隔板锻压过程的数值模拟，首先需要建立有限元分析模型：

①设计上下模、左右模为刚性模型，工件为弹性模型。②模具材料AISI-H-13[1450℉~1850℉(800℃~1000℃)]，工件材料取SI~1043[1300℉~2000℉(700℃~1000℃)];③整个变形过程是镜像的，待压工件与模具的上下模间摩擦因子：m=0.3；④上模的下压速度取20mm/s；左右模速度20mm/s；⑤设置上模温度为250℃，下模温度300℃，左右模温度为270℃，工件温度分别为800℃，1000℃和1200℃，以便对比分析；⑥上模网格单元200个，下模网格单元500个，左右模望各单元均为100个，工件网格单元1000个；⑦模拟步长0.8mm/步；⑧分析开始

2.2实验部分

2.2.1实验分析过程

模拟后的成型情况和温度分析如图2-1所示：

图2-1多方向锻压压型后的的转台和仿真情况

由上图可知：在成形模拟过程中，先让上、下模固定靠模，然后左、右冲孔模以不同的速度旋转相向进行，以保证冲孔连皮在发兰处，并保留锻孔连皮厚度为3mm。可以看出，一次锻挤成形轴管，发兰盘的成形良好，四个台阶也锻出，孔的成形也良好，飞边很少。4.8kg的坯料完全能够一次锻挤成形出轴管。多余材料的消耗主要在孔的连皮上。从图2-1模拟成形结果温度分布图可以看出，温度分布相对比较均匀，主要集中在800℃左右。说明将初锻温度控制在1100℃是可行的。

根据具体分析，为了避免出现这种畸变或重叠的问题，找到了三种有效可行的解决方案：

第一种有效解决手段是细化网格：利用Hypermesh的优势对所有的网格增加一倍，从而细化网格。

第二种方法是改变摩擦条件或重新进行模具设计，即目的是将锻件的形状做一下优化。

第三种方法是用Fortran软件打开软件中的程序，将出现畸变或重叠处的网格的坐标略微做下变动，这样既可跳过当前出错部分，又不影响最终的结果。

3结论

通过对隔板叶片整个工艺的分析和研究，最终采用并选取多向锻造的压型技术，成效总体体现在如下6个主要方向上：

（1）利用对压模的结构、应用和针对本次论文目标叶片——1Cr12Ni2Mo1V静叶片的综合分析，选择出一套符合要求的压模结构参与到研究设计中来。

（2）研发并找出一套符合压型的毛坯件结构，并定位最终尺寸，满足后续有限元分析和压型条件。

（3）对DEFORN-3D在压型过程中各项参数设置的探索，成果录入了正确地材料结构、输入满足要求的成型输入参数，并成功模拟压型。

（4）对成功压型模拟的后续分析和处理，得出了模拟的产品满足汽轮机静叶的产品使用和要求，应力应变和温度控制均在可行的范围之内，符合生产要求。

（5）一次锻压成型成功后，大大减少了后续补充机加工工序的工作量。

参考文献

[1]孙斌，陈振东.工业炉节能现状和发展趋势[J].能源与环境，2017，3(5)：30-31.

[2]王秉铨.工业炉设计手册[M].北京：机械工业出版社，2016.7-27，170-341.

[3]宋湛苹，史竞.工业炉的现状与发展趋势[J].工业炉，2014，26(6)：13-18.