（材料加工工程专业论文）300mwmn18cr18n护环外补液胀形工艺及设备研究.pdf

摘要 摘要 护环是发电机组中的关键部件之一，其制造等级是一个国家大型电站 设备制造水平的标志，目前国内m n l 8 c r l 8 n 材料3 0 0 m w 以上护环仍需全 部进口，因此开展大型护环制造技术的研究，在理论、技术以及政治经济 上都具有非常重要的意义。 护环工作时承受较大载荷，需要有较高的强度；为了避免涡流热效应， 护环必须使用奥氏体钢，因此只能用加工硬化的方法来提高其强度。外补 液胀形法是一种先进的护环强化工艺，影响成形的因素很多，对它们的影 响规律迸行分析有着重要的生产指导作用。 针对3 0 0 m w m n l 8 c r l 8 n 护环的生产，介绍了大型护环的生产工艺过 程及易出现的工艺问题，介绍了外补液胀形工艺的原理、设备，毛坯变形 规律，胀形过程中的尺寸检测方法，以及该工艺的优点。 利用解析的方法分析了3 0 0 m w m n l 8 c r l 8 n 护环毛坯胀形过程中毛坯 完全屈服所需要的内压力和胀形至成品所需要的最大胀形内压：利用通用 商业软件a n s y s 分析胀形过程中的各种参数对护环毛坯成形的影响，应 力分布及塑性区扩展情况，确定了生产3 0 0 m w 护环的模具的最佳模角和 阻力环的尺寸，推导了毛坯尺寸的计算公式。 利用通用商业软件a n s y s 对不同结构的承力框架的危险点进行了应 力和变形分析，给出了3 0 0 m w 护环胀形专用承力框架的结构与尺寸。 关键词护环：外补液胀形；自由锻；大锻件；高压成形 燕山大学【学硕士学位论文 a b s t r a c t r e t a i n i n gr i n g i so n e o f t h e k e yc o m p o n e n t s o f g e n e r a t i n g s e t 。t h e l e v e l o f i t sq u a l i t yi st h em a r k i n go fo n ec o u n t r y sg e n e r a t i n gs e t ，3 0 0 m w m n l8 c r l8 n r e t a i n i n gr i n g so fo i l i c o u n t r ya l ld e p e n d o n i m p o r t i n g i t i sv i t a lt os t u d yo nt h e t e c h n i q u eo f h u g er e t a i n i n gr i n g r e t a i n i n gr i n gr e q u i r e sh i g l ls t r e n g t h b e c a u s eo fi t sh e a v yl o a da n dt e r r i b l e w o r k i n g c o n d i t i o n s i n c er e t a i n i n gr i n g sm a t e r i a lm u s t b ea u s t e n i t i cs t e e l ，i t s h i g hs t r e n g t hc a l lo n l yb eo b t a i n e db yw o r k h a r d e n i n g h y d r a u l i ce x p a n s i o n w i ma d d i t i o n a ll i q u i di sap o t e n t i a ls t r e n g t h e n i n gp r o c e s so fr e t a i n i n gr i n ga n d t h es t u d yo fi ti sv a l u a b l e t h e r ea l em a n yi n f l u e n c i n gf a c t o r si nt h i sp r o c e s s ，s o t h ei m p a c t a n a l y s i si sv e r yi m p o r t a n t f o rt h ep r o d u c t i o no ft h e3 0 0 m wm n l8 c r l8 nr e t a i n i n gr i n g ，t h ep a p e r i n t r o d u c e st h ep r o d u c t i o nt e c h n i q u eo ft h el a r g e - s i z e dr e t a i n i n gr i n ga n dg i w s t h ee q u i p m e n ta n dp r i n c i p l eo fh y d r a u l i ce x p a n s i o nw i t ha d d i t i o n a ll i q u i d , t h e d i m e n s i o n a l i n s p e c t i o n a n dt h e r e g u l a r i t yo f f o r m i n g t h ep a p e ra n a l y z e st h ei n t e r n a lp r e s s u r er e q u i r e db yt h ey i e l do f b l a n ka n d t h em a x i m u mp r e s s u r ei nt h eh y d r a u l i ce x p a n s i o n 。b yt h eu s eo fa n s y s ，t h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si sg i v e na n dt h eb l a n kd i m e n s i o ni s d e r i v e d t h ep a p e rd e s i g n st h ea - g l eo f t h ed i ea n dt h es i z eo f t h er e s i s t a n c er i n g f o r3 0 0 m w r e t a i n gr i n g t h es t r e s sa n dd e f o r m a t i o na n a l y s i so fd a n g e r o u sp o i n tw i t hv a r i o u sf r d i n e o u t l i n e si sd o n e ，a n dt h eo p t i m u mp h y s i c a ld i m e n s i o no f t h eh e a v y f r a m eu s e di n t h e3 0 0 m w r e t a i m n gr i n gi sp r o v i d e d k e y w o r d sr e t a i n i n gr i n g ；h y d r a u l i ce x p a n s i o nw i t h a d d i t i o n a l l i q u i d ；f r e e f o r g i n g ；h e a v yf o r g i n g ；瓶g hp r e s s u r ef o r m i n g 第l 章绪论 1 1引言 第1 章绪论 随着我国国民经济的增长，电力工业高速的发展，电站大锻件的需求 日益增长。电站建设的数量和规模与日俱增。由于大容量的发电机组具有 更好的经济效益( 效率高、成本低、相对投资少) ，因而各国在电站建设中所 使用的发电机组越来越向大型化发展。采用先进制造技术，生产高质量、 高性能的电站大锻件，便成为近年来锻压科技工作者、生产部门攻关的重 要目标。 护环是发电机组中最为关键的部件之一，是用来紧箍发电机转子两端 绕组线圈的圆环，形状简单，但是工作时承受装配应力、离心力、弯曲应 力和热应力等，是发电机组中承受应力最大的主要部件。所以护环要求具 有较高的屈服强度、良好的塑性指标、均匀的力学性能和较小的残余应力。 一般功率在3 0 0 m w 以上的大型机组护环，其屈服强度盯。，都在1 0 0 0 m p a 以上，护环在强磁场、潮湿的腐蚀介质中工作，为了提高发电机的效率、 减少漏磁和涡流热损耗、防止工作温度过高，护环通常采用导磁率极低( 小 于1 1 ) 的单相奥氏体无磁钢制造。 单相奥氏体无磁钢初始屈服强度远低于护环要求达到的屈服强度的标 准，而且奥氏体无磁钢在从高温降至低温时不发生相变，其热锻后屈服强 度不超过4 0 0 i v i p a ，所以不能通过常规的热处理方法提高其强度，必须采用 加工硬化的方法使其强度达至要求的指标。 1 。2 护环强化方法介绍 发电机护环曾经采用过芯轴马杠扩孔法、多级冲头冷扩孔法、球面模 具扩孔法、爆炸成形法等方法进行强化生产，但因为残余应力大、形状难 于精确控制、性能不均匀、生产率低等原因没有褥到推广。目前世界各国 广泛采用的是楔块扩孔法、液压胀形法生产护环。现将以上各方法简要介 l 燕山大学工学硕士学位论文 绍如下i l 】： ( 1 ) 芯轴马杠扩孔法此法通常采用半热锻方法进行。半热锻法是在钢 软化再结晶温度以下进行的，半热锻的初始温度一般为5 0 0 - - , 6 0 0 。c ，外径相 对变化率在2 9 3 6 ，我国第一批5 l o o m w 护环就是采用此法生产的。 但是此法生产的护环生产效率低、机械性能不均匀、残余应力高、芯轴易 断、工具耗损大，不适于大型护环的生产。 ( 2 ) 球面模具扩孔法此法是美国的一项专利。这种方法的实质是将经 过粗加工的护环放在专用的球面模具上，用水压机加压，使坯料一个接一 个的通过球面模具，此时，护环的内外径增大，达到提高强度的目的。这 种方法的优点是几何尺寸精确、性能均匀、生产效率高。一重7 0 年代初采 用过此种方法生产护环。但是这种方法制成的护环残余应力高，而且扩孔 时水压机震动强烈。 ( 3 ) 爆炸成形法此法是一种高能加工工艺，利用炸药爆炸的冲击波， 用水作为传递介质，使护环产生变形强化。它与一般的常规加工方法相比， 具有压力高、变形速度快、变形时间短、功率大的特点。由于护环爆炸成 形时加压的时间极短，所以它属于冲击式加载，强化效果较好。这种强化 方法始于美国，我国的多数护环生产企业都曾采用过这种方法生产护环。 爆炸工艺正确时，护环的残余应力很小，而且装置简单，可以解决生产设 备不足的问题。但是生产有一定的危险，对工艺的要求和材料的性能要求 较高。 ( 4 ) 楔块扩孔法此法是国内外广泛采用的变形强化方法，多数国家和 我国的多数企业都采用过此法生产护环。楔块法是以许多的楔块代替球形 模具扩孔法中的鼓形冲头，环坯沿高度上几乎平直向外扩张，变形比较均 匀。楔块扩孔法具有机械性能较均匀、残余应力较低、生产效率较高等优 点。但是这种方法的缺点是模具扔始加工费用较高、模具制造难度大、周 期长、操作麻烦、存在模具润滑、内表面胀形不均匀等问题。 ( 5 ) 液压胀形法此法是法国1 9 6 0 年申报的专利。由最初的全液压胀形 发展出减力法液压胀形、内增压液压胀形、外补液胀形。理论和实践都证 明，液压胀形法生产的护环具有变形均匀、残余应力低、模具结构简单、 2 第1 章绪论 操作方便的特点，是其它强化方法所不能比拟的。 1 3 液压胀形法及其发展 液压胀形法是目前国内外较先进的护环强化方法，其胀形原理是：在 加工好的护环毛坯内注满液体，并使液体产生高压，高压液体产生的变形 力使护环毛坯在冷态下产生永久性塑性变形，随着护环毛坯变形程度的增 大，直径变大、高度缩小、厚度减薄，其强度显著提高。从原理上讲，只 要能使护环毛坯内液体产生足够大的压力，任何尺寸的护环均能均匀胀形。 全液压法胀形是以水压机作为动力实现护环胀形，如图1 1 所示，将加 工好的护环毛坯放在一套锥形模具上，毛坯内注满液体，当水压机迫使模 具进入毛坯内部时，在毛坯内的液体产生很高的液体压力，当液体压力达 到一定值时，毛坯开始变形，直径不断变大，直至胀到所需尺寸为止。锥 形模具不仅应满足密封的要求，而且必须保证任意的瞬时，由于上下模具 的靠拢所排开的液体体积，大于或等于毛坯因胀形而增加的容积( 此条件被 称为排液系数大于1 ) ，使得整个胀形过程中，毛坯内的液体始终保持高压。 从原理上讲，只要能使毛坯内液体产生足够的压力，任何尺寸的护环均能 均匀胀形。 全液压法胀形所需的压力，即水压机所承受的载荷，正比于锥形模具 受液体压力作用表匦的水平投影砸积。当胀形大型护环时，变形抗力非常 高，要求使用很大吨位的水压机。生产实践表明：生产5 m w 以上的护环时， 就需要使用万吨水压机。国外解决这一问题是采用大型水压机。根据我国 的具体情况研究并采用了减力法胀形工艺，如图l 之所示。在模具内配置一 根带有密封装置的圆柱减力柱，使上模的实际承压表面减小，达到了 减力的目的。这种减力措施有效的减小了所需设备的吨位p 5 i 。 减力柱的直径越大，减力就越多。表面上看可以增大减力柱直径，甚 至采用多套模具，逐渐增大减力柱的直径的方法来增加减力比，以完成大 型护环的胀形。但实际上，随着减力柱直径的增大，注入毛坯内的液体减 少，即使每次取很小的胀形量，也会造成毛坯内缺水，不能继续胀形。当 然可以减小模具的锥角，以增加锥模排开液体的体积，维持环内液体高压。 1 燕山大学工学硕士学位论文 图1 - 1全液压胀形装置图l - 2 减力法液压胀形装置 f i g 1 1 f u l ll i q u i dh y d r a u l i c f i g 1 - 2r e d u c i n gl o a dh y d r a u l i c e x p a n s i o ne q u i p m e n te x p a n s i o ne q u i p m e n t 但是当锥角很小时，胀形虽可进行，但胀形后的护环由于回弹包在模具上， 造成脱模困难，限制了胀形量。随着减力比和胀形次数的增加，模具的锥 角不断越小，这一问题就更加突出。一重在生产3 0 0 m w 护环时，采用两套 模具分两次胀形，模具的锥角减小到了1 3 。，胀形后护环脱模非常困难，而 总的变形力仍在i o o m n 以上。实践证明，此法中减力比受到限制，难以达 到5 0 。 减力液压胀形法仅适用于要求减力不多的中小型护环，面难于胀形大 型护环。工厂水压机能力的限制是目前我国大型护环生产的难题之一，也 是目前的楔块扩孔和液压胀形的共同的难题。如果护环在胀形过程中，由 于某些原因产生裂纹突然破裂，水压机的横粱会突然高速下降，造成严重 水击振动，回程管路等也可能会由于来不及摊液而爆裂，危机设备、模具 及人身安全，国内外都有关于这类问题的报道。雨大型护环胀形中形成裂 纹的机率要比中小型护环高的多。而且还存在胀形的控制问题。目前由于 靠水压机压下产生的压力生产护环，护环胀形后的尺寸靠控戋水压机的压 下量来控制，对操作的要求很严格，不得不加大护环毛坯的余量。这样， 不仅使毛坯胀形的变形力升高，浪费护环材料，使胀形后的机加工时显著 4 第1 苹绪论 增加，而且易出现凹鼓形护环。此外，模具的通用性较差，一般每生产一 种规格的护环都需要2 - 3 套模具，成本较高。 如前所述，减力液压胀形工艺远不能满足生产大型护环的要求，主要 是由于减力受到摩擦死扣、模具碰头的限制。这些都是由于要保证排液系 数大于或等于l ，使得模具锥角过小造成的。为了解决这些问题，提出了内 增压式胀形法。 如图l 一3 所示，内增压胀形法是将减力柱充分贴近护坏毛坯的原始内 径，可以获得比不补液更大的减力比。胀形过程中毛坯胀形增加容积的液 体的补充不再完全依赖模具的锥角，而是由下面的补液缸供给，所以排液 系数始终等于1 ，此时模具的锥角只起密封作用，可以加工成很大的角度。 所以，减力不再受摩擦卡死和模具碰头的限制睁8 1 。 这种方法比原减力法前进了一步，可以用来胀形大型护环。但是由于 存在以下问题，仍然难于在大型护环生产中推广使用： ( 1 ) 外补液缸的尺寸确定以后，液体的压力不可调节，故毛坯实际承受 的轴向压力不可调节，护环成形精度难以控制，易出现鼓形或双鼓形； ( 2 ) 模具的锥角大，初始建立液体高压比较困难： ( 3 ) 如要成形大型护环，必须向环内补充大量液体，因而补液缸的尺寸 必然较大； ( 4 ) 仍不能解决生产的安全问题。 此方法只解决了以小吨位胀形大型护环的部分问题。 内补液法是外补液法的雏形，在此方法的基础上提出了一种新的减力 胀形方法外补液胀形法，如图1 4 所示。 这种胀形强化方法一改过去使用水压机作为动力源的传统做法，而代 之以高压泵( 或增压器) 供给护环毛坯胀形所需的高压液体，使用低压缸来控 制上下模具的轴向移动，用以保证胀形过程中高压液体的密封。这种方法 既保持了其他液压胀形法的变形均匀、残余应力低、模具结构简单、操作 方便的优点，又克服了占用大型设备、成形过程不易控制、排液系数的限 制等方面的不足，是一种适合我国国情的护环强化方法，逐渐得到推广和 应用。 5 燕山大学工学硕士学位论文 图i 3内增压胀形装置图1 - 4 外补液胀形装置 f i g 1 - 3h y d r a u l i ce x p a n s i o ne q u i p m e n tf i g a 4h y d r a u l i c e x p a n s i o ne q u i p m e n t w i t hs e l f l i q u i d w i t ha d d i t o a n a ll i q u i d 1 4 护环材料及其发展 由于护环特殊的工作环境，对护环材料有较高的要求。护环材料应满 足以下要求： ( 1 ) 高的吒指标； ( 2 ) 足够的加工成形性能； ( 3 ) 一定的热膨胀系数； ( 4 ) 抗腐蚀能力特别是抗应力腐蚀能力； ( 5 ) 低的导磁性能； ( 6 ) 1 2 0 。c 工作条件下的稳定运行性能。 前三项是必须的，因为护环要承受很大的离心力、装配应力和热应力。 为避免应力腐蚀裂纹，必须使用对应力腐蚀不敏感的材料，或者调整工作 6 第1 章绪论 环境，使之适应材料的使用特性。材料的导磁率要低，否则会产生涡流， 造成能量损失，并且会增加发电机冷却系统的工作负荷1 9 t l 。 早期的护环一。般采用含有镍的m n 8 n i 8 c r 4 系列无磁钢。6 0 年代以来， 世界上大型汽轮发电机护环一般采用m n l 8 c r 4 系列不含镍的锰铬系无磁 钢。7 0 年代后期，世界各地相继出现了因护环开裂导致的电站事故，分析 原因，均为应力腐蚀所致。这就迫使护环制造厂开发新的钢种以弥补 m n l 8 c r 4 系列护环钢抗应力腐蚀方面的不足。法国德国相继开发出了 m n l s c r l s n 护环钢，这种钢除强度、导磁率等可满足要求外，其塑性和韧 性指标均优于m n l 8 c r 4 系护环钢，更重要的是此钢种极大的改善了抗应力 腐蚀方面的不足。现在国外护环生产厂大都采用m n l 8 c r l s n 钢生产制造大 容量机组的护环锻件。国内8 0 年代中后期引进m n l 8 c r l 8 n 钢并进行了研 制工作，但是现在对该钢的锻造工艺和护环制造工艺仍有不少关键技术未 得至i 解决，无法实现批量生产【l “。 1 5 国内外护环生产现状 世界上主要的护环生产厂家有日本的室兰制钢所、法国的帕米埃工厂 和德国的克虏伯公司。日本室兰厂上世纪7 0 年代末就生产出材料为 m n l 8 c r l 8 n 钢，直径1 6 0 0 r a m 、高1 0 0 0 m m 、屈服强度1 2 3 0 m p a 的护环。 8 0 年代又生产出直径1 9 0 0 m m 、高1 2 5 0 r t m a 、壁厚1 0 0 m m 、屈服强度1 1 0 0 m p a 的护环。法国帕米埃厂从1 9 4 5 年开始产生护环，至今已生产了上万只，9 5 的产品出口供应世界各地，该厂生产的护环最大直径达到了1 8 0 0 m m 。德国 克虏伯公司生产护环的历史较早，1 9 2 5 年就生产出了世界上第一只护环， 世界上最大的护环由该公司生产，它的外径2 0 1 0 m m 、内径1 8 0 0 m m 、高度 1 2 5 0 m m 1 5 , 1 6 1 。 我国从1 9 5 8 年开始试制，1 9 6 0 年开始生产护环，目前一重、二重、太 重、沈重等企业都有护环的生产经验，主要采用楔块扩孔和液压胀形的方 法生产。目前，我国对于2 0 0 m w 以下的护环已经能够稳定批量生产， 3 0 0 m w 、6 0 0 m w 护环也已成功试制并达到或超过美国西屋公司标准。但 是在大型护环制造技术、护环质量控制技术及检测等方面与世界先进水平 7 燕山大学工学硕士学位论文 相比还有相当的差距，3 0 0 m w 以上护环还靠从国外进口。 1 6 本文的研究内容 随着电力需求的增长，大型发电机组的需求不断增大。护环是大型发 电机组中的关键部件，其生产过程很复杂，需要很多工序及相当高的技术 水平，作为一种有效的强化工艺，对于外补液胀形工艺的研究显的更为重 要。本文采用通用商业软件a n s y s 对3 0 0 m w m n l 8 c r l 8 n 护环胀形的过程 及重要设备承力框架进行研究。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 对3 0 0 m w m n l 8 c r l 8 n 护环的生产工艺过程进行总结； ( 2 ) 研究外补液胀形法中护环胀形的受力、变形规律； ( 3 ) 利用解析法确定3 0 0 m w 护环胀形所需的压力，推导毛坯尺寸的计 算公式； ( 4 ) 利用通用商业软件a n s y s 分析外补液胀形工艺中力学参数、模具 参数和毛坯形状特别是端部阻力环的尺寸对护环胀形形状变化的影响； ( 5 1 对3 0 0 m w 护环承力框架结构进行设计分析。 8 第2 章护环生产工艺及外补液胀形法研究 第2 章护环生产工艺及外补液胀形法研究 2 1 护环生产工艺介绍 护环生产是一个报复杂的过程，需要繁多的工序及相当高的技术水平。 由于护环的工作条件恶劣，对其性能有特殊的要求，从炼钢到成品，共有 二百多个检验环节，有一个环节不合格即不允许使用，所以护环生产特别 是大型护环生产在炼钢、锻造、及冷加工方面都存在不少难点i ”。 2 1 13 0 0 m w m n l 8 c r l 8 n 护环的生产过程 3 0 0 m w m n l g c r l 8 n 护环的生产流程为：冶炼、铸锭、锻造电极、电渣 重熔、热锻制坯、租加工、补充固溶处理、加工强化、去应力处理、出厂 前检测、包装 2 0 - - 2 2 1 。 2 1 1 1 冶炼护环生产要求钢锭纯洁度好、晶粒度细而均匀、碳化物小而 少等。m n l 8 c r l 8 n 钢成份中含碳低、氮高、锰铬高、硫磷低，合金含量占 钢水量的5 0 以上，在冶炼过程中，成份控制碳含量要求小于o 1 2 ，氮 含量要求达o 5 以上。钢水经过电炉粗炼、浇注钢锭、锻造电极、电渣重 熔得到合格钢锭毛坯。 2 1 1 2 锻造护环钢热锻是保证锻件内部晶粒度细化和均匀化的关键工 序。锻造前的加热温度控制、锻造操作变形过程的热力学规范控制以及锻 后冷却规范韵控制，是影响锻件内在质量的决定因素。护环钢是奥氏体钢， 不能用热处理来细化晶粒，为防止护环晶粒粗大并使之均匀化，只有依靠 热锻工艺来解决。 m n l 8 c r l 8 n 钢的基本性能试验表明：这种钢有较窄的热加工塑性温度 区间，有很高的热加工变形抗力和有很强的过热敏感性，是易于过烧的钢 种，所以在锻制这种钢时，要特别考究其温度和变形参数。由于这种钢有 着较好的高温形变热处理特性，在热锻制坯过程中，控制好参数，可以获 得细而均匀的晶粒和较高的综合机械性能，这样既简化了热锻制坯工艺， 9 燕山大学工学硕士学位论文 又简化了冷强化工艺1 2 2 2 ”。 锻造工艺分为两部分：热制坯和固溶处理。 热制坯的主要工序为：下料、镦粗、冲孔、芯棒预扩孔、芯棒拔长、 芯棒扩孔至最终尺寸。锻造温度范围1 2 2 0 8 5 0 0 c 。由于护环毛坯为一短圆 筒，锻造工艺并不复杂。但是控制锻件质量却很困难。例如，加热时要均 匀使锻件充分高温扩散，还要严格防止粗晶。这就需要保持炉温均匀，严 格控制加热温度与保温时间。锻造时，为了防止开袈，压下量要小。压下 量按加热温度高低确定。般温度低时，压下量减小。如果发现有锻造裂 纹，应立即清除，以防扩展。芯棒扩孔时，转动要均匀，每次压下量要均 匀，以保证变形分布均匀，减少混晶现象。锻后要进行水冷，目的是为了 防止奥氏体钢的晶粒租化t 2 9 。 固溶处理的目的是使晶界上的碳化物在高温下溶于晶内，提高冷扩前 材料的塑性，并使之均匀化。为避免加热过程中晶粒长大和冷却过程中碳 化物析出，应采用高温入炉，快速加热，急速冷却。经过固溶处理， m n l 8 c r l 8 n 材料的“，能达到5 0 0 m p a 。 采用高温形变热处理制坯工艺简单，即可以获得合理的毛坯形状，还 可获得晶粒细而均匀、综合机械性能较高的毛坯。 2 1 1 3 加工强化护环材料所采用的单相奥氏体钢的初始屈服强度远低 于护环要求达到的屈服强度的标准，而煲氏体钢在温度变化时无相变，无 法用常规的热处理方法来提高其强度，一般都采用加工硬化的方法提高护 环的屈服强度，使之满足要求。采用常温液压胀形强化，胀形强化后应在 3 5 0 0 c 左右进行保温1 2 小时，进行去应力退火，对稳定尺寸有一定的作用， 而对护环的机械性能几乎没有影响。 2 1 1 4 成品质量检验出厂成品质量检验包括：化学成份分析( 含钢水化 学成份，成品化学成份) 、机械性能分析( 内环切向、中环切向及外环切向的 抗拉试验测屈服极限c r 0 ：、强度极限吒、伸长率正、断面收缩率妒；冲击 试验、残留应力测试) 、晶粒度试验( 取中环切向) 、导磁率测试( 取中环切向) 、 尺寸检查( 内外径、高度及租糙度) 、无损检测( 超声波探伤与渗透探伤) m 孔1 。 1 0 第2 章护环生产工艺及外补液胀形法研究 2 1 2 m n l 8 c r l 8 n 护环制造中存在的问题 在生产m n l 8 c r l 8 n 钢护环的过程中存在的主要问题： ( 1 1 表面裂纹严重，往往在每次热处理都要产生裂纹，不得不冷却下来 进行清理，造成能源、材料和机械加工工时的浪费，而且在冷却过程中产 生静态和亚动态再结晶，对内部质量也造成了严重的不良影响，这是制约 护环稳定、批量生产的关键所在。 ( 2 ) 热锻后基础强度低( 国外和国内各厂均在5 0 0 m p a 以上，一重曾达到 了8 0 0 m p a 以上1 、晶粒粗大和不均匀。由于此钢种属于奥氏体钢，只能通 过冷变形强化达到预定的力学性能，这不仅使冷变形工艺复杂化，造成模 具、水压机工时的浪费，而且由于冷变形量过大，造成最终塑性潜力不足。 晶粒粗大及不均匀，一方面对热锻后力学性能产生不利影响，另方面给 超声波探伤也带来了困难 3 2 3 4 1 。 2 2 外补液胀形法的研究 2 2 1 外补液胀形的原理 作为一种有效的护环强化方法，外补液胀形法逐渐得到推广和应用。 护环外补液胀形强化装置的结构如图2 1 所示【3 5 q 7 1 。 胀形装置中的各种组件的功用：高压泵或增压器，可以向高压缸和环 坯内供给高达3 5 0 m p a 的高压液体，是系统的动力部分；低压泵，可以通 过调节低压液体的压力，改变护环胀形时所受轴向压力的大小，以保证良 好的密封，同时又能保证成形精度，并可通过此低压回路控制护环胀形的 尺寸，超着控制回路的作用；液压缸，分为高压缸和低压缸两部分；柱塞， 传递护环胀形的变形力，补偿毛坯变形中的高度差，并作为向毛坯内传递 高压液体的通道；减力柱，合理的选择减力柱的直径，可以达到充分达到 减力而又保证成形精度的目的；上模和下模，锥面与毛坯端口近似于线接 触，有利于密封；承力架，仅起承力作用，可以加工专用框架，也可以借 用其他设备( 如水压枫) 作为承力框架；密封圈，防止高低压液体的泄漏。 外补液胀形工作原理如图所示，由模具外部的超高压泵将高压液体一 1 l 燕山大学工学硕士学位论文 部分打入护环毛坯内腔，追使其工作变形。一部分作用在下模的柱塞上提 供为保证模其与毛坯端口的密封所必需的轴向力。当工件直径变大时，上 下模在高压液体作用下会自动产生轴向相对位移，保证密封良好。整个装 置可用一个简单的承力架来承受轴向力。当生产2 0 0 m w 发电机护环时，其 轴向力也不会超过7 0 m n 。 1 禹压泵2 低压采3 赦压缸4 柱罂5 减力柱 6 护环毛坯7 上楼8 承力架9 密封圈i n 下模 图2 1 外补液胀形装置 f 培2 - 1h y d r a u l i ce x p a n s i o ne q u i p m e n t w i t ha d d i t i o n a ll i q u i d 2 2 2 护环胀形的过程 首先将供压系统调试正常，置于工作台上，将减力柱、下模、护环毛 坯及上模装配好一起放到柱塞上，然后将工作台移动到模架内，至此胀形 的准备工作就绪。胀形时首先启动低压泵，向低压缸内注液，使毛坯端口 上具有一定的接触压力，以保证模具锥面与毛坯间的密封。然后启动高压 1 2 第2 章护环生产： 艺及外补液胀形法研究 泵向毛坯内注入液体，当毛坯内充满液体时，液体的压力便会不断上升， 在液体压力的作用下，护环不断胀形。在毛坯环胀形的过程中，毛坯与减 力柱问形成的环腔截面积不断增大，在毛坯内液体作用于毛坯内壁使环腔 截面积不断增大，在毛坯内液体作用于内壁的同时，也作用在上下模具的 锥面上，使锥面与毛坯端口有脱离接触的趋势。一旦毛坯端口接触带上的 压力不足以保证密封时( 据资料和实验观察，当接触压力大于三倍以上环内 液体压力时，才可能具有密封作用) ，毛坯内的液体会从端口喷出，毛坯内 的液体不能继续升压，毛坯便停止胀形。为了保证模具与毛坯端口间始终 有一定的接触压力，低压缸内液体的压力要随胀形量的增加而增大。这种 相互间的制约过程可以用来控制毛坯的胀形量。如果想在毛坯胀形到某一 尺寸停止或暂停胀形，只要将低压回路卸压，由于密封条件受到破坏，则 毛坯立即停止了胀形，如需要继续胀形，只要重新使低压回路升压即可。 当毛坯胀形到要求尺寸时，停止胀形，打开放液阀，液压缸内的液体 在模具等重量的作用下快速泻出，移出工作台将胀形后的护环取下。 图2 2 为护环毛坯在胀形过程中外径差的变化规律的简图。图中，横坐 标若是护环毛坯的变形率，纵坐标a d 是护环中部和端部的外径差。 在护环胀形的过程中，若低压系统的液体压力不变，则护环毛坯的外 径差的变化曲线如图中曲线l 所示；在护环胀形的过程中，若低压系统液 体压力增加，如在最大外径差前增加，则按图中曲线2 所示变化：如在最 大外径差后增加，则按图中盐线3 变化。 e 图2 - 2 护环胀形过程中直径差a d 的变化规律筒图 f i g 2 - 2 t h e s i m p l er u l e ro f a dd u r i n ge x p a n s i o n 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 由于在胀形过程中，各种力学参数不断变化，材料的机械性能也随着 胀形量变化，导致毛坯的外形不断变化。胀形初期，毛坯端口处的模具作 用力较大，促使毛坯呈凹鼓形，但随着胀形量的增加，一是由于模具对毛 坯的作用力与液体压力相比不断减小，二是由于毛坯端口处的胀形量较中 部大，其硬化程度高于中部，所以毛坯的变形逐渐趋于均匀。而当变形到 后期，毛坯端口上的模具作用效果不及液体压力的作用，毛坯则向鼓形发 展，我们所要选择的力学参数和模具角度就是使毛坯胀彤至要求尺寸时获 得较直的外形。 护环变形的这种先凹后鼓的规律，是护环外补液胀形的基本成形规律。 2 2 3 护环胀形过程的检测 在外补液胀形中，护环变形尺寸的检测十分重要。可以根据不同时刻 的成形形状和密封情况合理调整轴向载荷，使胀形在最佳参数下进彳亍，使 胀出的护环达到满意的效果。 护环毛坯上、下、中三点的直径为必须测量点，生产中只要这三点的 尺寸符合要求几乎无废品。毛坯在胀形过程中，直径变大，高度变小，因 而这三点除在水平方向有移动外，在铅垂方向上还有位移【3 副。 2 2 3 1 手动测量手动测量简单易行，但测量精度不高。如图2 - 3 所示。 护环蹲护毂 ， 弋 。 、 澍蠹扦 厂 、 、 一 涮蠡睬 图2 - 3 手动测量装置示意圈 f i g 2 3 l l l u s m 正o no f m a n u a lm e a s m i n l n ge q u i p m e n t 测量人员手持探杆进行测量，其过程如下，先记下原始尺寸，然后定 1 4 第2 荦护环生产工艺及外补液胀形法研究 时记录探杆插入深度，推算出工件变形尺寸，直至满意为止。变形结束时 常出现喷雾现象，即在环口端部密封处均匀地喷出雾状液体，虽景象很壮 观但造成测量人员检测困难，根本看不清，因而有必要采用自动测量。 2 2 3 2自动测量自动测量就是将手动测量的直线位移转换成电信号，将 工件直线位移转换成电信号的位移传感器种类很多，由于该工艺变形量大， 因而电感式、电容式都不能满足要求。差动变压器、光栅、同步感应器、 容栅尺式及光电脉冲编码器都可以满足工艺要求，光栅虽精度高但价格昂 贵：差动变压器价格低廉但重复精度低、分辨率差；同步感应器体积大安 装精度高是可以考虑的；容栅尺式位移传感器具有性能可靠，抗振动，重 复精度高，其定型产品重复定位精度高达一个微米。响应速度快，无需进 行a d 转换，从胀形工艺角度看该传感器是非常理想的，且后续处理与计 算机联接方便，抗干扰能力强，能适合恶劣工作环境。自动测量系统设有 跟踪系统使测量中传感器始终位于护环上、中、下三点。当达到预定尺寸 时计算机发出信号终止操作、工序结束。 2 3 外补液胀形的优点 从上述的胀形原理和胀形过程可以看出，外补液胀形法与其它强化方 法相比有许多优点： ( 1 ) 可以不占用大设备胀形所需的高压来自于高压泵，活动部分是柱 塞及模具，而框架仅起一般的承力作用，故可以设置专用框架。这样的框 架结构紧凑，容易加工制造。当然也可以用现有的水压机架作为承力框架。 ( 2 ) 可以成形大型护环由于建立高压的原理不同，外补液胀形法不受 排液系数的限制，所以减力柱在保证密封力的条件下，可以充分的贴近护 环毛坯内壁。这样不论是1 0 0 m w 、2 0 0 m w 还是6 0 0 m w 的护环，均能在 可以承受一定载荷的同一框架上成形，如在许用载荷为1 0 0 m n 的框架上， 对于容量小于3 0 0 m w 的护环，可以分两次成形完成胀形强化，每次的总变 形力均不超过6 0 m n 。如前所述，如使用目前的胀形方法，即使用1 2 5 m n 的水压机，2 0 0 m w ，3 0 0 m w 的护环也要分两次成形，并且尚有脱模困难 等问题，更难于成形更大型的护环。而外补液胀形法模具的锥面主要起密 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 封作用，不受建立高压条件的限制，锥角可以加工很大。目前重厂使用 的模具的锥角达1 1 0 。由于模具的锥角较大，所以，多次成形不受限制， 这样便可以生产超过6 0 0 m w 的更大型号的护环。 ( 3 ) 生产安全可靠根据生产经验，一般是在护环毛坯端口内侧与模具 的接触带处容易首先产生裂纹。当裂纹贯穿接触带时，毛坯内的高压液体 就会从裂纹中泻出，不能再保持高压。如用目前的胀形方法( 包括楔块在内) ， 由于水压机的工作缸由蓄势站供给高压水，其压力不会因毛坯内液体泻压 而减小，因而作用在护环端口上的机械载荷突然加大，这样加速了环口裂 纹的扩展，直致整体开裂，危及人身及设备安全。但如采用外补液胀形法， 由于胀形所用的高压液体由高压泵直接供给，其流量较小，并且可以随时 控制泵的启停，当毛坯内的液体泄漏时，泵的负荷自动下降，所打出的液 体的压力也随之减小，作用在毛坯端口的全部载荷都迅速下降，则裂纹不 会再扩展，从而大大提高了安全程度，如裂纹不大还可以修正护环端口后 再继续胀形，可提高成品率。 ( 4 ) 成形容易控制将液压缸分成高压和低压两部分，实现了对成形尺 寸的人为控制，低压回路不仅是护环内的液体十分容易建立高压，而且可 以按要求调节护环端口上轴向压力的大小始终保证密封。并起到开关的作 用，使护环在胀形过程中可以方便的随时中断和恢复胀形。由于护环的变 形速度和变形尺寸易于控制，且中途可以卸压检查护环的变形情况，用此 方法修复有形状尺寸缺陷的护环也取得了满意效果1 3 9 1 。 ( 5 ) 成形精度高用外补液胀形法进行护环胀形时，用以改善护环成形 精度的因素很多，因而可以提高护环的成形精度。这样也可提高了模具的 通用性，可以用一套模具成形几种规格的护环。 ( 6 ) 便于实现专业化和系列化成批生产由于外幸 液胀形法不受护环的 规格限制，可以成形各种规格的护环，不一定需要大设备，可以用大的框 架完成一切胀形，也可以加工制造价格较低的小框架多次成形，所以大小 均可生产。因而，可以建成专业化的生产线和对成形的过程进行计算机控 制，其经济效益十分可观。 综上所述，外补液胀形法不仅保留了其它液压胀形方法的优点，而且 1 6 第2 章护环生产工艺及外补液胀形法研究 较好的解决了其它存在的问题。理论分析和实践都证明了这是一种有效的 大型护环生产方法。 2 4 本章小结 本章总结了护环生产的工艺过程，以3 0 0 m w m n l 8 c r l 8 n 护环的生产 为例具体的介绍了护环生产中的锻造工艺及出现的问题，然后详细的分析 了外补液胀形装置的结构、胀形原理和胀形过程的特点。 1 7 燕山大学工学硕士学位论文 第3 章弹塑性大变形有限元理论 护环成形是一个大变形问题。本文是以有限元法中的大变形弹塑性有 限元法为理论基础，采用通用商业软件a n s y s ，利用弹塑性大变形有限元 理论对护环胀形过程进行计算。现简要介绍一下弹塑性大变形有限元基本 理论【4 0 4 7 1 。 3 1 物体的构形及其描述 在小变形固体力学中，因为变形很小而忽略了物体受力后空间位置的 改变。具体求解时，所采取的几何方程是线性的，本构方程和能量原理是 相对于变形前的状态作近似的描述。但在很大的变形当中，必须考虑物体 空间位置的改变。表现在求解时，采用了非线性的凡何方程。 为了描述变形前后两种不同的状态，引入了参考构形和变形构形如图 3 1 所示。在某一瞬时，物体在空间所占据的区域称为该物体的构形。如果 已知某物体r = o ，f l f + 。( 肌= 1 , 2 ) 各时刻时的力学特性，那么在研究该物 体在r 。时刻的大变性问题时，就可以把r 时刻以前任一时刻的构形作为参 考构形，一般以初始构形为参考构形。 令在t = 0 时，物体的初始构形为k ，并参考于固定的直角坐标系 “) ，物体上的任一质点p 的位最坐标为x ，( f _ l ，2 ，3 ) 。设此后在某一瞬时t ， 物体发生了变形，此时物体的构形称为变形构形。不妨用另一直角坐标系 瓴) 来描述构形。初始构形中的p 点，变形后被移动到q 点，其位置坐标 为x ，( f = 1 , 2 , 3 ) 。如果令坐标系瓴 与编) 重合，则变形后的构形如图3 一l 所 示。 显然，对于同一质点而言，变形后坐标的关系为 x 。= 工。( x 1 ，工2 ，x 3 ，f ) i = 1 , 2 ，3 ( 3 - 1 ) 假设物体的变形和运动都是连续的，则中每一点x 。仅与l 中一个质 点x 对应，反之亦然。于是，可以认为函数是单值、连续、可微的，且雅 1 8 第3 章弹塑性大变形有限元理论 克比行列式不等于零，即 ，= 料。 t = t ( 一x l ，i ，i ) ，：1 堡i o 胁，i ( 3 - 2 ) ( 3 - 3 ) ( 3 4 ) 喇3 - l 物体的构形描述 f i g 3 1 t h e d e s c r i p t i o no f o b j e c t c o n f o n n a d o n 在连续体力学中，对物体内质点的运动，可以用两种方式来描述和研 究，以x 1 , x ：，玛和，作为独立的变量来描述物体的运动，称为物质描述或拉格 朗日描述，而工。，工：，和 称为拉格朗日变量。这种描述是随着运动的质点 来研究质点的运动状态。 另一种描述运动的方法称为空间描述或欧拉描述。在空间描述中，取 - i f ix ：，x ，和f 作为独立变量来描述物体的运动。空闯描述是据在空间某一定 点( _ i x 3 ) 研究各质点经过该点的状态。 3 2 大变形弹塑性本构方程 由于金属的弹塑性本构关系具有非线性性质，且与应变过程和加载有 1 9 燕山大学工学硕士学位论文 关，故本构关系是一种瞬态关系。目前，采用的本构关系可分为两类：一 种是塑性力学变形理论，又称为全量理论；另一种是塑性流动理论，又称 为增量理论。在弹塑性有限元法中，常用增量理论。在描述本构关系时是 按变形形态构形用欧拉参数描述的，即柯西应力张量和阿尔曼斯应变张量 表达应力与应变之间的关系。针对于各向同性大变形弹塑性本构方程，为 了反映与加载历史的相关性，大变形弹塑性问题可以采用速率型的本构方 程。但由于柯西应力张量的物质导数f 。不是客观张量，所以若用变形速率 张量和柯西应力张量的物质导数f ，直接建立本构方程，将不满足本构方程 的客观性条件。为此，在定义本构方程时，需要满足客观性条件的久曼应 力张量l ”“1 。 久曼应力变化率张量与阿尔曼斯应变速率张量d 的张量分量形式为 = -