燃機5m過渡段零件成形工藝研究

燃機5m過渡段零件成形工藝研究

零件截面尺寸尺寸設(shè)計燃機5m轉(zhuǎn)換段是由ge能源公司開發(fā)和制造的地面燃機燃料的部件。用于地面燃機燃料燃燒后的高溫氣體循環(huán)，工作效率約為900職工。過渡段零件通過零件截面形狀改變,將燃燒室火焰筒出口的圓形截面過渡為透平導(dǎo)葉前的扇形截面,截面積收斂到一定程度而達(dá)到渦輪進口截面要求的軸向流速,因此,設(shè)計上既要保證過渡段零件截面由圓形到扇形的型線盡可能平滑過渡,降低阻流損失,還要保證零件型面截面積收斂速度適當(dāng),能夠改善出口流場均勻性。圖1是燃機5M過渡段的UG模型,零件軸向總長865.5mm,前端是截面直徑Φ281.4mm、長210mm的圓筒,圓度2.0;然后是截面形狀由圓形向扇形方口逐漸過渡的過渡段部分,從圓口端向方口端平滑過渡,整體零件的型面輪廓度為2.0。因為零件的形狀構(gòu)造復(fù)雜,由圓口端面向方口端面過渡的型面截面變化劇烈,圓口直徑尺寸小,軸向長,成形過程中零件容易出現(xiàn)失穩(wěn),如起皺、減薄、撕裂、起波楞等。本文從燃機5M過渡段零件成形工藝研制和型面輪廓質(zhì)量改進等方面出發(fā),分析了上、下半部零件成形的影響因素,制定了相應(yīng)的改進措施,實現(xiàn)提高零件的輪廓型面質(zhì)量的目的。1燃機5mr的過度截面制成工藝的開發(fā)1.1材料變形缺陷燃機5M設(shè)計圖將零件沿結(jié)合線構(gòu)成的分型面分為上、下兩部分,再通過兩條貫穿圓口端和方口端的焊縫連成整體,結(jié)構(gòu)如圖2中的UG數(shù)模(A)所示。按過渡段零件的傳統(tǒng)成形工藝,分別對上、下半部進行彎曲拉深成形試制發(fā)現(xiàn),上半部零件成形后在圖2(B)中的“2”位置因堆料形成凸凹波楞,在“1”位置產(chǎn)生疊料,若增加壓邊力,則在零件的局部位置嚴(yán)重減薄;下半部在成形過程中在圖2(C)中“3”位置因大量聚料而形成“鼓包”,合模后形成大面積褶皺,若增加壓邊力,在圖2(C)中的“4”位置附近撕裂。5M上、下半部成形過程是一個純塑性彎曲過程,成形時,毛料變形區(qū)的材料完全處于塑性變形狀態(tài),可能產(chǎn)生起皺、撕裂和回彈等問題。若塑性變形以拉伸為主,變形不均勻或局部變形,將會出現(xiàn)縮頸;若以壓縮為主,材料變形區(qū)的抗失穩(wěn)起皺能力決定變形程度的大小。5M上、下半部在拉深成形時毛料外緣受徑向壓應(yīng)力,隨拉深發(fā)展,當(dāng)該徑向壓應(yīng)力達(dá)到金屬板料的抗失穩(wěn)極限時,板料表面開始起皺。起皺是拉深成形的突出問題,主要與板料厚度和毛料尺寸比例關(guān)系、板料拉深系數(shù)、成形模具凹模工作部分的幾何形狀、模具間隙的大小和均勻性有關(guān)。上述成形缺陷的問題影響了燃機5M過渡段零件成功開發(fā),為解決成形困難,經(jīng)過分析,在保證零件使用功能的條件下,減小零件的軸向長度,能夠改善零件的成形質(zhì)量,因此,將零件分成兩部分,5M-1直段圓筒(長180mm)和5M-2過渡段(長685.5mm),即增加一條縱向焊縫和一條環(huán)焊縫。5M-1圓筒直段上的縱向焊縫與5M-2過渡段上的兩條縱向焊縫相對角度約為90°,如圖3所示的燃機5M增加焊縫的UG數(shù)模示意圖。1.2零件型面輪廓質(zhì)量根據(jù)UG數(shù)模,將5M-2過渡段上半部進行展料計算,確定成形毛料尺寸為600×880mm。選用3840kN壓邊力拉深成形后,零件圓口端存在兩條縱向波楞,中部兩側(cè)邊緣橫向拉裂,方口端兩側(cè)面撕裂,在零件近方口端凹陷處有兩條縱向壓痕。要消除上述成形缺陷,應(yīng)降低壓邊力,消除方口端撕裂;在圓口端焊接工藝板,增強板料的橫向強度,消除成形后零件圓口端的縱向波楞。將成形毛料的圓口端焊接440×50mm的工藝板后,用2640kN的壓邊力拉深成形,零件圓口端的一側(cè)從工藝板焊縫處撕掉一斜角,圓口端波楞轉(zhuǎn)移至工藝板上,零件主體型面輪廓質(zhì)量良好。為防止成形時圓口端從焊縫處撕裂,將毛料加長至930mm,在264噸壓邊力下進行拉深成形后,型面輪廓質(zhì)量良好,圓口端的褶皺約束在零件的后續(xù)加工余量中。利用UG數(shù)模展料計算,5M-2過渡段下半部的毛料形狀為梯形,尺寸為500×600×770mm,在方口端焊接梯形工藝板,尺寸為320×400×180mm。用1200kN壓邊力成形后,主體板料兩側(cè)拉裂,圓口邊緣出現(xiàn)多個裂口,零件中部凹陷處稍微帶有波楞。但是成形后的零件軸向尺寸無加工余量,故將毛料尺寸調(diào)整至810~820mm。為防止零件成形時兩側(cè)面橫向撕裂,在成形板料的撕裂位置切割“月牙槽”,增加板料塑性變形的邊緣周長,提高板料拉伸性能。成形前的毛料尺寸如圖4所示。板料方口端焊接工藝板后,在1200kN壓邊力下進行拉深成形,零件型面輪廓質(zhì)量良好,中上部有輕微波楞,經(jīng)去應(yīng)力熱處理后模具校正和鉗工修整可以消除。毛料側(cè)面切割的“月牙槽”被拉長,從圓口至方口,月牙槽由原弦長50mm、70mm及50mm分別被拉長至60.6mm、89.8mm及57.3mm,零件減薄區(qū)的最小壁厚為2.8mm。按上述成形工藝加工的燃機5M零件獲得了較好的輪廓型面質(zhì)量。圖5給出5M過渡段零件終檢時三坐標(biāo)測量機(CMM)檢測的型面截面掃描數(shù)據(jù),從圖中可以看出,除AB-AB和M-M截面,所有的截面型面輪廓尺寸都超差,除B-B截面和C-C截面焊縫處超差大于3.5mm外,其余都在客戶可接受的3.5mm的范圍內(nèi)。1.3改進模具對材料成形的影響提高5M-2過渡段上、下半部的成形質(zhì)量,關(guān)鍵是設(shè)計新的成形模具,只有提高零件的成形型面輪廓質(zhì)量才能最終提高零件交付質(zhì)量。根據(jù)零件成形生產(chǎn)中存在的問題,改進了零件的成形工藝,提出了理想的成形模具結(jié)構(gòu),盡可能消除零件成形中產(chǎn)生的不可消除的輪廓質(zhì)量缺陷。5M-2過渡段上、下半部成形以拉深彎曲為主,Hast“X”合金板料經(jīng)彈性彎曲、彈塑性彎曲進入純塑性彎曲,成形后去除外載荷,零件型面彈性回復(fù),當(dāng)回彈量超過允許容差后,零件型面輪廓尺寸偏離理論值。因此,回彈是模具設(shè)計中要考慮的重要因素,一定程度上影響零件的最終形狀和幾何精度。過渡段零件成形的回彈有兩種形式:一是沿截面徑向回彈,成形后零件開口尺寸增大;二是沿過渡段零件縱向型面的軸向回彈,成形后零件型面與縱向樣板間隙過大。新設(shè)計制造的模具克服了前期5M零件成形生產(chǎn)中的困難,新模具使5M-2上、下半部成形后降低兩種回彈量:一是新模具的凸、凹模時考慮材料的彎曲回彈量,加深凹模直邊部分,使零件直邊充分立直,毛料在成形過程中受到擠壓;二是新模具使零件方口和圓口端帶有包頭,增加約束,提高零件成形型面輪廓質(zhì)量;三是增加壓延筋結(jié)構(gòu),有目的限制成形過程材料的流動速度。改進模具所需成形毛料形狀及尺寸如圖6所示。上半部的成形壓邊力1200kN,下半部的成形壓邊力1440kN。5M-2過渡段上、下半部成形后發(fā)現(xiàn),過渡段上半部零件的型面質(zhì)量非常理想,表面光滑;下半部零件型面中部有輕微起伏波楞,經(jīng)過去應(yīng)力熱處理、激光切飛邊后校形,波紋校平,中部型面圓滑轉(zhuǎn)接。這說明5M-2過渡段零件圓口和方口的工藝包頭,增加了零件成形過程中毛料邊緣的壓邊力,消除了老模具成形后在過渡段零件上、下半部的方口端、圓口端產(chǎn)生的疊料和波楞等缺陷。改進模具的兩個側(cè)面壓延筋結(jié)構(gòu),消除了老模具成形后在零件側(cè)面產(chǎn)生肋狀波棱及在板料側(cè)面邊緣產(chǎn)生撕裂等現(xiàn)象。因此,新成形模具不僅提高了零件成形的輪廓型面質(zhì)量,而且為其他過渡段零件上、下半部成形模具的設(shè)計提供了參考。按照上述燃機5M零件的加工制造工藝,利用改進模具成形的5M-2過渡段零件上、下半部的型面輪廓質(zhì)量非常完美。圖7給出了5M零件終檢時三坐標(biāo)測量機(CMM)檢測的型面截面掃描數(shù)據(jù),從圖中可以看出,僅有A-A、B-B、C-C、D-D和J-J截面在焊縫及轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)部分超差,超差最大值為1.61mm,而其他截面均在零件設(shè)計圖紙規(guī)定的型面輪廓尺寸范圍內(nèi)。2成形模具改進2.1將燃機5M過渡