于海艷，楊開黎

（1. 哈爾濱電氣動力裝備有限公司，哈爾濱 150000；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

引言

葉片是水輪機中的關鍵部件，葉片的質量直接影響到整個水輪機組的運行壽命、效率、空化性能、出力、抗氣蝕性能和運行穩(wěn)定性等。水輪機葉片由于其曲面形狀較為復雜，表面質量要求很高，所以其制造工藝尤為重要[1]。

目前水輪機葉片的加工工藝主要有三種：(1)砂型鑄造工藝(2)數控加工(3)熱成形工藝。砂型鑄造工藝容易在葉片表面出現縮孔、裂紋和缺肉等鑄造缺陷，而且后續(xù)的打磨拋光勞動強度很大，得到的葉片形線不準確，葉片的表面質量較差。數控加工方法是目前應用較廣的方法之一，但是此加工方法對原材料利用率低，而且由于毛坯表面的流線被切斷、微觀組織較粗大，所以成形后的葉片綜合機械性能較差。熱成形工藝是指利用模鍛的方法來成形水輪機葉片，此工藝可以提高毛坯的利用率，鍛后的葉片表面狀態(tài)較好，葉片內的微觀組織細小且均勻，葉片的綜合機械性能較高[2-4]。

由于常規(guī)的水輪機葉片尺寸巨大，所需的成形溫度高、壓力機的開間大、噸位高、熱成形模具造價昂貴。本課題擬對水輪機葉片的模擬件進行熱模鍛，以得到合理的工藝路線。

1 試驗材料與方法

本文采用Q235鋼為葉片模擬件的材料。Q235鋼的晶粒形態(tài)為等軸狀，包含先共析的鐵素體，位于晶界處的珠光體，該材料的強度、塑性等綜合性能較好。

2 試驗結果與討論

2.1 傳統(tǒng)鍛造工藝試驗方案

根據試驗要求，設計了如下的葉片坯形狀與尺寸，如圖1所示。并加工了一套葉片成形的鍛模。模具的材料為 H13。鍛模的模膛部分采用電火花加工，其他部分采用傳統(tǒng)的機械加工方法。模具的熱處理采用一次淬火+兩次回火。

先將Q235坯料表面及模具型腔預熱至100oC左右，把石墨潤滑劑均勻地涂在其表面，然后將坯料裝入模具中一同放入電爐中，加熱到500oC保溫1h。最后放在300t壓力機下快速鍛造，在空氣中直接開模取件。如下圖2所示為此工藝成形后的葉片實物圖。從圖可以看出，飛邊較多，葉片的榫頭和葉身連接處出現凸臺，葉身的前端出現缺肉。

圖1 葉片坯料形狀和尺寸

圖2 Q235鋼鍛件

2.2 傳統(tǒng)鍛造工藝有限元分析

用三維有限元模擬軟件3D-DEFORM對以上成形過程進行了有限元分析。整個成形過程設置為等溫過程，上下模和坯料的溫度設定為500oC。熱摩擦系數設定為0.3。利用熱模擬試驗機GLEEBLE-1500在500oC對 Q235作熱壓縮實驗(應變ξ=0.7，應變速率=0.1,0.01,0.001)，建立了相應的本構關系，導入DEFORM-3D材料庫中，最終計算得到如圖(3)的葉片最終成形圖和圖4、5所示的等效應變和溫度場分布圖。

圖3 葉片最終成形圖

圖4 等效應變分布圖

從圖3可以看出，葉片最終成形件的飛邊較多，榫頭與葉身的連接處出現凸臺，葉身前端并未填充完成。從圖4可以看出，在整個變形過程中葉身兩側的進氣邊附近以及榫頭與葉身過渡區(qū)域應變形量較大。從圖5可以看出，溫度較高的區(qū)域主要集中在榫頭和葉身前端，由于鍛件直接在空氣中開模，葉身前端的金屬降溫較快，開模后一部分金屬黏在了模膛內造成了缺肉。

圖5 溫度場分布圖

2.3 改進后的鍛造成形工藝試驗方案

為了改善葉片的成形效果，必須對模具和葉片坯重新設計。為此重新加工了K403模具。鑄態(tài)K403在900oC的強度能達到700～800MPa，可以減少在鍛造過程中的磨損，同時增加模具的強度。模具的模膛部分采用電火花加工，其他部分采用機械加工，加工完畢不需要進行熱處理。

針對傳統(tǒng)鍛造工藝中水輪機葉片模擬件的缺陷分析，重新設計了坯料形狀、鍛造工藝和后續(xù)的去應力退火工藝。將裝配好后的模具以及葉片坯，一起裝入700oC的電爐中，保溫1h，然在壓力機上鍛造。鍛造完畢，將未開模的模具整體放入200oC的爐中進行去應力退火，待冷卻至室溫再開模，之后對鍛件的飛邊進行加工得到如下圖6所示的水輪機葉片模擬鍛件[5]。

圖6 改進工藝后的葉片鍛件

由圖7可以看出，金屬填充性良好，飛邊較少，無凸臺和缺肉等成形缺陷。

3 結論

(1)葉片坯料的形狀和尺寸設計應該合理，避免因分料不合理造成的凸臺和飛邊過多；

(2)成形后，應對鍛件進行適當去應力退火處理，消除鍛件在開模過程中由于降溫過快造成的缺肉。

[1]賀元. 水輪機葉片制造技術[J]. 東方電氣評論，2004, 18(4): 210-214.

[2]賴喜德. 大型X混流式水輪機葉片五軸聯(lián)動數控加工技術 [J]. 兵工自動化，2001, 61(3): 40-43.

[3]王地召，王貞凱. 水輪機轉輪葉片模壓成型技術[J]. 東方電氣評論，2006, 20(1): 42-46.

[4]王樂安. 難變形合金鍛件生產技術 [M]. 國防工業(yè)出版社, 2005: 8.

[5]呂炎。鍛件缺陷分析與對策 [M]. 機械工業(yè)出版社, 1999: 99.