一種發(fā)電機護環(huán)鐓粗脹形復合強化方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種發(fā)電機護環(huán)鐓粗脹形復合強化方法，其內容是：將護環(huán)毛坯置于下模的錐面上，上模通過與減力柱的配合置于護環(huán)毛坯的上端面的錐面上；將高壓液體從下模通過減力柱注入護環(huán)毛坯與減力柱之間的環(huán)形空腔，施加液體壓力于護環(huán)毛坯內壁，通過上模向護環(huán)毛坯施加軸向壓縮載荷；護環(huán)毛坯在內壓壓力與軸向壓縮載荷的共同作用下產生塑性變形達到使護環(huán)毛坯強化的目的；在滿足護環(huán)材料屈服條件的前提下，每一組確定的軸向壓縮載荷和徑向載荷內壓壓力及其變化規(guī)則構成一個加載路徑，調整內壓壓力與軸向壓縮載荷之間的比例獲得不同的加載路徑；根據塑性力學本構關系，將對內壓壓力與軸向壓縮載荷的控制轉換為對上模的壓下速度v和高壓液體進入環(huán)坯內腔的流量控制。
【專利說明】
一種發(fā)電機護環(huán)鐓粗脹形復合強化方法
技術領域：
[0001] 本發(fā)明涉及汽輪發(fā)電機和核電發(fā)電機技術領域，尤其涉及一種發(fā)電機護環(huán)鐓粗、 脹形復合強化方法。
【背景技術】：
[0002] 護環(huán)是汽輪發(fā)電機組及核電發(fā)電機組中的關鍵鍛件，它與轉子的兩端過盈配合， 將轉子端部線圈緊壓在轉軸上，防止其在離心力的作用下向外飛出。護環(huán)隨著轉子做高速 旋轉，除承受轉子繞組端部、自身的巨大離心力及線圈繞線對護環(huán)的迭加載荷外，同時還要 承受熱裝時的裝配應力，受力狀況復雜、工作環(huán)境惡劣。為了保證發(fā)電機組的安全運轉，要 求護環(huán)具有較高的屈服強度、良好的塑性韌性、均勻的力學性能和小的殘余應力。一般容量 在300MW以上的大型汽輪機發(fā)電機護環(huán)，要求屈服強度在lOOOMPa以上。核電發(fā)電機對護環(huán) 屈服強度的要求更高，通常為1350-1400MPa。
[0003] 另一方面，護環(huán)在強磁場和有腐蝕介質的環(huán)境中工作，必須采用奧氏體無磁鋼來 制造。目前國內外護環(huán)生產廠都采用Mnl8Crl8N鋼生產制造大容量機組的護環(huán)鍛件，這種鋼 材熱鍛后屈服強度一般為400MPa左右，經過固溶處理以后，其屈服強度可升高到600MPa左 右，遠不能達到對護環(huán)的力學性能要求。
[0004] Mnl8Crl8N材料是單相奧氏體組織，沒有相變，不能用常規(guī)熱處理方法來提高其力 學性能，只能通過冷塑性變形的強化效應來提高其強度，以滿足設計所要求的力學性能指 標。
[0005] 目前，護環(huán)變形強化方法主要有楔塊擴孔成形強化技術和液壓脹形強化技術。
[0006] 20世紀80年代初，日本首先使用楔塊擴孔強化的方法，其原理如圖1所示。在護環(huán) 內放入一套由錐形沖頭Γ和扇形分瓣楔塊2'組成的擴孔模具，擴孔模具置于墊板4'之上。 在液壓機提供的載荷作用下錐形沖頭Γ下行推動楔塊產生橫向移動，護環(huán)3'機械擴脹產生 塑性變形而達到強化的目的。這種方法的特點是切向變形不均勻，環(huán)坯變形后截面呈梅花 狀。為了減緩此種現象，只能采用多工步逐次變形的方式，錐形沖頭每提起壓下一次為一個 工步。每個相鄰工步之間，環(huán)坯按規(guī)定轉動一定角度。該法生產效率極低，生產一個300MW的 護環(huán)就需要8個小時。另外，楔塊擴孔強化的操作難度大、模具加工困難，因而生產成本很 尚。
[0007] 1960法國人發(fā)明了發(fā)電機護環(huán)液壓脹形強化專利技術。在法國人專利技術的基礎 上，護環(huán)液壓脹形強化技術在國內外不斷改進和發(fā)展，形成了若干種不同的技術分支。代表 國內外先進技術水平的是"外補液液壓脹形強化工藝"，其工作原理如圖2所示。護環(huán)毛坯置 于下模4"之上，高壓栗(或增壓器）向護環(huán)毛坯內部加注高壓液體，在此高壓液體的作用下， 護環(huán)毛坯產生塑性變形，達到強化的目的。護環(huán)毛坯上下端面的內壁處設置一個狹窄的倒 角帶，上模1"、下模4"的錐角與該倒角帶相配合，施加到上模1"、下模4"上的合模力P"將上 模Γ和下模4"壓靠在環(huán)坯的倒角斜面上，起到對環(huán)坯內高壓液體的密封作用。減力柱3"的 作用在于減小上模1"、下模4"與高壓液體的接觸面積，從而減小所需要的合模力。類似的護 環(huán)液壓脹形強化工藝從技術原理上都是相同的，只不過是合模力P"和高壓液體的產生及提 供方式有所不同而已。在現有液壓脹形強化技術條件下，無論采用哪種方法，護環(huán)毛坯的變 形特征均是高度減小，內、外徑增大，厚度減小。上下沖頭施加于模具上的軸向載荷(合模 力），主要是在脹形過程中起密封作用，而對護環(huán)產生塑性變形的貢獻很小，可以忽略不計。 所以從力學的角度來看，均可視為軸對稱平面應力問題，此類工藝中，環(huán)坯的應力狀態(tài)近 似于受均布內壓作用的厚壁圓筒模型:徑向為壓縮應力，切向為拉伸應力，而切向拉應力的 數值要比徑向壓應力的數值大得多，脹形過程中環(huán)坯上任意一點的應力球張量均大于0,因 而會降低護環(huán)材料的塑性。當護環(huán)(特別是核電發(fā)電機護環(huán))強化工藝要求較大的變形程度 時，護環(huán)會出現脹裂缺陷。另外，此類工脹形工藝，脹形前后坯料與護環(huán)的尺寸關系是一一 對應的，故而對坯料尺寸的要求極為嚴格，稍一不慎就會因尺寸問題出現廢品。
[0008] 本發(fā)明提供的脹形、鐓粗護環(huán)復合強化工藝可以克服現有護環(huán)液壓脹形工藝的上 述不足。

【發(fā)明內容】

[0009] 本發(fā)明針對高強度發(fā)電機護環(huán)液壓脹形強化技術現狀，提供一種高強度護環(huán)鐓粗 脹形復合強化工藝方法。
[0010] 本發(fā)明的技術原理是，采用一種徑向、軸向同時加載的雙向加載方式來實現護環(huán) 變形強化。軸向加載對環(huán)坯進行鐓粗，徑向加載對環(huán)坯進行脹形。
[0011] 本發(fā)明是通過以下技術方案實現的：
[0012] -種發(fā)電機護環(huán)鐓粗脹形復合強化方法，該方法實現有賴于模具裝置及其裝配關 系，所述模具裝置包括上模、減力柱和下模;所述模具裝置與護環(huán)毛坯的裝配關系是：護環(huán) 毛坯的上端面和下端面各加工一個錐面，錐面傾角β等于護環(huán)毛坯端面與上模、下模接觸面 之間的摩擦角；上模與下模設置相同的錐面與護環(huán)毛坯的上端面和下端面相適應;該方法 包括如下步驟：
[0013] 1)將護環(huán)毛坯置于下模的錐面上，中空的上模通過與減力柱的配合置于護環(huán)毛坯 的上端面的錐面上；在圓筒形護環(huán)毛坯的上端面和下端面各加工一個錐面，錐面母線與徑 向的夾角等于模具裝置與護環(huán)毛坯材料之間的摩擦系數所對應的摩擦角;上模、下模與護 環(huán)毛坯接觸面均為錐面結構，其錐角與護環(huán)毛坯上端面和下端面的錐面相對應；
[0014] 2)采用高壓栗或通過增壓器將高壓液體從下模通過減力柱注入護環(huán)毛坯與減力 柱之間的環(huán)形空腔，施加液體壓力Ρ于護環(huán)毛坯內壁，實現對護環(huán)毛坯的徑向加載，使其產 生脹形的效果;利用液壓機或專用裝置通過上模向護環(huán)毛坯施加軸向壓縮載荷F，使之產生 鐓粗的效果，同時對護環(huán)毛坯內部的高壓液體起密封作用；軸向與徑向同時加載或者按照 不同的順序使護環(huán)毛坯產生鐓粗和脹形的復合變形，達到使其強化的目的；
[0015] 3)護環(huán)毛坯在內壓壓力ρ與軸向壓縮載荷F的共同作用下產生塑性變形達到使護 環(huán)毛坯強化的目的;在滿足護環(huán)材料屈服條件的前提下，每一組確定的軸向壓縮載荷F和徑 向載荷內壓壓力Ρ及其變化規(guī)則構成一個加載路徑，調整內壓壓力Ρ與軸向壓縮載荷F之間 的比例獲得不同的加載路徑;在滿足護環(huán)毛坯強化要求的條件下，對于具有確定的力學性 能的護環(huán)毛坯而言，可以根據材料的塑性指標及液壓機的力能參數選擇合理的加載路徑。
[0016] 4)在護環(huán)毛坯強化過程中內壓壓力ρ與軸向壓縮載荷F難于控制，根據塑性力學本 構關系，將對內壓壓力P與軸向壓縮載荷F的控制轉換為對上模的壓下速度V和高壓液體進 入環(huán)坯內腔的流量Q控制。
[0017] 采用本發(fā)明提供的一種發(fā)電機護環(huán)鐓粗脹形復和強化方法，與現有技術相比具有 這樣的有益效果：
[0018] 1、可以使護環(huán)獲得更大的變形程度，因而能夠取得更好的強化效果。軸向壓縮載 荷使護環(huán)毛坯內部產生軸向壓應力，按照屈服準則，此時護環(huán)毛坯變形所需要的內壓壓力P 相應減小，這兩方面的因素使得護環(huán)毛坯內部的靜水壓力增大，故而能夠獲得比單純液壓 脹形更大的變形程度，實現比單純液壓脹形更有效的強化效果。這一點對于護環(huán)強度要求 更高的核電護環(huán)尤為重要。
[0019] 2、護環(huán)的殘余應力小。護環(huán)脹形后殘余應力的大小也是衡量其質量的一個重要指 標。為了獲得良好的服役性能，要求護環(huán)內部的殘余應力盡可能小。如果潤滑措施得當，鐓 粗可使護環(huán)毛坯獲得幾近完美的均勻變形效果，鐓粗脹形復合強化工藝中，鐓粗因素所含 比例越大，變形的均勻性就越好，殘余應力也就越小。復合強化工藝要比單純脹形強化工藝 的變形均勻性要好，因而殘余應力也小。
[0020] 3、護環(huán)毛坯尺寸范圍廣，加載路徑具有多樣性。現有的液壓脹形強化技術只有一 種加載路徑，在脹形前后性能指標確定的條件下，脹形前后的幾何尺寸具有一一對應的確 定關系，因而對護環(huán)毛坯的尺寸要求極為嚴格，稍有差錯，就會因尺寸問題而出現廢品。采 用本發(fā)明提供的方法，強化過程可以采用不同的徑向載荷內壓壓力P與軸向壓縮載荷F的匹 配，每一種內壓壓力P與軸向壓縮載荷F的組合對應一種加載路徑。所以對于具有確定性能 要求及尺寸的護環(huán)產品而言，可以根據材料的塑性性能指標、成形設備的力能參數選擇合 適的加載路徑，同時不同的加載路徑對應著不同的護環(huán)毛坯尺寸，因而本發(fā)明提供的復合 強化方法可以采用多種加載路徑和相應的環(huán)坯原始尺寸。即使環(huán)坯鍛后或在強化過程中出 現尺寸偏差，亦可以適時調整加載路徑，生產出合格產品。
【附圖說明】
[0021 ]圖1是楔塊擴孔強化模具及其工作原理示意圖；
[0022] 圖中：Γ-沖頭2'-分瓣楔塊3'-環(huán)坯4'-墊板；
[0023]圖2是液壓脹形模具結構及工作原理示意圖；
[0024] Γ-上模2"_環(huán)坯3"_減力柱4"_下模；
[0025] 圖3是本發(fā)明提供的發(fā)電機護環(huán)鐓粗脹形復合強化方法的模具結構及工作原理示 意圖；
[0026] 1-上模2-護環(huán)毛坯3-減力柱4-下模；
[0027] 圖4是護環(huán)毛坯上下端錐面結構示意圖。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖與【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細描述：
[0029] -種發(fā)電機護環(huán)鐓粗脹形復強化方法，該方法實現有賴于模具裝置及其裝配關 系，本發(fā)明提供的發(fā)電機護環(huán)鐓粗脹形復合強化方法的模具結構及工作原理示意圖如圖3 所示，所述模具裝置包括上模1、減力柱3和下模4;所述模具裝置與護環(huán)毛坯2的裝配關系 是：護環(huán)毛坯2的上端面和下端面各加工一個錐面，錐面傾角β等于護環(huán)毛坯端面與上模和 下模接觸面之間的摩擦角，護環(huán)毛坯上下端錐面結構示意圖如圖4所示;上模1與下模4亦設 置相同的錐面與護環(huán)毛坯2上端面和下端面相適應;減力柱3可與下模4做成一體，亦可分開 制作后通過合適的方式連接成一個整體;該方法內容包括如下步驟：
[0030] 1)將護環(huán)毛坯2置于下模4的錐面上，中空的上模1通過與減力柱3的配合置于護環(huán) 毛坯2的上端面的錐面上；在圓筒形護環(huán)毛坯2的上端面和下端面各加工一個錐面，錐面母 線與徑向的夾角等于模具裝置與護環(huán)毛坯2材料之間的摩擦系數對應的摩擦角；上模1、下 模4與護環(huán)毛坯2接觸面均為錐面結構，其錐角與護環(huán)毛坯2上端面和下端面的錐面相對應； 采用高壓栗或通過增壓器將高壓液體注入護環(huán)毛坯2與減力柱3之間的空腔，實現徑向加 載，使護環(huán)毛坯2產生脹形的效果;利用液壓機或專用裝置通過上模1向護環(huán)毛坯2施加軸向 載荷，使護環(huán)毛坯2產生鐓粗的效果，同時對護環(huán)毛坯2內部的高壓液體起密封作用；
[0031] 2)高壓液體從下模通過減力柱3進入護環(huán)毛坯2與減力柱3之間的環(huán)形空腔，施加 均布的液體壓力Ρ于護環(huán)毛坯2內壁，使其產生脹形的效果。液壓機或專用加載設備通過模 具裝置對護環(huán)毛坯2施加軸向壓縮載荷F使其產生鐓粗效果，同時對護環(huán)毛坯2內部的高壓 液體起密封作用。在液體壓力Ρ與軸向壓縮載荷F的共同作用下，護環(huán)毛坯2產生脹形與鐓粗 的復合塑性變形，達到強化的目的；
[0032] 3)每一組軸向載荷和徑向載荷的組合及其變化規(guī)律構成一個加載路徑;在滿足護 環(huán)毛坯2強化要求的條件下，對于具有確定性能要求的護環(huán)毛坯2及材料性能確定的護環(huán)毛 坯2,根據材料的塑性指標及液壓機的力能參數選擇合理的加載路徑：即采用不同的軸向載 荷(即鐓粗力)和徑向載荷(即高壓液體壓力)相匹配；
[0033] 4)由于工藝實施過程中液體壓力ρ與軸向壓縮載荷F難于控制，根據塑性力學本構 關系，將對液體壓力Ρ與軸向壓縮載荷F的控制轉換為對上模1的壓下速度V和高壓液體進入 護環(huán)毛坯2內腔流量Q的控制；
[0034] 某成品護環(huán)尺寸要求為內徑1000mm，外徑1250mm，高度8 00mm，選用材料為 Mnl8Crl8N。護環(huán)產品要求其內壁處的屈服強度為1300MPa，材料的硬化特性為
[0035] σ = 6G6 + 2174^
[0036] 護環(huán)內壁的等效應變需達到0.319方能達到要求的性能指標。經測試，護環(huán)毛坯與 模具裝置之間的摩擦系數為〇. 12，故護環(huán)毛坯上端錐面和下端錐面的傾角均為β = 6.8°。 [0037] 實施例1
[0038] 護環(huán)強化過程中，取其軸向應變?yōu)?0.2,相應的護環(huán)毛坯內徑切向應變?yōu)?.315。 故而可得護環(huán)毛坯高度為977.1，護環(huán)毛坯外徑為912.2，由體積不變條件得護環(huán)毛坯外徑 為609.6。對上述數據按照預留一定加工余量的原則適當圓整：護環(huán)毛還高度980mm，內徑 610mm，外徑915mm。調整壓機壓下速度及高壓液體進入護環(huán)毛坯內腔的流量，使上模下壓速 度與護環(huán)毛坯內壁或（外壁)直徑的增大速度相匹配，即可得到性能及尺寸符合要求的護 環(huán)。
[0039] 實施例2
[0040] 護環(huán)尺寸及要求同實施例1。護環(huán)強化過程中，取其軸向應變?yōu)?0.25,相應的護環(huán) 毛坯外徑切向應變?yōu)?.297。故而可得護環(huán)毛坯高度為1027.2，護環(huán)毛坯外徑為928.8，由體 積不變條件可得護環(huán)毛坯內徑為651.6。對上述數據按照預留一定加工余量的原則適當圓 整:護環(huán)毛還高度1030mm，內徑760mm，外徑1015mm。調整壓機壓下速度及高壓液體進入護環(huán) 毛坯內腔的流量，使上模下壓速度與護環(huán)毛坯內壁或（外壁)直徑的增大速度相匹配，即可 得到性能及尺寸符合要求的護環(huán)。
[0041 ] 實施例3
[0042] 護環(huán)強化過程中，取其軸向應變?yōu)?0.28,相應的護環(huán)毛坯外徑切向應變?yōu)?.272。 故而可得護環(huán)毛坯高度為1058.5，護環(huán)毛坯外徑為952.3，由體積不變條件可得護環(huán)毛坯內 徑為694.1。對上述數據按照預留一定加工余量的原則適當圓整：護環(huán)毛還高度1065mm，內 徑780mm，外徑1018mm。調整壓機壓下速度及高壓液體進入護環(huán)毛坯內腔的流量，使上模下 壓速度與護環(huán)毛坯內壁或(外壁)直徑的增大速度相匹配，即可得到性能及尺寸符合要求的 護環(huán)。
[0043] 若采用單純脹形工藝時，只有一組護環(huán)毛坯尺寸與最終護環(huán)產品的性能尺寸相對 應:高度938.3，護環(huán)毛坯外徑為908.6，由體積不變條件可得護環(huán)毛坯內徑為588.2。
【主權項】
1. 一種發(fā)電機護環(huán)鐓粗脹形復合強化方法，其特征在于：該方法實現有賴于模具裝置 及其裝配關系，所述模具裝置包括上模、減力柱和下模;所述模具裝置與護環(huán)毛坯的裝配關 系是：護環(huán)毛坯的上端面和下端面各加工一個錐面，錐面傾角β等于護環(huán)毛坯端面與上模、 下模接觸面之間的摩擦角;上模與下模設置相同的錐面與護環(huán)毛坯的上端面和下端面相適 應;該方法包括如下步驟： 1) 將護環(huán)毛坯置于下模的錐面上，中空的上模通過與減力柱的配合置于護環(huán)毛坯的上 端面的錐面上;在圓筒形護環(huán)毛坯的上端面和下端面各加工一個錐面，錐面母線與徑向的 夾角等于模具裝置與護環(huán)毛坯材料之間的摩擦系數所對應的摩擦角；上模、下模與護環(huán)毛 坯接觸面均為錐面結構，其錐角與護環(huán)毛坯上端面和下端面的錐面相對應； 2) 采用高壓栗或通過增壓器將高壓液體從下模通過減力柱注入護環(huán)毛坯與減力柱之 間的環(huán)形空腔，施加液體壓力Ρ于護環(huán)毛坯內壁，實現對護環(huán)毛坯的徑向加載，使其產生脹 形的效果;利用液壓機或專用裝置通過上模向護環(huán)毛坯施加軸向壓縮載荷F，使之產生鐓粗 的效果，同時對護環(huán)毛坯內部的高壓液體起密封作用；軸向與徑向同時加載或者按照不同 的順序使護環(huán)毛坯產生鐓粗和脹形的復合變形，達到使其強化的目的； 3) 護環(huán)毛坯在內壓壓力ρ與軸向壓縮載荷F的共同作用下產生塑性變形達到使護環(huán)毛 坯強化的目的;在滿足護環(huán)材料屈服條件的前提下，每一組確定的軸向壓縮載荷F和徑向載 荷內壓壓力Ρ及其變化規(guī)則構成一個加載路徑，調整內壓壓力Ρ與軸向壓縮載荷F之間的比 例獲得不同的加載路徑； 4) 在護環(huán)毛坯強化過程中內壓壓力ρ與軸向壓縮載荷F難于控制，根據塑性力學本構關 系，將對內壓壓力Ρ與軸向壓縮載荷F的控制轉換為對上模的壓下速度ν和高壓液體進入環(huán) 坯內腔的流量Q控制。
【文檔編號】B21K1/76GK106077419SQ201610534480
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月8日
【發(fā)明人】李緯民, 朱麗, 趙文華, 郭曉琳
【申請人】燕山大學