一种发电机护环镦粗胀形复合强化方法
【专利摘要】本发明公开了一种发电机护环镦粗胀形复合强化方法，其内容是：将护环毛坯置于下模的锥面上，上模通过与减力柱的配合置于护环毛坯的上端面的锥面上；将高压液体从下模通过减力柱注入护环毛坯与减力柱之间的环形空腔，施加液体压力于护环毛坯内壁，通过上模向护环毛坯施加轴向压缩载荷；护环毛坯在内压压力与轴向压缩载荷的共同作用下产生塑性变形达到使护环毛坯强化的目的；在满足护环材料屈服条件的前提下，每一组确定的轴向压缩载荷和径向载荷内压压力及其变化规则构成一个加载路径，调整内压压力与轴向压缩载荷之间的比例获得不同的加载路径；根据塑性力学本构关系，将对内压压力与轴向压缩载荷的控制转换为对上模的压下速度v和高压液体进入环坯内腔的流量控制。
【专利说明】
一种发电机护环镦粗胀形复合强化方法
技术领域：
[0001] 本发明涉及汽轮发电机和核电发电机技术领域，尤其涉及一种发电机护环镦粗、 胀形复合强化方法。
【背景技术】：
[0002] 护环是汽轮发电机组及核电发电机组中的关键锻件，它与转子的两端过盈配合， 将转子端部线圈紧压在转轴上，防止其在离心力的作用下向外飞出。护环随着转子做高速 旋转，除承受转子绕组端部、自身的巨大离心力及线圈绕线对护环的迭加载荷外，同时还要 承受热装时的装配应力，受力状况复杂、工作环境恶劣。为了保证发电机组的安全运转，要 求护环具有较高的屈服强度、良好的塑性韧性、均匀的力学性能和小的残余应力。一般容量 在300MW以上的大型汽轮机发电机护环，要求屈服强度在lOOOMPa以上。核电发电机对护环 屈服强度的要求更高，通常为1350-1400MPa。
[0003] 另一方面，护环在强磁场和有腐蚀介质的环境中工作，必须采用奥氏体无磁钢来 制造。目前国内外护环生产厂都采用Mnl8Crl8N钢生产制造大容量机组的护环锻件，这种钢 材热锻后屈服强度一般为400MPa左右，经过固溶处理以后，其屈服强度可升高到600MPa左 右，远不能达到对护环的力学性能要求。
[0004] Mnl8Crl8N材料是单相奥氏体组织，没有相变，不能用常规热处理方法来提高其力 学性能，只能通过冷塑性变形的强化效应来提高其强度，以满足设计所要求的力学性能指 标。
[0005] 目前，护环变形强化方法主要有楔块扩孔成形强化技术和液压胀形强化技术。
[0006] 20世纪80年代初，日本首先使用楔块扩孔强化的方法，其原理如图1所示。在护环 内放入一套由锥形冲头Γ和扇形分瓣楔块2'组成的扩孔模具，扩孔模具置于垫板4'之上。 在液压机提供的载荷作用下锥形冲头Γ下行推动楔块产生横向移动，护环3'机械扩胀产生 塑性变形而达到强化的目的。这种方法的特点是切向变形不均匀，环坯变形后截面呈梅花 状。为了减缓此种现象，只能采用多工步逐次变形的方式，锥形冲头每提起压下一次为一个 工步。每个相邻工步之间，环坯按规定转动一定角度。该法生产效率极低，生产一个300MW的 护环就需要8个小时。另外，楔块扩孔强化的操作难度大、模具加工困难，因而生产成本很 尚。
[0007] 1960法国人发明了发电机护环液压胀形强化专利技术。在法国人专利技术的基础 上，护环液压胀形强化技术在国内外不断改进和发展，形成了若干种不同的技术分支。代表 国内外先进技术水平的是"外补液液压胀形强化工艺"，其工作原理如图2所示。护环毛坯置 于下模4"之上，高压栗(或增压器）向护环毛坯内部加注高压液体，在此高压液体的作用下， 护环毛坯产生塑性变形，达到强化的目的。护环毛坯上下端面的内壁处设置一个狭窄的倒 角带，上模1"、下模4"的锥角与该倒角带相配合，施加到上模1"、下模4"上的合模力P"将上 模Γ和下模4"压靠在环坯的倒角斜面上，起到对环坯内高压液体的密封作用。减力柱3"的 作用在于减小上模1"、下模4"与高压液体的接触面积，从而减小所需要的合模力。类似的护 环液压胀形强化工艺从技术原理上都是相同的，只不过是合模力P"和高压液体的产生及提 供方式有所不同而已。在现有液压胀形强化技术条件下，无论采用哪种方法，护环毛坯的变 形特征均是高度减小，内、外径增大，厚度减小。上下冲头施加于模具上的轴向载荷(合模 力），主要是在胀形过程中起密封作用，而对护环产生塑性变形的贡献很小，可以忽略不计。 所以从力学的角度来看，均可视为轴对称平面应力问题，此类工艺中，环坯的应力状态近 似于受均布内压作用的厚壁圆筒模型:径向为压缩应力，切向为拉伸应力，而切向拉应力的 数值要比径向压应力的数值大得多，胀形过程中环坯上任意一点的应力球张量均大于0,因 而会降低护环材料的塑性。当护环(特别是核电发电机护环)强化工艺要求较大的变形程度 时，护环会出现胀裂缺陷。另外，此类工胀形工艺，胀形前后坯料与护环的尺寸关系是一一 对应的，故而对坯料尺寸的要求极为严格，稍一不慎就会因尺寸问题出现废品。
[0008] 本发明提供的胀形、镦粗护环复合强化工艺可以克服现有护环液压胀形工艺的上 述不足。
【发明内容】
[0009] 本发明针对高强度发电机护环液压胀形强化技术现状，提供一种高强度护环镦粗 胀形复合强化工艺方法。
[0010] 本发明的技术原理是，采用一种径向、轴向同时加载的双向加载方式来实现护环 变形强化。轴向加载对环坯进行镦粗，径向加载对环坯进行胀形。
[0011] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0012] -种发电机护环镦粗胀形复合强化方法，该方法实现有赖于模具装置及其装配关 系，所述模具装置包括上模、减力柱和下模;所述模具装置与护环毛坯的装配关系是：护环 毛坯的上端面和下端面各加工一个锥面，锥面倾角β等于护环毛坯端面与上模、下模接触面 之间的摩擦角；上模与下模设置相同的锥面与护环毛坯的上端面和下端面相适应;该方法 包括如下步骤：
[0013] 1)将护环毛坯置于下模的锥面上，中空的上模通过与减力柱的配合置于护环毛坯 的上端面的锥面上；在圆筒形护环毛坯的上端面和下端面各加工一个锥面，锥面母线与径 向的夹角等于模具装置与护环毛坯材料之间的摩擦系数所对应的摩擦角;上模、下模与护 环毛坯接触面均为锥面结构，其锥角与护环毛坯上端面和下端面的锥面相对应；
[0014] 2)采用高压栗或通过增压器将高压液体从下模通过减力柱注入护环毛坯与减力 柱之间的环形空腔，施加液体压力Ρ于护环毛坯内壁，实现对护环毛坯的径向加载，使其产 生胀形的效果;利用液压机或专用装置通过上模向护环毛坯施加轴向压缩载荷F，使之产生 镦粗的效果，同时对护环毛坯内部的高压液体起密封作用；轴向与径向同时加载或者按照 不同的顺序使护环毛坯产生镦粗和胀形的复合变形，达到使其强化的目的；
[0015] 3)护环毛坯在内压压力ρ与轴向压缩载荷F的共同作用下产生塑性变形达到使护 环毛坯强化的目的;在满足护环材料屈服条件的前提下，每一组确定的轴向压缩载荷F和径 向载荷内压压力Ρ及其变化规则构成一个加载路径，调整内压压力Ρ与轴向压缩载荷F之间 的比例获得不同的加载路径;在满足护环毛坯强化要求的条件下，对于具有确定的力学性 能的护环毛坯而言，可以根据材料的塑性指标及液压机的力能参数选择合理的加载路径。
[0016] 4)在护环毛坯强化过程中内压压力ρ与轴向压缩载荷F难于控制，根据塑性力学本 构关系，将对内压压力P与轴向压缩载荷F的控制转换为对上模的压下速度V和高压液体进 入环坯内腔的流量Q控制。
[0017] 采用本发明提供的一种发电机护环镦粗胀形复和强化方法，与现有技术相比具有 这样的有益效果：
[0018] 1、可以使护环获得更大的变形程度，因而能够取得更好的强化效果。轴向压缩载 荷使护环毛坯内部产生轴向压应力，按照屈服准则，此时护环毛坯变形所需要的内压压力P 相应减小，这两方面的因素使得护环毛坯内部的静水压力增大，故而能够获得比单纯液压 胀形更大的变形程度，实现比单纯液压胀形更有效的强化效果。这一点对于护环强度要求 更高的核电护环尤为重要。
[0019] 2、护环的残余应力小。护环胀形后残余应力的大小也是衡量其质量的一个重要指 标。为了获得良好的服役性能，要求护环内部的残余应力尽可能小。如果润滑措施得当，镦 粗可使护环毛坯获得几近完美的均匀变形效果，镦粗胀形复合强化工艺中，镦粗因素所含 比例越大，变形的均匀性就越好，残余应力也就越小。复合强化工艺要比单纯胀形强化工艺 的变形均匀性要好，因而残余应力也小。
[0020] 3、护环毛坯尺寸范围广，加载路径具有多样性。现有的液压胀形强化技术只有一 种加载路径，在胀形前后性能指标确定的条件下，胀形前后的几何尺寸具有一一对应的确 定关系，因而对护环毛坯的尺寸要求极为严格，稍有差错，就会因尺寸问题而出现废品。采 用本发明提供的方法，强化过程可以采用不同的径向载荷内压压力P与轴向压缩载荷F的匹 配，每一种内压压力P与轴向压缩载荷F的组合对应一种加载路径。所以对于具有确定性能 要求及尺寸的护环产品而言，可以根据材料的塑性性能指标、成形设备的力能参数选择合 适的加载路径，同时不同的加载路径对应着不同的护环毛坯尺寸，因而本发明提供的复合 强化方法可以采用多种加载路径和相应的环坯原始尺寸。即使环坯锻后或在强化过程中出 现尺寸偏差，亦可以适时调整加载路径，生产出合格产品。
【附图说明】
[0021 ]图1是楔块扩孔强化模具及其工作原理示意图；
[0022] 图中：Γ-冲头2'-分瓣楔块3'-环坯4'-垫板；
[0023]图2是液压胀形模具结构及工作原理示意图；
[0024] Γ-上模2"_环坯3"_减力柱4"_下模；
[0025] 图3是本发明提供的发电机护环镦粗胀形复合强化方法的模具结构及工作原理示 意图；
[0026] 1-上模2-护环毛坯3-减力柱4-下模；
[0027] 图4是护环毛坯上下端锥面结构示意图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图与【具体实施方式】对本发明作进一步详细描述：
[0029] -种发电机护环镦粗胀形复强化方法，该方法实现有赖于模具装置及其装配关 系，本发明提供的发电机护环镦粗胀形复合强化方法的模具结构及工作原理示意图如图3 所示，所述模具装置包括上模1、减力柱3和下模4;所述模具装置与护环毛坯2的装配关系 是：护环毛坯2的上端面和下端面各加工一个锥面，锥面倾角β等于护环毛坯端面与上模和 下模接触面之间的摩擦角，护环毛坯上下端锥面结构示意图如图4所示;上模1与下模4亦设 置相同的锥面与护环毛坯2上端面和下端面相适应;减力柱3可与下模4做成一体，亦可分开 制作后通过合适的方式连接成一个整体;该方法内容包括如下步骤：
[0030] 1)将护环毛坯2置于下模4的锥面上，中空的上模1通过与减力柱3的配合置于护环 毛坯2的上端面的锥面上；在圆筒形护环毛坯2的上端面和下端面各加工一个锥面，锥面母 线与径向的夹角等于模具装置与护环毛坯2材料之间的摩擦系数对应的摩擦角；上模1、下 模4与护环毛坯2接触面均为锥面结构，其锥角与护环毛坯2上端面和下端面的锥面相对应； 采用高压栗或通过增压器将高压液体注入护环毛坯2与减力柱3之间的空腔，实现径向加 载，使护环毛坯2产生胀形的效果;利用液压机或专用装置通过上模1向护环毛坯2施加轴向 载荷，使护环毛坯2产生镦粗的效果，同时对护环毛坯2内部的高压液体起密封作用；
[0031] 2)高压液体从下模通过减力柱3进入护环毛坯2与减力柱3之间的环形空腔，施加 均布的液体压力Ρ于护环毛坯2内壁，使其产生胀形的效果。液压机或专用加载设备通过模 具装置对护环毛坯2施加轴向压缩载荷F使其产生镦粗效果，同时对护环毛坯2内部的高压 液体起密封作用。在液体压力Ρ与轴向压缩载荷F的共同作用下，护环毛坯2产生胀形与镦粗 的复合塑性变形，达到强化的目的；
[0032] 3)每一组轴向载荷和径向载荷的组合及其变化规律构成一个加载路径;在满足护 环毛坯2强化要求的条件下，对于具有确定性能要求的护环毛坯2及材料性能确定的护环毛 坯2,根据材料的塑性指标及液压机的力能参数选择合理的加载路径：即采用不同的轴向载 荷(即镦粗力)和径向载荷(即高压液体压力)相匹配；
[0033] 4)由于工艺实施过程中液体压力ρ与轴向压缩载荷F难于控制，根据塑性力学本构 关系，将对液体压力Ρ与轴向压缩载荷F的控制转换为对上模1的压下速度V和高压液体进入 护环毛坯2内腔流量Q的控制；
[0034] 某成品护环尺寸要求为内径1000mm，外径1250mm，高度8 00mm，选用材料为 Mnl8Crl8N。护环产品要求其内壁处的屈服强度为1300MPa，材料的硬化特性为
[0035] σ = 6G6 + 2174^
[0036] 护环内壁的等效应变需达到0.319方能达到要求的性能指标。经测试，护环毛坯与 模具装置之间的摩擦系数为〇. 12，故护环毛坯上端锥面和下端锥面的倾角均为β = 6.8°。 [0037] 实施例1
[0038] 护环强化过程中，取其轴向应变为-0.2,相应的护环毛坯内径切向应变为0.315。 故而可得护环毛坯高度为977.1，护环毛坯外径为912.2，由体积不变条件得护环毛坯外径 为609.6。对上述数据按照预留一定加工余量的原则适当圆整：护环毛还高度980mm，内径 610mm，外径915mm。调整压机压下速度及高压液体进入护环毛坯内腔的流量，使上模下压速 度与护环毛坯内壁或（外壁)直径的增大速度相匹配，即可得到性能及尺寸符合要求的护 环。
[0039] 实施例2
[0040] 护环尺寸及要求同实施例1。护环强化过程中，取其轴向应变为-0.25,相应的护环 毛坯外径切向应变为0.297。故而可得护环毛坯高度为1027.2，护环毛坯外径为928.8，由体 积不变条件可得护环毛坯内径为651.6。对上述数据按照预留一定加工余量的原则适当圆 整:护环毛还高度1030mm，内径760mm，外径1015mm。调整压机压下速度及高压液体进入护环 毛坯内腔的流量，使上模下压速度与护环毛坯内壁或（外壁)直径的增大速度相匹配，即可 得到性能及尺寸符合要求的护环。
[0041 ] 实施例3
[0042] 护环强化过程中，取其轴向应变为-0.28,相应的护环毛坯外径切向应变为0.272。 故而可得护环毛坯高度为1058.5，护环毛坯外径为952.3，由体积不变条件可得护环毛坯内 径为694.1。对上述数据按照预留一定加工余量的原则适当圆整：护环毛还高度1065mm，内 径780mm，外径1018mm。调整压机压下速度及高压液体进入护环毛坯内腔的流量，使上模下 压速度与护环毛坯内壁或(外壁)直径的增大速度相匹配，即可得到性能及尺寸符合要求的 护环。
[0043] 若采用单纯胀形工艺时，只有一组护环毛坯尺寸与最终护环产品的性能尺寸相对 应:高度938.3，护环毛坯外径为908.6，由体积不变条件可得护环毛坯内径为588.2。
【主权项】
1. 一种发电机护环镦粗胀形复合强化方法，其特征在于：该方法实现有赖于模具装置 及其装配关系，所述模具装置包括上模、减力柱和下模;所述模具装置与护环毛坯的装配关 系是：护环毛坯的上端面和下端面各加工一个锥面，锥面倾角β等于护环毛坯端面与上模、 下模接触面之间的摩擦角;上模与下模设置相同的锥面与护环毛坯的上端面和下端面相适 应;该方法包括如下步骤： 1) 将护环毛坯置于下模的锥面上，中空的上模通过与减力柱的配合置于护环毛坯的上 端面的锥面上;在圆筒形护环毛坯的上端面和下端面各加工一个锥面，锥面母线与径向的 夹角等于模具装置与护环毛坯材料之间的摩擦系数所对应的摩擦角；上模、下模与护环毛 坯接触面均为锥面结构，其锥角与护环毛坯上端面和下端面的锥面相对应； 2) 采用高压栗或通过增压器将高压液体从下模通过减力柱注入护环毛坯与减力柱之 间的环形空腔，施加液体压力Ρ于护环毛坯内壁，实现对护环毛坯的径向加载，使其产生胀 形的效果;利用液压机或专用装置通过上模向护环毛坯施加轴向压缩载荷F，使之产生镦粗 的效果，同时对护环毛坯内部的高压液体起密封作用；轴向与径向同时加载或者按照不同 的顺序使护环毛坯产生镦粗和胀形的复合变形，达到使其强化的目的； 3) 护环毛坯在内压压力ρ与轴向压缩载荷F的共同作用下产生塑性变形达到使护环毛 坯强化的目的;在满足护环材料屈服条件的前提下，每一组确定的轴向压缩载荷F和径向载 荷内压压力Ρ及其变化规则构成一个加载路径，调整内压压力Ρ与轴向压缩载荷F之间的比 例获得不同的加载路径； 4) 在护环毛坯强化过程中内压压力ρ与轴向压缩载荷F难于控制，根据塑性力学本构关 系，将对内压压力Ρ与轴向压缩载荷F的控制转换为对上模的压下速度ν和高压液体进入环 坯内腔的流量Q控制。
【文档编号】B21K1/76GK106077419SQ201610534480
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】李纬民, 朱丽, 赵文华, 郭晓琳
【申请人】燕山大学