离心式压缩机三元流叶片热压成形工艺研究

沈伟涛，翟武艺

（1.西安航空计算技术研究所，西安 710068；2.西安陕鼓动力股份有限公司，西安 710049）

0 引言

离心式压缩机主要应用于石油、化工、空分等工业领域[1-4]，在工业生产中的气体输送、裂解等方面起着重要的作用。叶轮作为离心压缩机的核心做功部件，其材料强度、耐蚀性、加工制造的精度对风机的寿命、可靠性及气动性能有着十分重要的影响。图1所示为离心式压缩机和叶轮。叶片是构成叶轮流道的重要组成部分，其加工制造的型面精度及材料性能对叶轮的强度和材料具有重要影响，因此有必要对叶片的加工制造工艺进行研究[5-7]。

图1 离心式压缩机及叶轮

叶片的加工方式根据叶轮制造工艺主要可分为两类：1）叶轮整体铣制或者两体拼焊时，叶片直接铣制在叶轮上，或者铣制在轮盘上之后和轮盖拼焊成形；2）叶轮三体拼焊时，叶片按模压成形方式生产，利用模具将预制的平板状坯料压制成为叶片曲面形状，然后和轮盘、轮盖拼焊成形。

鉴于三体叶轮生产制造在成本、材料利用率、生产周期方面的明显优势，一般作为叶轮制造的首选方案，相应的叶片采用热压成形方案。而叶片的热压成形制造工艺水平制约着叶轮三体拼焊制造方案的生产质量、应用范围。

本文研究了离心式压缩机三元流叶片的热压成形过程，即在板料展开并铣出周边轮廓后对热压成形工艺及其关键技术进行了研究。最终利用本文中的叶片成形方法，试验得到了大型离心式压缩机叶片，并验证了该方法的可行性。

1 叶片的材料及性能要求

叶片所用材料为低碳马氏体沉淀硬化不锈钢，其成分如表1所示，压形、铣制周边前为固溶+过时效热处理状态。

表1 马氏体不锈钢的化学成分质量分数 %

马氏体不锈钢叶片冷压成形工艺时回弹量很大，生产上有诸多困难，因此三元流叶片成形一般采用热压成形。

为了研究马氏体不锈钢在压力成形中的材料特性并将其作为仿真计算的输入，利用Gleeble数控动态热模拟试验机进行叶片材料的热模拟性能测试，采取Hansel-Spittel材料模型建立马氏体不锈钢在变形温度为700～900 ℃、应变速率为10.00、1.00、0.10、0.01 s-1的本构方程如下[8]：

2 制造工艺流程及关键技术

叶片所用的原材料为固溶+过时效状态的板材，并按照公司内部展开软件计算所得的叶片展开轮廓铣至后边后待压。为了减少终压成形的一次性变形量，保证叶片最终成形的质量、提高生产效率，在最终成形前按照冷压的方式对叶片进行预变形，随后按照热压成形，预变形直接使用热压模具，压制叶片上下模合模即可。具体生产工艺流程如图2所示，终压成形对叶片成形质量具有决定性的影响。

图2 三元流叶片生产工艺流程

叶片终压成形工艺流程如图3所示，其关键技术环节主要有模具设计、叶片侧向定位、压形工艺、加热3个方面。

图3 三元流叶片热压工艺流程

2.1 模具设计方案与模具结构

2.1.1 模具的组成

模具主要包括上模、下模、定位销、导向套几部分，其结构如图4所示。

图4 模具的组成

2.1.2 模具型面的设计

设计模具型面时，先按照最小深度法将目标成形叶片放平，直接使用叶片上下型面作为上下模的型面并按照中性面修整模具边缘。

2.2 叶片成形中的侧向定位

在成形过程中，为了避免叶片出现滑动和旋转，在模具的四周布置若干定位销，以对坯料进行定位，叶片出气侧不设置定位销，给材料一定的自由延展空间，如图5所示。

图5 叶片的侧向定位

图6 叶片压形模具

图7 叶片成形过程中的步数-Z向压力曲线

2.3 叶片压形过程中的加热

较高的成形温度能够最大限度地避免回弹[9]，因此三元流叶片压形采用热压，同时考虑到在加热过程中温度对叶片组织的影响，因此叶片热压成形温度确定为900 ℃。

叶片出炉后温度会迅速下降，由实测结果可知，叶片出炉后1 min内叶片中间部位的温度降幅达100℃，边缘降幅达200 ℃以上。如果出炉后在空气中停留的时间过长，会导致局部区域成形后回弹较大，从而影响叶片的整体成形精度。因此，将叶片出炉至上模的时间严格控制在30 s以内。

3 热压成形过程的工艺仿真

3.1 仿真模型的建立

仿真计算使用DEFORM-3D软件进行，通过UG软件建立叶片坯料和模具造型，并导入仿真软件，随后导入材料数据、边界条件、摩擦因数、压力机运动方式等参数导入仿真软件。

3.1.1 材料数据

按式（1）计算材料的应力应变数据并输入到软件材料库中，叶片坯料的热力学性能如表2所示。

表2 板料热力学性能

3.1.2 边界条件

成形过程中的边界条件如表3所示。

表3 成形过程中热边界条件设置

3.1.3 摩擦因数

根据圆环压缩试验的数据，测得不同温度下的摩擦因数（如表4），将数据导入仿真软件中。

表4 成形过程中热边界条件设置

3.1.4 成形过程中的温度设置

加热温度设置为800 ℃，叶片从加热炉转移到压力机过程为10 s，在仿真计算中将这个过程设置为空冷。

成形过程中模具设置为常温，叶片与模具之间设置热交换。压形完成后保压20 min。

3.1.5 压力机的运动方式

根据压形过程中压力机的运动方式，将净模具下压的速度设置为10 mm/s。

3.1.6 冷压

叶片的成形过程分为预压和终压两步进行。根据前期研究的结论，对于叶轮直径1400 mm叶轮的叶片进行仿真计算，获得的冷压成形数模和冷压成形的实际叶片偏差小于1 mm的区域占80%以上，因此冷压后的叶片预压数模可以直接作为热压成形的输入数据。

3.2 仿真结果

3.2.1 压力

从仿真计算结果看，叶片成形所需的压力机吨位为173.61 t，因此现有的200 t油压机能够满足生产需要。

3.2.2 叶片与模具接触情况分析

坯料与上下模接触间隙云图如图8所示，按照本文设计的工艺方案压形最终状态时，叶片与模具的接触间隙绝大部分在1 mm以内，符合要求。

图8 坯料上下模具接触间隙云图

图9 叶片压形现场照片

4 试验验证

叶片热压成形工艺验证使用车间现有200 t油压机。叶片坯料到位后，进行冷压成形，压制叶片坯与模具贴合后出模。

将冷压后的预压坯料放入电炉内加热至900 ℃，迅速转移至模具中压形至贴合，保压20 min。使用塞尺检测叶片坯料与模具间隙小于1 mm，出模。

对成形叶片进行三坐标分析，其正反两面的结果如图10所示，叶片理论造型的85%区域内的偏差都小于1 mm，基本满足设计要求。

图10 最终成形叶片的三坐标分析结果

5 结论

1）本文对离心式压缩机三元流叶片的热压工艺成形生产流程进行了设计、仿真分析，并进行了工艺验证，最终获得满足生产要求的叶片，证明了该生产流程的合理性（包括叶片的坯料、模具的设计、侧向定位、加热过程的确定）。

2）通过验证确定，本文中的模具结构的设计方法（包括上模、下模和定位销、导向机构的设计方案）可以满足生产需要。

3）在工艺设计过程中对热压成形过程进行了仿真分析，在工艺验证前对设备能力、成形质量进行了仿真预测，并在设计中对设计方案的不足之处进行了调整，收到了良好效果。

4）进行了叶片热压工艺的生产验证，最大误差小于1 mm，满足加工精度要求。虽然在叶片内弧侧宽边位置的偏差略大，但偏差在可控范围内，通过后期的工艺改进完全可以解决。