CN101314202B - 局部镦粗全纤维镦锻生产风电主轴的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种局部镦粗全纤维镦锻生产风电主轴的方法，包括以下工艺步骤：步骤一、钢锭加热；步骤二、锻造：(1)第一火：镦粗：锻造温度1250℃～900℃，先将钢锭底部锯掉，然后戴帽镦粗，(2)第二火：拔八方、号印，开中间坯，杆部成型后，剁除T端弃料，锻造结束后回加热炉重新加热；(3)第三火：局部镦粗、全纤维锻造，(4)第四火、滚圆、平整、拔杆部，对局部镦粗全纤维锻造后的中间坯料头部轮毂端圆盘边进行滚圆操作，滚圆后再将中间坯料再次插入漏盘组件中，将圆盘端面压平整，圆盘端整形完成后，操作机夹持着圆盘，将中间坯料的杆部拔长至锻件尺寸，至此，主轴锻造结束；步骤三、第一热处理；步骤四、粗加工及超声波探伤；步骤五、调质热处理；步骤六、精加工。本发明方法能提高风电主轴锻件抗疲劳强度。

Description

局部镦粗全纤维镦锻生产风电主轴的方法

技术领域

本发明涉及一种生产风电主轴的方法。属风力发电机技术领域。

背景技术

风电主轴是风力发电机的主要核心机械构件。此构件直接与风叶相连构成一个直径约80-90米的巨大“摩天风轮”。巨大风轮承载着自然风并将其能量通过机械齿轮装置传递给发电机转化为电能。现代风机的存活风速为60-70米/秒，而我们通常所说的12级飓风，其风速范围也仅为32.7-36.9米/秒，也就是说风电机组要在二倍以上12级飓风的风速下也不会被破坏。在台风季节，飓风飘忽不定地变换着方向和大小，使叶片及主轴承受着频繁变化而又强大的应力。加之风机通常安装在高山、高原、海岛等旷野，气温聚冷聚热，温差大，要求能在+50℃～-40℃温度环境下安全工作。这些因素都使主轴的工况恶化。欧美等国多年来对风电的研究表明，造成风机主轴损坏的主要因素，不是短时载荷的强大，而是长期疲劳应力所致。这就给风电主轴的设计制造和工艺技术提出了很高的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供一种能提高风电主轴锻件抗疲劳强度的全纤维镦锻生产风电主轴的方法。

本发明的目的是这样实现的：一种局部镦粗全纤维镦锻生产风电主轴的方法，其特征在于所述方法包括以下工艺步骤：

步骤一、钢锭加热

将600℃以上的红送钢锭直接进炉加热，加热至850℃±20℃，保温4小时，再加热至1260℃±20℃，保温7小时，

所述红送钢锭，就是浇注脱模后不久、钢锭表面温度在650℃以上的钢锭，将其放置于保温桶内，放置4～5小时，

所述保温桶外层为钢板焊接而成，保温桶内衬一层保温棉，保温桶顶部加一上盖，

步骤二、锻造

(1)第一火：镦粗

锻造温度1250℃～900℃，先将钢锭底部锯掉，然后戴帽镦粗，镦粗到位后回加热炉重新加热，加热至1260℃±20℃，保温3～4小时，

(2)第二火：拔八方、号印，开中间坯，杆部成型后，剁除T端弃料，锻造温度1250℃～850℃，锻造结束后回加热炉重新加热，加热至1260℃±20℃，保温3～4小时，

(3)第三火：局部镦粗、全纤维锻造，锻造温度1250℃～900℃

a、进行局部镦粗、全纤维锻造的过程是：将开好的中间坯料，立起插入由数个叠起的漏盘组合的漏盘组内，叠起的漏盘组放置于活动转盘上，

b、所述活动转盘，由下部转盘和上部漏盘两部分组成，局部镦粗时，将固定在镦粗板上的上连接板和上砧卸下，直接用活动横梁上的镦粗板进行镦粗，镦下200mm后，装上连接板和上砧，减小镦粗接触面积，采取回转镦粗、逐步碾压的方法，镦粗到规定尺寸，镦粗结束后回加热炉重新加热，加热至1260℃±20℃，保温3～4小时，

(4)第四火、滚圆、平整、拔杆部，锻造温度：1220～780℃，

对局部镦粗全纤维锻造后的中间坯料头部轮毂端圆盘边进行滚圆操作，滚圆后再将中间坯料再次插入漏盘组件中，将圆盘端面压平整，圆盘端整形完成后，操作机夹持着圆盘，将中间坯料的杆部拔长至锻件尺寸，

至此，主轴锻造结束

步骤三、第一热处理

主轴锻造完成后，在锻件表面最低温度450℃时装入热处理炉，热处理炉在450～500℃待料，炉中装料完成后开始执行热处理工艺，热处理采取二次过冷，第一次过冷为280℃保温6h；第二次过冷在正火完成后，过冷温度为260℃保温8h，正火时，锻件吊下台车用鼓风机进行风冷，回火时，650℃保温68小时，

步骤四、粗加工及超声波探伤

步骤五、调质热处理

步骤六、精加工。

本发明采用全纤维镦锻造法生产风电主轴，这种方法不需要投入新设备，只要对现有工装稍作改进，操作简单易行，效果却十分显著。同时在采用局部镦粗全纤维锻造法的过程中同时注意在钢锭红送、锻压成型，改善内部组织、热处理等方面都有针对性地采取或应用了先进的方法和技术，从而较好的解决了风电主轴疲劳强度不够高及其它生产工艺和技术难题。研究和实践表明，全纤维锻造的锻件能提高抗疲劳强度20～25％，能有效地延长主轴的使用寿命。实践证明，实行全纤维锻造，保持锻件的纤维流向(见图1、图2)，是提高锻件抗疲劳强度的有效途径。

所谓局部镦粗全纤维镦锻造法，是根据主轴形状特点，用开中间坯的方法下料，主轴轮毂端用局部镦粗方式成型，以此保持金属材料的纤维流向不被切割，不被破坏，使锻件有更高的抗疲劳强度、更优的综合机械性能和更好的内部组织结构。

附图说明

图1为本发明涉及的中间坯料图。

图2为本发明涉及的主轴锻件图。

图3为本发明的实施例主轴交货图。

图4为本发明的实施例主轴粗加工图。

图5为本发明的实施例主轴锻件图。

图6为本发明的实施例钢锭锭型图。

图7为本发明的实施例钢锭红送保温桶结构示意图。

图8为本发明主轴钢锭(红送)加热工艺曲线图。

图9为本发明的实施例钢锭镦粗图。

图10为本发明的实施例拔八方、号印图。

图11为本发明的实施例的中间坯料图。

图12为用原有转盘局部镦粗时示意图。

图13为原有转盘结构图。

图14为本发明的实施例的专用活动转盘结构图。

图15为本发明的实施例用专用活动转盘局部镦粗时示意图。

图16为本发明的实施例主轴第一热处理工艺曲线图。

图17为本发明的实施例主轴调质热处理工艺曲线图。

具体实施方式

下面以某客户的一件产品为例，来说明风电主轴的生产全过程。主轴根据使用环境温度的不同分为常温型和寒冷型两种，因实际生产中寒冷型的较多，较典型，所以以寒冷型风电主轴为例。

一、主轴的主要技术要求

主轴锻件按DW812A3002B-2005技术条件生产、检查和验收：

1、客户提供的主轴交货图见图3。

整体锻比要求：Y≥3.5。

2、材质与化学成份

材质：34CrNiMo6+QT

化学成份(％)：按DIN1720标准验收。

C 0.30～0.38、Si≤0.40、Mn0.50～0.80、P≤0.035、S≤0.035、Cr1.30～1.70、Mo 0.15～0.30、Ni1.30～1.70。

3、超声波探伤：

超声波探伤按EN10228-3等级4级标准验收

4、机械性能试验：

粗加工调质后作机械性能试验，齿轮箱端取纵向拉伸试样和冲击试样(一拉三冲)：拉伸试验依据DIN EN10002的第一部分执行：

σb≥800～950MPa；σ0.2≥600MPa；δ5≥13％；ψ≥55％。

冲击试样为符合DIN EN 10045标准的的试样，测试温度为-40℃，应满足：

AKV≥40J(-40℃)。

5、使用环境：

年平均低于-20℃天数………………20天；

停机时环境温度…………-40℃～+50℃；

运行时环境温度…………-30℃～+40℃；

平均环境温度…………………～0℃；

地震风险………………有，VII级；

冰冻风险………………有

沙尘暴风险………………有

沙尘密度………………10mg/m³

沙尘平均粒度………………～20μm

年平均沙尘暴天数………………～10天

平均湿度………………70％

二、主轴生产的工艺路线：

根据主轴锻件的技术要求，制定生产工艺路线如下：商品钢锭→检验→加热→锻造→加热→再锻造→第一热处理→毛坯检验→UT摸底探伤→机加工→成品检验→UT探伤→调质热处理→取样→机械性能试验→精加工→包装发货。

三、主轴粗加工图：见图4。

四、绘制锻件图：

根据锻件形状及尺寸，确定锻造机械加工余量a＝50，绘制主轴的锻件图，见图5。

锻件名称：主轴

锻件重量：13500kg

五、选用钢锭：

钢锭重量：选钢锭重量为18,000kg

利用率：η＝75％。其中，火耗＝5％，底部弃料＝5％，冒口弃料＝15％。

为保证主轴锻件的质量，首先保证原材料钢锭的质量是十分重要的，质量不可靠的钢锭容易产生白点、裂纹、缩孔、疏松、夹杂、偏析等缺陷。无损检测难以通过。为此：

其一、钢锭冶炼工艺：必须是电炉冶炼→钢包精炼→真空除气的钢锭，S、P含量在0.030％以下，H含量要求在2ppm以下，确保钢锭的纯净度和浇注质量；

其二、为防止钢锭在冷却过程及重新加热过程中出现不必要的问题，钢锭最好是红送后直接进炉加热锻造。

钢锭锭型图见图6。如果是冷锭，在进炉前须将钢锭底部切除；如果是红送钢锭进炉，则在加热后锻造时将底部锯掉后再镦粗。

六、解决钢锭异地红送困难：

主轴钢锭的进炉加热最好是红送钢锭为好。所谓红送钢锭，就是浇注脱模后不久，钢锭表面温度在650℃以上的钢锭。使用红送钢锭，一可以节约锻压厂重新加热的能源；二可以节省炼钢厂为钢锭退火的能源；三可以节省钢锭缓冷及重新加热的时间周期。更重要的是，红送钢锭可以避免因钢锭缓冷及重新加热造成的钢锭质量问题。

解决了钢锭异地红送的困难，设计制造了专用于钢锭异地红送的钢锭红送保温桶。钢锭红送保温桶结构示意图见图7。

钢锭红送保温桶外层为钢板焊接而成，桶内衬贴一层保温棉。钢锭装入后，将上盖合上，密不透气。此红送保温桶的保温效果十分好，红送钢锭装在内，放置4～5小时后打开，钢锭表面仍是红的，有600℃以上。实测表明，钢锭装入红送保温桶每小时降温不超过20℃，比起钢厂的钢锭退火炉的效果毫不逊色。

七、加热工艺：

主轴钢锭(红送)加热工艺如图8。

八、确定变形工步，编制锻压工艺：

1、第一火：镦粗，锻造温度1250℃～900℃。如钢锭底部未切除，则应先将底部锯掉，然后戴帽镦粗，镦粗到位后回加热炉重新加热(见图9)。

镦粗比：Y镦1＝2.02。

钢锭内部为铸态组织，存在着缩孔、疏松、偏析、枝晶等铸态缺陷。单纯的拔长工序，由于锻件内部处于拉应力状况，往往不能有效地锻合内部缩孔及疏松等缺陷。镦粗时，由于锻坯内部处于三向压应力状态，能有效地锻合内部缩孔及疏松等铸造缺陷，还能打碎粗晶及枝晶组织，有效地提高超声波探伤合格率。因此，在下中间坯前增加镦粗工序是十分必要的。

2、第二火：拔八方、号印，开中间坯，杆部成型后，剁除T端弃料(见图10，图11)。锻造温度1250℃～850℃。

头部拔长锻比：Y1＝2.17，杆部锻比：Y2＝4.10。

3、第三火：局部镦粗、全纤维锻造，锻造温度1250℃～900℃。

(1)进行局部镦粗、全纤维锻造的过程是：将开好的主轴中间坯料立起插入由数个叠起的漏盘组合的漏盘组内，叠起的漏盘组放置于活动转盘上。从图12中可以看到，如果采用原有的活动转盘，由于压机的开档限制，坯料不能开进压机里去。如不采取有效措施，镦粗锻造无法进行，原有的活动转盘结构见图13。

(2)为解决压机开档不够的问题，设计了一套用于风电主轴生产的专用活动转盘，见图13。原有的活动转盘没有漏盘的功能，必须在转盘上增加漏盘组件，中间坯才能在漏盘中进行局部镦粗成型。转盘、漏盘再加上中间坯大端的高度之和超出了油压机的开档，致使锻造生产无法进行。

新设计的活动转盘同时具有转盘和漏盘的两种功能，使镦粗锻造时的总高度为减少了一副活动转盘的高度，因此插入中间坯料的漏盘和活动转盘组件，才能顺利地通过走台的移动进入压机开档内，锻造生产得以正常进行。使用专用活动转盘后局部镦粗全纤维锻造的情况见图14。由图14可见，局部镦粗时，必须将上连接板和上砧卸下，直接用活动横梁上的镦粗板进行镦粗。否则，压机的开档仍然不够。

(3)解决局部镦粗力不足的问题：

局部镦粗时的镦粗能力计算

P_均＝σ_实(1+0.17D/H)

P_均——平均单位压力(kg/mm²)

σ_实——高温下的真实应力(kg/mm²)

D、H——镦粗后坯料的直径和高度。

按此公式计算局部镦粗所需的压力(温度在1200℃、变形速度为5.10^-4秒^-1、变形量为20％时，34CrNiMo6的高温真实应力σ_实约为1.9kg/mm²)：

P_均＝σ_实(1+0.17D/H)＝1.9×(1+0.17×1530/400)＝3.135(kg/mm²)

局部镦粗直接镦到位时所需镦粗力为：

P＝P_均×接触面积＝3.135×π/4*1530²＝5,760(t)

通过计算得知，如果直接镦粗到位，镦粗压力约为6000吨，而我们所用的压机公称压力仅为3150吨，最大出力也不过4000吨，因此，不能直接镦粗到位。我们采取首先取下连接板和上砧以保证压机的开档足够，直接进行镦粗，镦粗到一定高度(约镦下200mm)时，装上连接板和上砧，减小镦粗接触面积，采取回转镦粗、逐步碾压的方法，镦粗到规定尺寸。这样既解决了压机开档不够的问题，又解决了压机镦粗压力不足的矛盾。

4、第四火：滚圆、平整、拔杆部(锻造温度：1220～780℃)。

局部镦粗全纤维锻造后的圆盘边呈腰鼓形，需进行滚圆操作。滚圆后的圆盘端面不平整，需将工件再次插入漏盘组件中，将端面压平整。圆盘端整形完成后，操作机夹持着圆盘，将主轴的杆部拔长至锻件尺寸。

主轴轮毂端局部镦粗比为：Y镦2＝2.22。

5、锻造比的计算

主轴轮毂端的锻造比：Y轮＝Y镦1*Y镦2＝2.02*2.22＝4.48；

主轴齿轮箱端(杆部)的锻造比：Y杆＝Y镦1+Y2＝2.02+4.10＝6.12。

至此，主轴锻造任务完成。

最后一火的锻造对锻件的最终质量有非常重要的影响，必须十分认真对待。首先，终锻温度不能过高。这要根据变形量的大小，适当控制始锻温度。变形量大，始锻温度可高些；变形量小，则始锻温度要低些。否则，终锻温度过高，会使晶粒粗大，金属组织不好。其次，锻件的各部分均要留有适量的变形量，这样就可避免局部因无锻比加热而引起晶粒粗大。同时在锻造的过程中，发现有裂纹与折叠等锻造缺陷时，应及时吹扫清理干净，否则，一点不起眼的小毛病都有可能致使整个锻件报废而造成重大经济损失。最后，为了保证锻件质量，必须较严格地控制锻件进炉热处理的时机，既不能马上进炉，也不能在外空冷时间过长。应控制在表面最低温度约450℃时装入热处理炉进行第一热处理。

九、第一热处理：

大型锻件的锻后热处理称为第一热处理。第一热处理不当，可能造成前功尽弃、整炉或大批的锻件报废。

第一热处理的目的：

1、减少或扩散钢中的氢，预防白点的产生(白点又称为钢中的癌症)。

2、减小或消除锻造过程中的应力，降低硬度，使晶粒细化，改善金属组织，提高金属的切削性能。

3、为最终热处理奠定组织基础。

4、减小冷却过程中的温度应力，预防产生裂纹。

主轴第一热处理工艺如图16。

主轴锻造完成后，进热处理炉。热处理炉在450～500℃待料，炉中装料完成后开始执行热处理工艺。热处理采取二次过冷，第一次过冷为280℃保温6h；第二次过冷在正火完成后，过冷温度为260℃保温8h。两次过冷的目的是为了金属中殘余奥氏体能较充分地向贝氏体转变，有利于氢的扩散与晶粒的细化。

正火时，锻件吊下台车用鼓风机进行风冷，加大冷速，目的是为了形成以索氏体和贝氏体为主的金属基体组织，细化晶粒，为后续热处理打下较好的基础。

回火时，650℃较长时间的保温，目的除了为消除正火应力外，主要是为了扩氢处理预防白点的产生。

十、毛坯检验及摸底探伤

第一热处理完成后，首先需进行毛坯尺寸及外观检验，检查尺寸是否符合图纸要求，有无偏心，锻件表面有无裂纹、折叠等缺陷，同时还要进行超声波毛坯探伤。超探目的主要是对锻件内在质量进行摸底，不出报告，不作为最终判定。主要是检查晶粒是否粗大，有无明显的超标缺陷。如发现晶粗，应重新进行正火热处理；发现明显超标缺陷，应提前采取相应的措施。

十一、粗加工及超声波探伤：

粗加工图见图4。粗加工时，注意各轴段应有足够半径的圆弧过渡，锐角均应倒钝，避免调质热处理时应力集中产生裂纹。粗加工的表面粗糙度不大于R6.3。

粗加工后即可进行超声波探伤，此次探伤为正式探伤，要出探伤报告，验收标准按EN 10228-3的4级。

十二、调质热处理。调质热处理工艺曲线如下：

十三、机械性能：

调质后在轴端取样做机械性能试验，一拉三冲，检测结果如下：

	抗拉强度(MPa)	屈服强度(MPa)	延伸率(％)	收缩率(％)	冲击功-40℃Akv(J)
						验收指标	800～950	600	13	55	40
试验值	810	630	19.5	63	97、100、110

可见，主轴的机械性能均满足了技术要求。

十四、精加工包装发货

十五、生产情况

由于设计制造了红送钢锭保温桶，解决了钢锭异地红送的困难；设计制造了专用镦粗漏盘，解决了压机开档不够的问题；采取全纤维镦锻的先进生产方式，提高了主轴的抗疲劳强度。这一系列的改进措施，不但节省了能源，降低了成本，解决了生产困难，还使主轴的各项性能及技术指标有较大的提高，较好地满足了客户需求。

Claims (1)

1.一种局部镦粗全纤维镦锻生产风电主轴的方法，其特征在于所述方法包括以下工艺步骤：

步骤一、钢锭加热

将600℃以上的红送钢锭直接进炉加热，加热至850℃±20℃，保温4小时，再加热至1260℃±20℃，保温7小时，

所述红送钢锭，就是浇注脱模后不久，钢锭表面温度在650℃以上的钢锭，将其放置于保温桶内，放置4～5小时，

所述保温桶外层为钢板焊接而成，保温桶内衬一层保温棉，保温桶顶部加一上盖，

步骤二、锻造

(1)第一火：镦粗

锻造温度1250℃～900℃，先将钢锭底部锯掉，然后戴帽镦粗，镦粗到位后回加热炉重新加热，加热至1260℃±20℃，保温3～4小时，

(2)第二火：拔八方，号印，开中间坯，杆部成型后，剁除T端弃料，锻造温度1250℃～850℃，锻造结束后回加热炉重新加热，加热至1260℃±20℃，保温3～4小时，

(3)第三火：局部镦粗，全纤维锻造，锻造温度1250℃～900℃

a、进行局部镦粗，全纤维锻造的过程是：将开好的中间坯料，立起插入由数个叠起的漏盘组合的漏盘组内，叠起的漏盘组放置于活动转盘上，

b、所述活动转盘，由下部转盘和上部漏盘两部分组成，局部镦粗时，将固定在镦粗板上的上连接板和上砧卸下，直接用活动横梁上的镦粗板进行镦粗，镦下200mm后，装上连接板和上砧，减小镦粗接触面积，采取回转镦粗、逐步碾压的方法，镦粗到规定尺寸，镦粗结束后回加热炉重新加热，加热至1260℃±20℃，保温3～4小时，

(4)第四火：滚圆，平整和拔杆部，锻造温度：1220～780℃，

对局部镦粗全纤维锻造后的中间坯料头部轮毂端圆盘边进行滚圆操作，滚圆后再将中间坯料再次插入漏盘组中，将圆盘端面压平整，圆盘端整形完成后，操作机夹持着圆盘，将中间坯料的杆部拔长至锻件尺寸，

至此，主轴锻造结束

步骤三、第一热处理

主轴锻造完成后，在锻件表面最低温度450℃时装入热处理炉，热处理炉在450～500℃待料，炉中装料完成后开始执行热处理工艺，热处理采取二次过冷，第一次过冷为280℃保温6h；第二次过冷在正火完成后，过冷温度为260℃保温8h，正火时，锻件吊下台车用鼓风机进行风冷，回火时，650℃保温68小时，

步骤四、粗加工及超声波探伤

步骤五、调质热处理

步骤六、精加工。

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