Технологический процесс изготовления кованых стопорных колец для электродвигателей.
2026-08-11
Технологический процесс изготовления кованых стопорных колец для электродвигателей.
Сверхскоростное высокопрочное стопорное кольцо для двигателя мощностью 20 МВт является ключевым компонентом двигателя, приводящего в действие бустерный насос в проекте газопровода «Запад-Восток», ключевом национальном проекте по локализации комплектных установок. Возможность его массового производства внутри страны имеет решающее значение для процесса локализации этого двигателя. Из-за высоких технических требований и сложности изготовления этого стопорного кольца в установленном оборудовании используются импортные кованые детали, что приводит к высоким ценам и значительной финансовой нагрузке на всю систему, что препятствует процессу локализации этого типа двигателей. Для замены импорта и устранения технических барьеров наша компания успешно разработала этот продукт и создала возможности для его массового производства.
Стопорное кольцо, используемое в высокоскоростном вращении ротора (5200 об/мин), должно выдерживать значительную центробежную силу на конце ротора и предотвращать повреждение концов обмотки ротора. Поэтому стопорное кольцо должно обладать хорошими механическими свойствами (Rp0.2 > 1070 МПа). Использование материала 1Mn18Cr18N для изготовления стопорного кольца позволяет предотвратить его перегрев во время работы из-за электромагнитной индукции и эффективно повысить КПД и безопасность эксплуатации двигателя. Обычные методы термообработки не могут улучшить механические свойства этого аустенитного материала, который не претерпевает фазовых превращений при комнатной температуре; только методы упрочнения путем гидравлической холодной деформации могут повысить его механические свойства.
1.
Технические характеристики стопорного кольца для электродвигателя 1Mn18Cr18N мощностью 20 МВт
Готовое стопорное кольцо должно соответствовать требованиям заказчика к эксплуатационным характеристикам и внутреннему качеству при поставке. Заказчик требует, чтобы готовые кованые стопорные кольца имели химический состав, соответствующий Таблице 1, механические свойства, соответствующие Таблице 2, и магнитную проницаемость, не превышающую 13,2 × 10⁻⁷ Гн/м при напряженности магнитного поля 8000 А/м, с остаточным напряжением менее 10% от предела текучести. Готовые стопорные кольца поставляются размерами Φ800 мм × Φ670 мм × 585 мм, а их внутренняя структура проверяется в соответствии с требованиями неразрушающего контроля JB/T7030—2002 для обеспечения отсутствия дефектов, превышающих стандарты.
2.
Разработка процесса горячей ковки стопорного кольца.
Исходя из требований заказчика к механическим свойствам испытательного стопорного кольца, а также с учетом многолетнего опыта производства и присущих материалу свойств, были получены соответствующие данные, и были предоставлены размеры черновой обработки и размеры процесса ковки стопорного кольца. Это является самым существенным отличием от традиционных параметров процесса ковки.
Технологический процесс изготовления стопорного кольца включает следующие этапы: плавка → литье слитков → нагрев → ковка → черновая токарная обработка → термическая обработка → предварительная упрочняющая обработка → упрочнение методом холодной деформации с гидравлическим выдуванием → термообработка для снятия остаточных напряжений → физико-химические испытания → неразрушающий контроль после обработки → упаковка и отгрузка. Размеры заготовки стопорного кольца показаны на рисунке 1, а этапы процесса горячей ковки — в таблице 3. Для ковки используются слитки стали, переплавленные электрошлаком.
В процессе горячей ковки стопорных колец легко образуются поверхностные трещины, поскольку сталь 1Mn18Cr18N, используемая для изготовления стопорных колец, представляет собой немагнитную высокомарганцевую аустенитную нержавеющую сталь с содержанием марганца и хрома до 18% и содержанием азота более 0,5%. Для предотвращения образования поверхностных трещин процесс ковки должен быть легким, с небольшим обжатием и контролируемой скоростью подачи.
3.
Обработка раствором
Термическая обработка подразумевает нагрев сплава до высокотемпературной однофазной области и выдержку при постоянной температуре для полного растворения карбидов в аустенитной матрице, за которым следует быстрое охлаждение для получения однородной и стабильной аустенитной структуры, повышения ударной вязкости и коррозионной стойкости, а также улучшения свойств материала при холодной деформации. На рисунке 2 показана кривая термической обработки заготовки после черновой обработки стопорного кольца из сплава 1Mn18Cr18N.
4.
Упрочнение при холодной деформации
(1) Для удовлетворения требований заказчика к механическим свойствам и размерам кованого стопорного кольца необходимо упрочнить его путем гидравлического расширения и холодной деформации.
(2) Вода закачивается в замкнутое пространство, образованное стопорным кольцом и пресс-формой, с помощью насоса высокого давления, так что стопорное кольцо после черновой обработки подвергается пластической деформации. Это облегчает контроль внешних размеров и скорости деформации стопорного кольца.
(3) По сравнению с обычными стопорными кольцами, это стопорное кольцо тонкое и имеет большое отношение высоты к диаметру до расширения, что очень легко приводит к образованию вогнутой формы (обычно называемой расширяющимся устьем) в образующей во время гидравлического расширения. Мы изготовили позиционирующее устройство и ограничительное устройство перед расширением стопорного кольца и определили мгновенное значение параметра низкого давления, которое может соответствовать сверхвысокому давлению жидкости, необходимому для расширения во время гидравлического расширения стопорного кольца. Благодаря тщательному контролю и постоянному улучшению параметров управления, стопорное кольцо деформировалось от размера до расширения Φ660 мм до Φ810 мм с допуском в пределах ±2 мм.
5.
Термическая обработка для снятия внутренних напряжений.
После упрочнения кованые детали стопорного кольца требуют термической обработки для стабилизации микроструктуры и снижения остаточных напряжений. Кривая снятия напряжений стопорного кольца показана на рисунке 3.
6.
Результаты тестов
Производитель взял средние кольца с обоих концов стопорного кольца и вырезал испытательные кольца для проверки механических свойств. Количество и расположение образцов для испытаний на растяжение и ударную вязкость для каждого испытательного кольца показаны на рисунке 4. На примере печи T1205271 результаты испытаний механических свойств приведены в таблице 4, а результаты ультразвукового контроля — в таблице 5. Результаты испытаний металлографической структуры показывают радиальный размер зерна 4-го класса и продольный размер зерна 4-го класса, при этом металлографическая структура состоит из аустенита и следовых количеств точечных карбидов. Испытание магнитной проницаемости проводилось в соответствии с «Техническим соглашением по ковке и изготовлению стопорных колец для генераторов газопровода Запад-Восток», и результаты испытаний оказались на порядок ниже требований заказчика.
7.
Выводы
Технологический процесс изготовления стопорных колец для электродвигателей включает горячую ковку, термическую обработку и упрочнение методом холодной деформации с гидравлическим выдуванием. Определенные параметры процесса обеспечивают контроль качества фактического изготовления, соответствуют требованиям заказчика к различным техническим показателям кованых стопорных колец данной спецификации и заполняют пробел в отечественном производстве сверхскоростных стопорных колец из стали 1Mn18Cr18N.
