CN101716654A - 一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法 - Google Patents

一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法，尤其是涉及一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法，其特征是：它包括如下步骤：选材、制作模具工艺方案设计、建立制作模具的三维模型、模具毛坯的制作、加工模具、模具检测；本发明工艺方法独特、解决了扭曲表面叶片铸造模具制作效率低及传统手工方法制作此类铸造模具所无法达到设计尺寸精度的问题。通过新材料、新方法在模具制作过程中的研究应用，解决模具本身的变形问题、保证叶片类模具的尺寸精度。

Description

一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法
技术领域
本发明涉及一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法，尤其是涉及一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法。
背景技术
大型(≥400MW)水轮机叶片铸造模具，完全属于三维空间模型的实物制作。模具沿周无任何可供测量的基准点或基准面，且由于叶片本身的结构设计，模具制作过程及模具在使用过程中，非常容易变形，影响尺寸精度。依靠传统模具制作工艺、方法及材料，制作成本高，质量难于保证。本专利申请的这种类型的模具制作工艺方法，在国内尚处于空白。目前，国内的叶片铸模具的主要制作方式，仍然依靠手工方式来实现。这类方式存在以下缺陷：外观过度不光滑，壁厚尺寸不容易保证，易存在模具缺量或者局部壁厚过大，制作效率极低等缺陷，对大型铸锻件国产化进程造成极大的制约。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种工艺方法独特、制作效率高及设计精度满足铸件标准的叶片类铸造模具、通过新材料、新方法在模具制作过程中的研究应用，解决模具本身的变形问题、保证叶片类模具的尺寸精度的一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法。
本发明通过如下方法实现：
一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法，其特征是：它包括如下步骤：
a.选材：模具采用含水率低的木材、模具表面覆盖一层固化后可切削加工的环保型新型环氧树脂；
b.制作模具工艺方案设计：成形的木料交错搭接制作模具骨架和模具工作表面基底，在模具表面基底粘附树脂层，固化后，通过大型数控加工中心设备，加工形成模具的工作表面；
c.建立制作模具的三维模型：按照叶片铸件的铸造工艺标准文件，采用UG软件建立模具的三维模型，为模具骨架和后序加工制作模具，选定两个基准辅助平面及双向的扭面上设置若干个矩阵排列的辅助加工测量定位点点的小凸台面；
d.模具毛坯的制作：根据UG三维模型，纵横各建立X个等距交叉网格矩阵截面，在这2X个网格界面上，100％释放、制作随形支撑样板，在此网格上面，用多层木方料，纵横交错叠加搭接、粘钉，制作随形的模具骨架，在随形的模具骨架外围的顶面，用标准厚度的宽立板料，随形错位圈、粘、钉，制作与叶片本体表面轮廓完全吻合的模具工作表面底基；
e.加工模具：根据UG三维模型，通过计算机编程，形成标准的模具加工程序，先用五坐标加工CNC设备，将模具毛坯工作表面，加工掉一层厚度均匀的木料，然后在加工后的模具表面，覆盖一层新型环氧树脂材料，环氧树脂完全固化后，用五坐标加工CNC设备，对表面覆层进行了CNC加工，最终形成模具工作表面；
f.模具检测：对模具表面划分网格矩阵，形成一定数量的检测点，然后针对相应的检测点，用激光跟踪仪，依靠步骤c中所明确建立的基准平面与基准凸台进行拟合，检测形成空间点阵，与UG三维模型进行比对，确定模具尺寸偏差，按照偏差修理、校正模具，保证模具的尺寸、形状精度；
所述环氧树脂层的厚度为2-15mm；
所述环氧树脂内加入了815B固化剂，加入的固化剂的重量含量为40-90％。
本发明有如下效果：
1)模具选材独特、实施容易、制作简便、成本较低、延长模具寿命、防止吸收空气水分变形：本发明采用木材制作叶片本体，在最外侧包覆2-15mm树脂层，这种树脂覆盖层包覆木材本体的应用结构属于木模制作基础上的创新结构，具有实施容易、制作简便、成本较低、延长模具寿命、防止吸收空气水分变形等诸多优点。
2)制作方法独特：水轮机叶片三维模型的结构特性上，具有三维空间性，所有沿周没有基准平面可供测量、定位，在初期的样板绘制、毛坯制作、模具结构分块及后期的机床加工、测量等方面均没有基准可用，不利于模具制作的展开，为此，需要在UG建模过程中为后序模具生产确定可以参考、测量的基准平面，同时还要为生产出来的模具、铸件提供检测基准，以保证基准与数模能够保持一致，并为将来可能的工艺调整保留修改基准面；在本发明中通过引入两个辅助基准平面，主要解决叶片模具在三维模型建立、反变形量加入、结构分块、平面图转换、图板绘制、模具毛坯制作、后期CNC加工以及模具制作完成后三维测量臂检测的基准面问题；另外，通过自主引入两个基准辅助平面及双向在扭面上设置若干个矩阵排列的辅助加工测量定位点凸台，主要解决模具制作过程中叶片被分割制作、加工、测量后由于数据分散无法重新组合成整体叶片的问题。各分块数据之间通过整体定位凸台的相对位置关系重新融合为整体，为整体数据的分割测量提供便利条件。同时还有一个主要作用，在叶片后期铸造完成后，各工序均需要对工序中的叶片变形量进行测量，通过这些定位凸台作为反变形量的检测依据，为后期工艺调整打下良好的基础。
3)模具的强度高：由于叶片本身的结构设计属于超大超薄件，厚度最大300mm，最小60mm，本体设计差异大，轮廓6000mm左右，此类超薄超大产品在起吊时候，模具本体结构设计刚度无法抵御模具本体自重造成的变形，刚度无法满足要求，如果投入铸造生产，加上单面需要承重几十吨的砂子，抗变形性能更加脆弱，为此，本发明采用在底部增加高强度辅助胎板的办法来解决这一问题，通过采用多层木方料纵横交错叠加搭接的方案，顶面随形制作，与叶片本体完全吻合，辅助支撑模具自重及砂子重量，不仅起到了造型时候抵抗变形的作用，而且在日常的吊运、存放上也对叶片本体起到了保护作用。
4)毛坯制作过程的尺寸形状精度高：水轮机叶片模具为三维空间形状，空间扭曲度大，最大扭曲度达到近2000mm，在模具毛坯制作过程中很难控制叶片形状。为此，在UG三维建模过程中，通过对纵横各建立多个等距交叉网格矩阵截面的方法，在这多个网格界面上建立随形支撑样板。，在此网格上面进行辋料的圈制，不仅减少了叶片模具制作过程中的形状偏差问题，而且主要截面的尺寸稳定性在此交叉网格矩阵基础上得以保证。
5)制作出的模具尺寸、形状稳定性：采用UG建立的三维空间计算机模型作为CNC加工的依据，并通过计算机编程形成标准加工程序，在五坐标加工CNC上实现产品制作，以保证模具尺寸形状精度符合要求；为了防止木模表面直接接触空气，吸收空气中的水分，由于空气湿度的变化造成模具变形，影响最终的尺寸精度，叶片模具采用了表面树脂涂层保护的方法。树脂采用环保型新型环氧树脂，同时为了降低树脂的脆硬性，新增加了新型815B固化剂，增强模具表面韧性和抗冲击性；为了控制表面环氧树脂覆层的厚度均匀性，先期采用CNC加工掉一层均匀的厚度，在表面覆盖环氧树脂覆层以后，二次对表面覆层进行了CNC加工。
6)检测可靠：为了保证叶片模具的三维空间扭曲度符合设计要求，专门采购了先进的激光跟踪仪，通过对模具表面划分网格矩阵，形成一定数量的检测点，然后针对相应的检测点，依靠前期建立的基准平面与基准凸台进行拟合，检测形成空间点阵，与三维空间计算机模型进行比对检测，保证模具本身尺寸、形状精度。
7)模具变形小：本发明通过底部的网格矩阵建立大型纵横木方辅助胎板，通过辅助胎板的高强度来解决吊运时候的变形问题；通过整体模具的合理分块和对接，抵消大型单片类模具本身的变形程度；通过叶片模具本身周围外表面覆盖一定厚度的环氧树脂材料，隔绝空气水分的进入，防止空气湿度变化造成模具变形问题；通过模具本身与辅助胎板的多点合理辅助连接，增强模具与辅助胎板的贴合程度，防止后期造型过程中由于紧实度不均匀造成模具变形；同时通过专用装卡工具的设计和超长螺杆导引孔的设计，解决了后期造型过程中的防变形措施可操作性问题。
具体实施方式
一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法，其特征是：它包括如下步骤：
a.选材：模具采用含水率低的木材、模具表面覆盖一层固化后可切削加工的环保型新型环氧树脂；
b.制作模具工艺方案设计：成形的木料是由方材和板材交错搭接制作模具骨架和模具工作表面基底，在模具表面基底粘附树脂层，固化后，通过大型数控加工中心设备，加工形成模具的工作表面；
c.建立制作模具的三维模型：按照叶片铸件的铸造工艺标准文件，采用UG软件建立模具的三维模型，为模具骨架和后序加工制作模具，选定两个基准辅助平面及双向的扭面上设置若干个矩阵排列的辅助加工测量定位点点的小凸台面；
d.模具毛坯的制作：根据UG三维模型，纵横各建立X个等距交叉网格矩阵截面，在这2X个网格界面上，100％释放、制作随形支撑样板，在此网格上面，用多层木方料，纵横交错叠加搭接、粘钉，制作随形的模具骨架，在随形的模具骨架外围的顶面，用标准厚度的宽立板料，随形错位圈、粘、钉，制作与叶片本体表面轮廓完全吻合的模具工作表面底基；
e.加工模具：根据UG三维模型，通过计算机编程，形成标准的模具加工程序，先用五坐标加工CNC设备，将模具毛坯工作表面，加工掉一层厚度均匀的木料，然后在加工后的模具表面，覆盖一层新型环氧树脂材料，环氧树脂完全固化后，用五坐标加工CNC设备，对表面覆层进行了CNC加工，最终形成模具工作表面；
f.模具检测：对模具表面划分网格矩阵，形成一定数量的检测点，然后针对相应的检测点，用激光跟踪仪，依靠步骤c中所明确建立的基准平面与基准凸台进行拟合，检测形成空间点阵，与UG三维模型进行比对，确定模具尺寸偏差，按照偏差修理、校正模具，保证模具的尺寸、形状精度；
上述环氧树脂层的厚度为2-15mm。
上述环氧树脂内加入了815B固化剂，加入的固化剂的重量含量为40-90％。

Claims (3)

1.一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法，其特征是：它包括如下步骤：
a.选材：模具采用含水率低的木材、模具表面覆盖一层固化后可切削加工的环保型新型环氧树脂；
b.制作模具工艺方案设计：成形的木料交错搭接制作模具骨架和模具工作表面基底，在模具表面基底粘附树脂层，固化后，通过大型数控加工中心设备，加工形成模具的工作表面；
c.建立制作模具的三维模型：按照叶片铸件的铸造工艺标准文件，采用UG软件建立模具的三维模型，为模具骨架和后序加工制作模具，选定两个基准辅助平面及双向的扭面上设置若干个矩阵排列的辅助加工测量定位点点的小凸台面；
d.模具毛坯的制作：根据UG三维模型，纵横各建立X个等距交叉网格矩阵截面，在这2X个网格界面上，100％释放、制作随形支撑样板，在此网格上面，用多层木方料，纵横交错叠加搭接、粘钉，制作随形的模具骨架，在随形的模具骨架外围的顶面，用标准厚度的宽立板料，随形错位圈、粘、钉，制作与叶片本体表面轮廓完全吻合的模具工作表面底基；
e.加工模具：根据UG三维模型，通过计算机编程，形成标准的模具加工程序，先用五坐标加工CNC设备，将模具毛坯工作表面，加工掉一层厚度均匀的木料，然后在加工后的模具表面，覆盖一层新型环氧树脂材料，环氧树脂完全固化后，用五坐标加工CNC设备，对表面覆层进行了CNC加工，最终形成模具工作表面；
f.模具检测：对模具表面划分网格矩阵，形成一定数量的检测点，然后针对相应的检测点，用激光跟踪仪，依靠步骤c中所明确建立的基准平面与基准凸台进行拟合，检测形成空间点阵，与UG三维模型进行比对，确定模具尺寸偏差，按照偏差修理、校正模具，保证模具的尺寸、形状精度。
2.如权利要求1所述的一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法，其特征是：所述环氧树脂层的厚度为2-15mm。
3.如权利要求1所述的一种可保障大型水轮机铸造叶片尺寸精度的模具制造新工艺方法，其特征是：所述环氧树脂内加入了815B固化剂，加入的固化剂的重量含量为40-90％。
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