CN104190814A

CN104190814A - 一种高品质水轮机叶片热模压方法

Info

Publication number: CN104190814A
Application number: CN201410389274.4A
Authority: CN
Inventors: 娄延春; 李宝东; 陈瑞; 姜云飞; 宋照伟; 弭尚林; 李宝治; 赵岭; 田雨; 杜丘; 蒋国森; 杨宁; 张跃
Original assignee: Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Current assignee: Shenyang Foundry Research Institute Co Ltd Of China National Machinery Research Institute Group; Shenyang Research Institute of Foundry Co Ltd
Priority date: 2014-08-08
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: CN104190814B

Abstract

本发明的目的在于提供一种高品质水轮机叶片热模压方法，该方法以电渣熔铸近净成形压坯为模压压坯，具体为：通过叶片三维智能展开技术将水轮机叶片展成正面为平面、背面为曲面压坯的几何形貌，根据展开后的叶片外形尺寸制作可调节热模压模具和电渣熔铸叶片压坯；将电渣熔铸叶片压坯加热到材料正火温度并适当保温后，最终利用模压设备将电渣熔铸叶片压坯模压成三维曲面叶片。本发明具有提高叶片材料利用率、减小加工量、缩短加工工期和改善叶片力学性能，特别是提高内在质量和抗腐蚀性能等优点。

Description

一种高品质水轮机叶片热模压方法

技术领域

本发明涉及高品质水轮机叶片制造工艺，特别提供一种高品质水轮机叶片热模压方法。

背景技术

叶片属于三维扭曲结构的大型板状铸钢件，是水轮机中质量要求最高、制造难度最大的代表性铸件。它的质量好坏与型线精确与否，直接影响着转轮的效率、抗气蚀性能和运行稳定性。国内外水轮机叶片制造企业大多采用铸造方法生产，该工艺方法的缺点是：毛坯表面粗糙、打磨费工、加工余量大，并且铸造缺陷较多，影响了叶片的使用性能，特别是对于大型叶片叶型精度更难控制，因而人们一直在努力探索水轮机叶片的其它制造方法。近些年，国内外部分企业开始采用模压成型方法生产水轮机叶片，用该方法生产的水轮机叶片避免了砂型铸造叶片的缺点，又具有工期相对较短、叶片质量良好且不破坏金属流线等优点，因而这种方法在国内外水轮机制造业中受到一定重视。

经文献检索，目前关于水轮机叶片模压成型方法，已有相关文献公开发表。

在中国发明专利公开号为CN 103042090 A的发明专利，公开了一种水轮机转轮叶片模压成型方法。采用钢板为原材料，通过三维建模生成转轮叶片的包络曲面，根据包络曲面采用数控加工技术制备压形模的上、下模；根据包络曲面对钢板局部做削薄处理；将钢板热压成型为扭曲形状。该发明水轮机转轮叶片模压成型方法的有益技术效果是一批叶片只需一副压形模具，且模压叶片外形一致性好，转轮叶片质量稳定、可靠。

国内也已公开发表了利用等厚钢板模压叶片方面的相应文献(如：《东方电机》2005年第3期，水轮机转轮叶片模压成型技术；《锻造》2006年，水轮机叶片热模压成型技术的研究等)。

虽然上述模压水轮机叶片技术有许多优点，但由于叶片为非等厚变曲面的非展开构件，叶片曲率大、形状复杂，至今仍有许多难题制约了热模压叶片成型工艺的发展。如采用等厚钢板模压，造成后期加工余量过大，材料利用率低，生产工期变长；叶片柔性模压模具的制作和叶片压坯加热及保压时间的确定等问题都未能得到解决。

发明内容

为解决现有水轮机叶片模压技术方面的不足，本发明提供一种高品质水轮机叶片热模压成型的新方法，该方法具有提高叶片材料利用率、减小加工量、缩短加工工期和改善叶片力学性能，特别是提高内在质量和抗腐蚀性能等优点。

本发明具体提供了一种高品质水轮机叶片热模压方法，其特征在于：以电渣熔铸方法制备模压叶片压坯，利用有限元分析软件对叶片进行三维智能展开，根据展开后的叶片外形尺寸制作热模压叶片模具和电渣熔铸叶片压坯，随后将电渣熔铸压坯加热到材料正火温度并保温，最终利用模压设备将电渣熔铸叶片压坯热模压成三维曲面叶片；

其中保温时间根据叶片最大厚度h确定，即保温时间为60+(2～3)h，h的单位为mm，保温时间单位为min。

本发明所述高品质水轮机叶片热模压方法，其特征在于所述热模压方法具体步骤如下：

(1)、利用有限元分析软件，对水轮机叶片进行三维智能展开，最终将水轮机叶片展成正面为平面、背面为曲面的三维曲面模压压坯；具体为：首先将整个叶片模型划分成数千个有限元网格，将各个单元标记标号；将标识完的叶片在虚拟模具内压型，利用点跟踪方法进行叶片的初步展开。计算叶片正面对应点的真实厚度，将真实厚度映射到展开叶片正面，从而生成展平叶片背面。再把初步展开后的叶片放入虚拟模具内，施加温度场及其它边界条件后进行二次压型，最后将输出的叶片展开图对照叶片尺寸图加以修正；

(2)、根据展开的叶片模压压坯外形尺寸，采用电渣熔铸方法制备出符合热模压要求的近净成形水轮机叶片压坯；

(3)、根据展开的叶片模压压坯外形尺寸，结合计算的叶片回弹量，制作出柔性可调节的热模压模具；具体为：结合电渣熔铸叶片压坯的外形尺寸，首先将一块块长短不一的钢板拼焊组合成模具上下表面，通过控制定位系统确定上、下模具的型线尺寸，对局部尺寸超过设计公差要求较多的，可进行打磨或加工。此外在设计压模时还要计算叶片的模压回弹量，并修正模具尺寸。最终使上下模具型线尺寸与叶片压坯表面型线相当；设计时尽量使压力中心与压力机中心、压模型腔中心、压坯中心尽量接近，以便压形时降低侧压力，稳定定位。叶片模具分上、下模具。当对不同外形尺寸的叶片进行模压时，可以通过智能系统控制并调节热模压模具下模的定位系统，改变模具表面的型线尺寸，满足不同类型叶片使用；

(4)、将电渣熔铸叶片压坯加热到1000-1100℃并保温，保温时间(min)为60+(2～3)h，其中h为叶片最大厚度，单位为mm。

(5)、将电渣熔铸叶片压坯放置在可调节热模压模具上，加压至上下模具间隙≤2mm，保压时间(min)为5+(0.03～0.05)h，其中h为叶片最大厚度，单位为mm。

(6)、卸压后，检查叶片压坯与下模具间隙，要求间隙≤2mm；若不符合，需重复进行步骤4-5；

(7)、取出热模压叶片毛坯，进行探伤和三维测量；

(8)、将符合要求的热模压叶片毛坯进行热处理、加工、检验，并最终入库。

步骤(2)中电渣熔铸工艺具体步骤如下：

(a)、渣系与渣量控制：考虑叶片压坯凝固特性与化学成分的变化，合理选择电渣熔铸渣系，其主要成分为质量百分比：CaF₂：55～65％、Al₂O₃：25～35％，根据实际合金精炼要求加入MgO、CaO构成多元渣系，其加入量不高于渣系总质量的15％，渣层厚度一般为结晶器等效直径的40～60％；

(b)、起弧过程：采用固渣或液渣起弧，起弧料化学成分质量百分比为：TiO₂：40～55％、CaF₂：40～58％、MgO：2～5％；当采用固渣起弧时，在电极与底水箱之间放置一个信号检测装置，通过检测电极与起弧料接触瞬间，电极与底水箱之间电位变化，可检测出自耗电极是否已压紧并与水冷底板相连接，保证起弧料不被压碎或顶偏，最终实现电渣熔铸过程平稳起弧；采用该装置进行固渣起弧时，一次起弧成功率在98％以上。

(c)、供电参数选择：根据铸件尺寸、电极与结晶器的几何参数及熔铸工艺来确定熔铸功率、电压、电流等各个相应电参数，熔铸过程中注意保持电压和电流的稳定。其中电压控制在50～110V、电流控制在5500～18000A；

(d)、补缩：针对叶片压坯这类大宽厚比异形件，采用一种间断补缩方式进行补缩，具体实施方式如下：补缩期内，首先在3～8分钟以内将正常电流匀速降低到最小补缩电流，保持2～5分钟；再将最小补缩电流在2～5分钟内匀速升高到正常熔铸电流的70～90％，如此反复5～8次，每次的最高熔铸电流都为前次最高熔铸电流的70～90％，最后1次减小到零。

其中根据展开的叶片模压压坯外形尺寸，制作电渣熔铸叶片压坯分体组合式结晶器，所制作的分体组合式结晶器材质为全铝或铜钢焊接的分体组合式结晶器，全铝结晶器材质为ZL114A，结晶器内腔板与筋板的水缝宽度为25～40mm，结晶器内腔为铸造成形方法制备；铜钢焊接结晶器是以结晶器外腔及筋板为碳钢板，结晶器内腔为紫铜板，且结晶器可分体拆卸、维修，铜钢焊接结晶器内腔板与筋板的水缝宽度为15～35mm，结晶器内腔铜板为金属热弯+机加工制造工艺制备；所用自耗电极为砂型铸造电极和钢板拼焊电极2类，结合叶片压坯结晶器内腔尺寸，制备叶片压坯随形自耗电极，选用的填充比为0.3～0.45；叶片压坯防裂纹热处理工艺为：将拆箱后的电渣熔铸叶片压坯加热到800～900℃，保温4～6小时后，随炉冷却至室温。

本发明的有益效果如下：

(1)、采用电渣熔铸方法制备出的热模压叶片压坯，外形尺寸与叶片三维展开尺寸近净成形，热模压后的叶片毛坯仅少许加工就可符合叶片精加工尺寸要求，加工余量小，节约了材料，缩短了加工周期。

(2)、将研制的可调节热模压模具，通过智能系统控制并调节热模压模具下模的定位系统，改变模具尺寸，还可用作其他类似形状叶片的热模压模具，节约了模具费用。

(3)、由于常规水轮机叶片的正火工艺，一般也是在1000-1100℃之间，保温一定时间，因此，将电渣熔铸叶片压坯加热、保温的同时起到了正火效果，可减少后续的一次正火热处理工序，节约了能耗。

(4)、对比传统铸造叶片及钢板模压叶片，采用本发明所述方法生产的叶片内部质量优异、缩短了生产周期，降低了加工余量，力学性能得到明显提高。

具体实施方式

实施例1：

(一)、本实施例是针对高品质水轮机叶片的热模压方法，所述的叶片长度约500mm，最大宽为300mm，最大厚度为80mm，最小厚度为15mm，叶片材质为ZG06Cr13Ni4Mo。

(1)、利用有限元分析软件，对该叶片进行三维智能展开，将水轮机叶片展成正面为平面、背面为曲面的叶片模压压坯；根据展开的叶片模压压坯外形尺寸，采用电渣熔铸方法制备出符合热模压要求的近净成形热模压水轮机叶片压坯，叶片压坯长度约650mm，最大宽度400mm，最大厚度90mm；根据展开的叶片模压压坯外形尺寸，制作出柔性可调节的热模压模具；

其中，电渣熔铸叶片压坯的制备工艺过程：

①根据水轮机叶片三维智能展开尺寸，确定叶片压坯的外轮廓尺寸。

②选取铜钢焊接的分体组合式结晶器，内腔板与筋板的水缝宽度为20mm，结晶器内腔铜板由金属热弯+机加工工艺制备。

③制备叶片压坯随形自耗电极，选用的填充比为0.3，制备的自耗电极为砂型铸造随形电极。

④电渣熔铸工艺过程：

a、渣系与渣量配比，CaF₂：65％、Al₂O₃：30％、MgO：3％、CaO：2％，渣量重量为叶片压坯重量的8％，渣层厚度为结晶器等效直径的40％。

b、采用固渣起弧，起弧料化学成分以质量百分比为TiO₂：45％、CaF₂：53％、MgO：2％；在电极与底水箱之间放置一个信号检测装置，通过检测电极与起弧料接触瞬间，电极与底水箱之间电位变化，检测出自耗电极已压紧并与水冷底板相连接，起弧料未被压碎或顶偏，固渣起弧成功率100％。

c、根据铸件尺寸、电极与结晶器的几何参数及熔铸工艺，确定熔铸电压60V、电流为7500A。

d、补缩期内，首先在4分钟以内将正常电流匀速降低到最小补缩电流，保持3分钟；再将最小补缩电流在2分钟内匀速升高到正常熔铸电流的70％，反复5次，每次的最高熔铸电流都为前次最高熔铸电流的70％，最后1次减小到零。

(2)、将电渣熔铸叶片压坯加热到1050±10℃并保温，保温4个小时；将电渣熔铸叶片压坯放置在可调节热模压模具上，加压至上下模具基本无缝隙，保压8分钟；卸压后，检查叶片压坯与下模具间隙，间隙为0.8mm；对该模压叶片进行探伤和三维测量，并将模压后的叶片进行回火热处理(加热到610℃，保温4个小时，并随炉冷却至室温)。

经测量，热处理后的模压叶片力学性能为：R_P0.2/670Mpa，R_m900Mpa，A/23％，Z/78％，KV₂/184J；经对模压叶片尺寸进行三维检测，叶片单边约需6mm加工量即可满足精加工图纸要求。

(二)、利用传统铸造方法生产了实施例1涉及到的同一叶片，并采用相同热处理工艺(将铸造叶片加热到1050℃保温4个小时后；又二次加热的610℃进行回火热处理，保温4个小时，并随炉冷却至室温)。经检测，铸造叶片的力学性能为：R_P0.2/550Mpa，R_m/765Mpa，A/18％，Z/37％，KV₂/70J；

(三)、将模压压坯从电渣熔铸压坯换做等厚钢板，其它模压工艺与实施例1完全相同，经测量，热处理后的模压叶片力学性能为：R_P0.2/600Mpa，R_m/825Mpa，A/22％，Z/60％，KV₂/115J；经对模压叶片尺寸进行三维检测，叶片单边约需25mm加工量才可满足精加工图纸要求。

显然，通过对比采用本发明制造的水轮机叶片与砂铸方法制作的叶片可知，本发明制作的模压叶片屈服强度和抗拉强度可提高15-20％，冲击值提高30％以上，叶片质量优异，且叶片后期减少了一次正火热处理，结余了生产周期和生产成本。

通过对比采用本发明制造的水轮机叶片与采用等厚钢板作为压坯制作的模压叶片可知，本发明制作的模压叶片屈服强度和抗拉强度可提高10％，冲击值提高15％以上，叶片质量优异；叶片加工量降低了50％，提高了材料利用率，缩短了加工工期。

实施例2：

本实施例是针对高品质水轮机叶片的热模压方法，所述的叶片为X形三维扭曲叶片，叶片长度约800mm，最大宽为500mm，最大厚度为150mm，最小厚度30mm，叶片材质为ZG06Cr13Ni5Mo。

(1)、利用有限元分析软件，对该叶片进行三维智能展开，将水轮机叶片展成正面为平面、背面为曲面的叶片模压压坯；根据展开的叶片模压压坯外形尺寸，采用电渣熔铸方法制备出符合热模压要求的近净成形热模压水轮机叶片压坯，叶片压坯长度约900mm，最大宽度620mm，最大厚度140mm；根据展开的叶片模压压坯外形尺寸，制作出柔性可调节的热模压模具；

其中，电渣熔铸叶片压坯的制备工艺过程：

②选取铜钢焊接的分体组合式结晶器，内腔板与筋板的水缝宽度为30mm，结晶器内腔铜板由金属热弯+机加工工艺制备。

③制备叶片压坯随形自耗电极，选用的填充比为0.33，制备的自耗电极为钢板拼焊电极。

④电渣熔铸工艺过程：

a、渣系与渣量配比，CaF₂：60％、Al₂O₃：28％、MgO：6％、CaO：6％，渣量重量为叶片压坯重量的8％，渣层厚度为结晶器等效直径的40％。

b、采用固渣起弧，起弧料化学成分以质量百分比为TiO₂：50％、CaF₂：48％、MgO：2％；在电极与底水箱之间放置一个信号检测装置，通过检测电极与起弧料接触瞬间，电极与底水箱之间电位变化，检测出自耗电极已压紧并与水冷底板相连接，起弧料未被压碎或顶偏，固渣起弧成功率100％。

c、根据铸件尺寸、电极与结晶器的几何参数及熔铸工艺，确定熔铸电压85V、电流为10500A。

d、补缩期内，首先在4分钟以内将正常电流匀速降低到最小补缩电流，保持5分钟；再将最小补缩电流在2分钟内匀速升高到正常熔铸电流的80％，反复5次，每次的最高熔铸电流都为前次最高熔铸电流的80％，最后1次减小到零。

(2)、将电渣熔铸叶片压坯加热到1030±10℃并保温，保温5.5个小时；将电渣熔铸叶片压坯放置在可调节热模压模具上，加压至上下模具基本无缝隙，保压10分钟；卸压后，检查叶片压坯与下模具间隙，间隙为0.8mm；对该模压叶片进行探伤和三维测量，并将模压后的叶片进行回火热处理(加热到620℃，保温5.5个小时，并随炉冷却至室温)。

经测量，热处理后的模压叶皮力学性能为：R_P0.2/680Mpa，R_m/920Mpa，A/22％，Z/75％，KV₂/155J，达到叶片合同要求。

针对本叶片进行了10次试验，发现有9次只经过一次模压就符合叶片图纸要求，一次模压成功的合格率为90％。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高品质水轮机叶片热模压方法，其特征在于：以电渣熔铸方法制备模压叶片压坯，利用有限元分析软件对叶片进行三维智能展开，根据展开后的叶片外形尺寸制作热模压叶片模具和电渣熔铸叶片压坯，随后将电渣熔铸压坯加热到材料正火温度并保温，最终利用模压设备将电渣熔铸叶片压坯热模压成三维曲面叶片；

其中保温时间根据叶片最大厚度h确定，即保温时间为60+(2～3)h，h单位为mm，保温时间单位为min。

2.按照权利要求1所述高品质水轮机叶片热模压方法，其特征在于：利用有限元分析软件，对水轮机叶片进行三维智能展开，最终将水轮机叶片展成正面为平面、背面为曲面的三维曲面模压压坯。

3.按照权利要求1所述高品质水轮机叶片热模压方法，其特征在于：根据展开的叶片模压压坯外形几何尺寸，采用电渣熔铸方法制备出符合热模压要求的近净成形水轮机叶片压坯，电渣熔铸工艺具体为：

(1)、渣系与渣量控制：电渣熔铸渣系主要成分为质量百分比：CaF₂：55～65％、Al₂O₃：25～35％，根据实际合金精炼要求加入MgO、CaO构成多元渣系，其加入量不高于渣系总质量的15％，渣层厚度为结晶器等效直径的40～60％；

(2)、起弧过程：采用固渣或液渣起弧，起弧料化学成分质量百分比为：TiO₂：40～55％、CaF₂：40～58％、MgO：2～5％；当采用固渣起弧时，在电极与底水箱之间放置一个信号检测装置，通过检测电极与起弧料接触瞬间，电极与底水箱之间电位的变化，可检测出自耗电极是否已压紧并与水冷底板相连接，保证起弧料不被压碎或顶偏；

(3)、供电参数选择：电压控制在50～110V、电流控制在5500～18000A；

(4)、补缩：采用间断补缩方式进行补缩；补缩期内，首先在3～8分钟内将正常电流匀速降低到最小补缩电流，保持2～5分钟，再将最小补缩电流在2～5分钟内匀速升高到正常熔铸电流的70～90％，如此反复5～8次，每次的最高熔铸电流都为前次最高熔铸电流的70～90％，最后1次减小到零。

4.按照权利要求1所述高品质水轮机叶片热模压方法，其特征在于：根据展开的叶片模压压坯外形尺寸，结合叶片回弹量，制作柔性可调节的热模压模具。

5.按照权利要求1所述高品质水轮机叶片热模压方法，其特征在于：所述材料正火温度为1000-1100℃。

6.按照权利要求1～5任一所述高品质水轮机叶片热模压方法，其特征在于，利用模压设备将电渣熔铸叶片压坯热模压成三维曲面叶片的过程为：将电渣熔铸叶片压坯放置在热模压模具上，加压至上下模具间隙≤2mm，保压，保压时间根据叶片的最大厚度h确定，即保压时间为5+(0.03～0.05)h，其中h单位为mm，保压时间单位为min。