CN104625650A

CN104625650A - 冲击式水轮机转轮的制造工艺

Info

Publication number: CN104625650A
Application number: CN201510030647.3A
Authority: CN
Inventors: 胡桂川
Original assignee: Chongqing University of Science and Technology
Current assignee: Chongqing University of Science and Technology
Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2035-01-21
Also published as: CN104625650B

Abstract

本发明工况了一种冲击式水轮机转轮的制造工艺，本工艺按以下步骤进行：制造转轮的锻造毛坯：进行转轮的三维实体造型设计，构建转轮轮盘以及轮盘与水斗连接区域的实体模型，精炼制造转轮的不锈钢，并浇铸钢锭，锻造轮盘以及轮盘与水斗连接区域，并进行正火、回火处理，得到锻造毛坯；对锻造毛坯进行机械粗加工到精加工所要求的尺寸精度和表面粗糙度；对工件进行水斗形状的机器人堆焊；对工件进行机械精加工，得到成品转轮。本工艺提高了水轮机转轮的材质性能和整体强度，增加了冲击式水轮机转轮性能和使用寿命，降低了水轮机转轮的生产成本。

Description

冲击式水轮机转轮的制造工艺

技术领域

本发明涉及到冲击式水轮机制造领域，特别涉及到一种冲击式水轮机转轮的制造工艺。

背景技术

冲击式水轮机转轮是高水头、超高水头水电站冲击式水轮机的核心部件，由于其在运行过程中，转轮在射流的冲击下高转速旋转，射流对转轮水斗的冲击与射流与水斗相对位置间关系非常密切，水斗在旋转一周的过程中，射流从进入水斗到流出水斗，对水斗的冲击力和冲击区域是随射流与水斗相对位置的变化而改变，射流的冲击和高速旋转的离心力联合作用，使转轮的应力为非线性的变应力。为了保证水轮发电机组的安全稳定运行，转轮必须具有较高的技术要求。

冲击式水轮机转轮的结构形式为在一个轮盘上均匀分布了17～21个水斗(根据机组的水力参数、喷嘴数等确定)，在轮盘与水斗连接区域由于结构特征的突变，在该区域将出现应力集中，因此，对水轮机转轮的制造提出了严格的要求。在材料性能方面，对于采用低碳不锈钢制造的转轮，要求材料的断裂强度σs≥550Mpa，对于采用超低碳不锈钢制造的转轮，要求材料的断裂强度σs≥750Mpa，且要求其内部组织不得有白点、裂纹、缩孔等缺陷。

现有冲击式水轮机转轮制造方法有以下5种：(1)铸造毛坯、人工打磨；(2)轮盘和水斗分别进行加工，然后通过焊接工艺，将水斗与轮盘焊接为一个整体；(3)水斗与轮盘分别制造，然后通过螺栓进行联结；(4)采用氩氧脱碳法AOD或真空吹氧脱碳法VOD进行精炼后的不绣钢的坯件，进行锻造后，利用数控机床进行数控加工；(5)采用铸造、焊接和人工打磨相结合的加工方法，即分别铸造轮盘和水斗，将其焊接为一体，再采用人工打磨的方法加工水斗，对于轮盘的轴孔和端面还要进行机械加工。

显然，现有冲击式水轮机转轮制造方法生产出的转轮存在以下几点不足：⑴铸造材料材质疏松，内部缺陷多，不耐冲刷与气蚀；⑵水斗根部焊接部位在长期交变应力作用下容易断裂；⑶水斗圆周重量分布不均匀，在高速旋转的情况下容易产生振动；(4)联结螺栓在射流冲击下，产生的综合应力值超过螺栓的许用应力，联结螺栓出现断裂的风险；(5)整体锻造毛坯数控加工工艺制造的转轮，其材料加工量大，加工后的转轮重量进为毛坯重量的三分之一，加工设备要求高，需要多轴数控加工机床，编程人员、加工人员的技术水平要求高，加工成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中冲击式水轮机转轮制造方法中存在的铸造材料材质疏松、焊接部位容易断裂、水斗圆周重量分布不均匀、联结螺栓出现断裂的风险和加工成本高等问题，提供一种冲击式水轮机转轮的制造工艺，本工艺提高了水轮机转轮的材质性能和整体强度，增加了冲击式水轮机转轮性能和使用寿命，降低了水轮机转轮的生产成本。

本发明的目的是这样实现的：

一种冲击式水轮机转轮的制造工艺，本工艺按以下步骤进行：

步骤1)制造转轮的锻造毛坯：

1.1根据所需制造的转轮的形状参数，利用机械设计软件进行转轮的三维实体造型设计；

1.2根据转轮在射流冲击下、高速旋转一周的过程中，转轮的应力、变形及其分布规律，构建转轮轮盘以及轮盘与水斗连接区域的实体模型，利用该实体模型设计锻造毛坯图，锻造毛坯的两个端面设计足够的机械加工余量；

1.3采用氩氧脱碳法AOD或真空吹氧脱碳法VOD精炼制造转轮的不锈钢，并浇铸钢锭，再根据步骤1.2设计的锻造毛坯图，用浇铸的钢锭采用整体锻造方式锻造轮盘以及轮盘与水斗连接区域，并进行正火、回火处理，得到锻造毛坯；

步骤2)对步骤1)所得的锻造毛坯进行机械粗加工：

采用普通机床加工，将锻造毛坯的轮盘部分加工到精加工所要求的尺寸精度和表面粗糙度；采用数控机床加工，将轮盘与水斗连接区域加工到精加工所要求的尺寸精度和表面粗糙度；

步骤3)对步骤2)所得的工件进行水斗形状的机器人堆焊：

3.1制造堆焊回转工作台及其驱动系统、分度系统；

3.2构建需堆焊的水斗部分的三维实体模型，并根据最优堆焊厚度，将水斗部分的三维实体模型切成一系列的二维平面模型；

3.3利用步骤3.2切成的二维平面模型，进行机器人的路径规划；

3.4利用机器人离线编程技术，进行机器人路径设计；

3.5利用熔化极气体保护焊堆焊转轮水斗，通过逐渐叠加二维薄层的方法堆焊出转轮的水斗部分，在完成一个水斗截面的堆积后，旋转堆焊回转工作台进行下一个水斗截面的堆焊，最终堆焊出转轮的所有水斗，堆焊后转轮的水斗区域预留足够的机械加工余量；

步骤4)对步骤3)所得的工件进行机械精加工，得到成品转轮。

步骤1.2中，利用有限元分析技术分析转轮在射流冲击下、高速旋转一周的过程中，转轮的应力、变形及其分布规律。

对步骤1)所得的锻造毛坯的两个端面进行超声波探伤，保证进入步骤2)的锻造毛坯没有白点、裂纹、缩孔缺陷。

对步骤2)所得的工件进行超声波检查，保证进入步骤3)工件的轮盘与水斗连接区域没有裂纹、缩孔缺陷。

步骤3.1中，堆焊回转工作台通过步进电机进行驱动，根据转轮的水斗数量用分度头实现分度。

步骤3.5中，利用熔化极气体保护焊堆焊转轮水斗，堆焊过程中，采用连续等速送进可熔化的焊丝，以电弧作为热源来熔化焊丝、形成熔池和焊缝的弧焊成型方法进行转轮水斗堆焊。

步骤3.5中，以机器人为主体，配合多自由度变位机及相关的焊接传感控制器件，在中央计算机的综合控制下，实现堆焊接规划、离线编程、图形仿真及焊接参数的在线调整。

步骤3.5中，利用红外测温仪，采用红外线点测温的扫描方式，对焊接熔敷成型部位进行温度预测及分析，有针对性地对金属成型过程中的温度进行在线监测，为金属成型过程控制提供依据。

步骤4)中，利用多轴数控机床对步骤3)所得的工件进行机械精加工，除水斗区域外，所有尺寸加工到位；对水斗工作面和背面采用分块打磨方式，利用工业机器人对水斗区域进行打磨。

根据建立的转轮水斗三维实体模型，利用离线编程技术，编制机器人打磨路径，进行打磨。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明冲击式水轮机转轮锻造轮盘、堆焊水斗组合整体制造工艺大幅度的提高了水轮机转轮的材质性能和整体强度，避免了焊接部位容易断裂、水斗圆周重量分布不均匀、材料加工量大和加工成本高等问题，有效的提高了冲击式水轮机转轮性能和使用寿命。

在材料性能方面，经实测，对于采用低碳不锈钢制造的转轮，材料的断裂强度σs≥550Mpa，对于采用超低碳不锈钢制造的转轮，材料的断裂强度σs≥750Mpa，而且内部组织均不易出现白点、裂纹、缩孔等缺陷。

采用本工艺制造的转轮的轮盘以及轮盘与水斗连接区域锻造成型，材质细密，内部缺陷少，因而耐冲刷与气蚀，轮盘与水斗连接区域与轮盘一体锻造，强度极高，不会出现断裂，使用寿命更长。水斗部分采用机器人堆焊快速成型技术，配合机械数控精加工，水斗圆周重量分布均匀，在高速旋转的情况下不会产生振动，使用寿命更长；而且成型速度快，材料加工量小，降低了加工成本。

附图说明

图1为冲击式水轮机转轮总体结构示意图；

图2为图1的俯视示意图；

图3为冲击式水轮机转轮轮盘及轮盘与水斗连接区域结构示意图；

图4为图3的俯视示意图；

图5为冲击式水轮机转轮水斗结构示意图；

图6为图5的俯视示意图；

图7为图6的A-A剖视示意图。

附图标记

附图中，1为轮盘，2为水斗，3为轮盘与水斗连接区域。

具体实施方式

参见图1至图7，为冲击式水轮机转轮的制造工艺的一种较佳的实施例，本工艺按以下步骤进行：

步骤1)制造转轮的锻造毛坯：

1.1根据所需制造的转轮的形状参数，利用机械设计软件(如PRO/Engineer WildFire、UG/NX、Catia等)进行转轮的三维实体造型设计。

1.2利用有限元分析技术分析转轮在射流冲击下、高速旋转一周的过程中，转轮的应力、变形及其分布规律，根据转轮在射流冲击下、高速旋转一周的过程中，转轮的应力、变形及其分布规律，参见附图3、附图4，构建转轮轮盘以及轮盘与水斗连接区域的实体模型，利用该实体模型设计锻造毛坯图，锻造毛坯的两个端面设计足够的机械加工余量。

1.3采用氩氧脱碳法AOD或真空吹氧脱碳法VOD精炼制造转轮的不锈钢，不锈钢材料的化学成分按照表1所列出的成分含量进行验收。

表1：转轮材料的化学验收表(注：元素的重量百分比含量计算)

其中：Cu、W、V为残余元素，残余元素总量≤0.80％。

然后浇铸钢锭，再根据步骤1.2设计的锻造毛坯图，用浇铸的钢锭采用整体锻造方式锻造轮盘以及轮盘与水斗连接区域，锻件用钢锭的上、下端应有足够的切除量，以确保锻造毛坯无缩孔和成分偏析。锻造成型应使锻件的整个截面得到充分的锻造，锻件与钢锭的中心线应较好的重合；锻件表面不应有肉眼可见的裂纹、折叠和影响其使用的外观缺陷；局部缺陷可以清除，但清除的深度不得超过精加工余量的75％。

然后进行正火、回火处理，得到锻造毛坯，并保证锻造毛坯的机械性能达到表2要求。

表2：锻件热处理后的机械性能参数

对步骤1)所得的锻造毛坯的两个端面进行超声波探伤，保证进入步骤2)的锻造毛坯没有白点、裂纹、缩孔缺陷。超声波探伤标准参照JB4730-2005中压力容器锻件超声检测执行，轮盘与水斗连接区检测等级按Ⅰ级执行，且没有超过φ3mm以上的缺陷，两缺陷之间的间距应大于较大缺陷直径的5倍；轮盘区检测等级按Ⅲ级执行。

步骤2)对步骤1)所得的锻造毛坯进行机械粗加工：

采用普通机床加工，将锻造毛坯的轮盘部分加工到精加工所要求的尺寸精度和表面粗糙度；采用数控机床加工，将轮盘与水斗连接区域加工到精加工所要求的尺寸精度和表面粗糙度。

对步骤2)所得的工件进行超声波检查，保证进入步骤3)工件的轮盘与水斗连接区域没有裂纹、缩孔缺陷，超声波探伤标准参照JB4730-2005中压力容器超声检测执行。

步骤3)对步骤2)所得的工件进行水斗形状的机器人堆焊：

3.1根据提供的技术、功能要求，制造堆焊回转工作台及其驱动系统、分度系统，堆焊回转工作台通过步进电机进行驱动，根据转轮的水斗数量用分度头实现分度。

3.2构建需堆焊的水斗部分的三维实体模型，并根据实验活动的最优堆焊厚度，将水斗部分的三维实体模型切成一系列的二维平面模型。

3.3利用步骤3.2切成的二维平面模型，进行机器人的路径规划。

3.4利用机器人离线编程技术，进行机器人路径设计。

3.5利用熔化极气体保护焊堆焊转轮水斗，通过逐渐叠加二维薄层的方法堆焊出转轮的水斗部分，在完成一个水斗截面的堆积后，旋转堆焊回转工作台进行下一个水斗截面的堆焊，最终堆焊出转轮的所有水斗，堆焊后转轮的水斗区域预留2～3mm的机械加工余量。

利用熔化极气体保护焊堆焊转轮水斗，堆焊过程中，采用连续等速送进可熔化的焊丝，以电弧作为热源来熔化焊丝、形成熔池和焊缝的弧焊成型方法进行转轮水斗堆焊。以机器人为主体，配合多自由度变位机及相关的焊接传感控制器件，在中央计算机的综合控制下，实现堆焊接规划、离线编程、图形仿真及焊接参数的在线调整。

利用红外测温仪，采用红外线点测温的扫描方式，对焊接熔敷成型部位进行温度预测及分析，有针对性地对金属成型过程中的温度进行在线监测，为金属成型过程控制提供依据。

步骤4)对步骤3)所得的工件进行机械精加工，得到成品转轮。

步骤4)中，利用多轴数控机床对步骤3)所得的工件进行机械精加工，除水斗区域外，所有尺寸加工到位，在水斗区域，剩余加工余量为0.5mm的转轮。由于冲击式水轮机转轮轮盘上均匀布置了17～21个水斗，而水斗的空间曲面非常复杂，对水斗工作面和背面采用分块打磨方式，利用工业机器人对水斗区域进行打磨。需加工后的水斗表面的导路纹理非常复杂和混杂，对于外观要求很高，需要对表面进行打磨，根据建立的转轮水斗三维实体模型，利用离线编程技术，编制机器人打磨路径，利用工业机器人进行打磨。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims

1.一种冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于，本工艺按以下步骤进行：

步骤1)制造转轮的锻造毛坯：

步骤2)对步骤1)所得的锻造毛坯进行机械粗加工：

步骤3)对步骤2)所得的工件进行水斗形状的机器人堆焊：

3.1制造堆焊回转工作台及其驱动系统、分度系统；

3.4利用机器人离线编程技术，进行机器人路径设计；

步骤4)对步骤3)所得的工件进行机械精加工，得到成品转轮。

2.根据权利要求1所述的冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于：步骤1.2中，利用有限元分析技术分析转轮在射流冲击下、高速旋转一周的过程中，转轮的应力、变形及其分布规律。

3.根据权利要求1所述的冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于：对步骤1)所得的锻造毛坯的两个端面进行超声波探伤，保证进入步骤2)的锻造毛坯没有白点、裂纹、缩孔缺陷。

4.根据权利要求1所述的冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于：对步骤2)所得的工件进行超声波检查，保证进入步骤3)工件的轮盘与水斗连接区域没有裂纹、缩孔缺陷。

5.根据权利要求1所述的冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于：步骤3.1中，堆焊回转工作台通过步进电机进行驱动，根据转轮的水斗数量用分度头实现分度。

6.根据权利要求1所述的冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于：步骤3.5中，利用熔化极气体保护焊堆焊转轮水斗，堆焊过程中，采用连续等速送进可熔化的焊丝，以电弧作为热源来熔化焊丝、形成熔池和焊缝的弧焊成型方法进行转轮水斗堆焊。

7.根据权利要求6所述的冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于：步骤3.5中，以机器人为主体，配合多自由度变位机及相关的焊接传感控制器件，在中央计算机的综合控制下，实现堆焊接规划、离线编程、图形仿真及焊接参数的在线调整。

8.根据权利要求7所述的冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于：步骤3.5中，利用红外测温仪，采用红外线点测温的扫描方式，对焊接熔敷成型部位进行温度预测及分析，有针对性地对金属成型过程中的温度进行在线监测，为金属成型过程控制提供依据。

9.根据权利要求1所述的冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于：步骤4)中，利用多轴数控机床对步骤3)所得的工件进行机械精加工，除水斗区域外，所有尺寸加工到位；对水斗工作面和背面采用分块打磨方式，利用工业机器人对水斗区域进行打磨。

10.根据权利要求9所述的冲击式水轮机转轮的制造工艺，其特征在于：根据建立的转轮水斗三维实体模型，利用离线编程技术，编制机器人打磨路径，进行打磨。