CN108942107A - 一种冲击式水轮机转轮的制造方法 - Google Patents

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程广福
吕晓强
李景
金殿彪
刘玉鑫
文道维
魏松
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Abstract

本发明涉及一种冲击式水轮机转轮的制造方法，将转轮沿着节圆将每个斗叶分为斗根和外斗两部分，以节圆内的轮毂和斗根为整体，采用机械加工的方法制造，节圆外部的斗叶的外斗采用冷金属过渡电弧增材制造方法制造；将外斗三维数学模型导入专用软件，以斗根的节圆截面为增材制造基础，对外斗数学模型沿节圆垂直方向进行切片和焊接路径规划将规划的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用冷金属过渡技术进行电弧增材制造，完成所有外斗的自动增材制造，形成近净成型的外斗；在数控机床上进行完成外斗增材制造的转轮的外斗的机械加工；对转轮进行抛光，完成转轮的制造。该方法具有加工精度高、周期短和成本低的优势，同时，对于以锻件为基的制造，可以获得性能优于整体锻件制造的转轮，对于铸造为基的制造，可以获得易疲劳破坏区域性能更优的转轮。

Description

一种冲击式水轮机转轮的制造方法
技术领域：
本发明涉及一种冲击式水轮机转轮的制造方法。
背景技术：
水轮机转轮是水电站发电机组的核心部件，其制造质量和寿命直接决定了电站的运行效率、安全性和稳定性。其中，冲击式水轮机转轮是应用比较广泛的转轮。目前，这种转轮主要采用铸造毛坯+机械加工和锻造圆坯+整体机加两种方式制造。其中，铸造毛坯+机械加工的方法获得的转轮材料性能较差，转轮运行过程中容易发生断斗的事故；而对于锻造圆坯+整体机加的方法，这种方法虽然可以获得高质量的转轮，但由于加工量大，加工深度大，斗叶的干涉等原因，不但需要高级别的数控机床，而且机械加工时刀柄伸出过长，限制了加工的进刀量，影响加工效率，同时大伸长引起的刀具抖动，无法保证加工质量，加工成本加高。
除以上两种方法之外，安德里茨公司研发了以机器人操控的微铸(Micro Guss)技术用于转轮的制造，该方法采用熔化极电弧焊(MIG)为热源进行增材制造，获得了产质量接近于锻件的产品。但该方法任然存在很多不足，首先，MIG焊的可控性较差，获得的增材制造坯的精度较差，需要保留很大的加工余量；第二，MIG焊的热输入大，残余应力大，易变形，需要进行焊后的热处理去应力；第三，增材制造部分的性能低于锻件水平，而且，焊接热影响区(HAZ)较大，该区域的性能薄弱，因此，在进行增材制造区域划分时需要特别注意HAZ不能位于水斗的最大应力区，这样就增加了增材制造的量，并且使部分增材制造外斗也在机械加工的干涉区内，增加了制造成本和制造周期。同时，对于小型的冲击转轮上，由于转轮尺寸小，外斗较密，空间较小，增材制造和加工困难，限制了该方法在这类转轮上的应用。
冷金属过渡技术(CMT)具有低热输入、无飞溅等特点，而且，其送丝运动与熔滴过渡过程可进行数字化协调，在物质输入方面具有更高的可操控性，可能会成为将来电弧增材制造的主要热源方式。相关的实验证明，CMT增材制造的转轮用0Cr13Ni5Mo材质，其HAZ仅在熔合区附近，范围极小，对部件的性能弱化作用非常小，同时，其疲劳性能明显优于锻件，而与0Cr13Ni5Mo基材结合界面处的性能与基材相当，应用于铸造冲击转轮的外斗制造，可以显著提高转轮易发生断裂的外斗的抗疲劳性能，应用于整段机加的转轮的制造，可显著降低制造周期和制造成本。其与机器人的结合是转轮增材制造的理想方法。
发明内容：
本发明涉及一种冲击式水轮机转轮的制造方法，具有加工精度高、周期短和成本低的优势。
本发明的技术方案为：
1)对转轮沿着节圆进行分割，分为内部的轮毂和斗根，以及外部的外斗；
2)进行轮毂和斗根部分的加工，材质可以为锻造马氏体不锈钢圆坯，也可以为铸造马氏体不锈钢毛坯；
3)将转轮的三维数学模型导入专用软件，以水斗节圆的界面为增材制造基础，并对外斗过流面自动增加3.0mm的加工余量，对外斗数学模型沿节圆垂直方向进行切片和焊接路径规划；
4)将规划的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用冷金属过渡技术进行电弧增材制造，按照外斗的数学模型切片，每完成一个外斗的一个片层制造后，将转轮旋转一定角度，使下一个外斗进入增材制造工位，而后继续进行外斗的增材制造，以此类推，完成所有外斗同一切片层的制造，然后进行下一层制造，以此类推，最终完成所有外斗的自动增材制造，形成近净成型的外斗；
5)在数控机床上进行完成外斗增材制造的转轮的外斗的机械加工；
6)对转轮进行抛光，完成转轮的制造。
技术效果：
水轮机转轮是水电站发电机组的核心部件，其制造质量和寿命直接决定了电站的运行效率、安全性和稳定性。冲击式水轮机转轮的制造要综合考虑转轮的材质需求，制造成本和制造周期。本发明提出了一种机械加工部分与机器人控制CMT外斗增材制造相结合的冲击式转轮方法，充分结合利用机械加工和增材制造两种技术的优点，由于转轮的大部分制造成本发生在机加工过程，为了提高转轮的加工效率，使得所加工部分均处以开放空间，不受到外部斗叶干涉，在这种状况下，刀柄伸长更小，加工稳定性高，加工时可以给更大的进刀量，同时，避免了刀具的频繁更换，大幅提高加工效率。此外，兼顾增材制造的工时和成本，减少增材制造的量。因此，考虑到以上两点，在转轮的节圆处对其进行分割，内部采用锻件或铸件制造，外部采用增材制造方法制造。与原有的方法相比较，该方法具有加工精度高、周期短和成本低的优势，同时，对于以锻件为基的制造，可以获得性能优于整体锻件制造的转轮，对于铸造为基的制造，可以获得易疲劳破坏区域性能更优的转轮。
附图说明：
图1是冲击式水轮机转轮分割示意图。
图2是轮毂及斗根部分示意图。
图3是增材制造截面示意图。
图4是转轮截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述：
如1图所示，将转轮1沿着节圆5将每个斗叶2分为斗根4和外斗3两部分，以节圆5内的轮毂7和斗根4为整体，采用机械加工的方法制造，节圆5外部的斗叶2的外斗3采用冷金属过渡技术进行电弧增材制造；
如图2所示，进行轮毂7和斗根4的坯料的制造，坯料是锻造圆坯马氏体不锈钢或铸造毛坯，采用数控机床完成轮毂7和斗根4的制造；
如图3所示，将外斗3三维数学模型导入专用软件，以斗根4的节圆5截面6为增材制造基础，并对外斗3过流面自动增加3.0mm的加工余量，对外斗3数学模型沿节圆5垂直方向进行切片和焊接路径规划；
如图4所示，将规划的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用冷金属过渡技术进行电弧增材制造，按照外斗3的数学模型切片，每完成一个外斗3的一个片层制造后，将转轮1旋转角度，使下一个外斗3进入增材制造工位，而后继续进行外斗3的增材制造，以此类推，完成所有外斗3同一切片层的制造，然后进行下一层制造，以此类推，最终完成所有外斗3的自动增材制造，形成近净成型的外斗3；在数控机床上进行完成外斗3增材制造的转轮1的外斗3的机械加工；对转轮1进行抛光，完成转轮1的制造。

Claims (1)

1.一种冲击式水轮机转轮的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将转轮(1)沿着节圆(5)将每个斗叶(2)分为斗根(4)和外斗(3)两部分，以节圆(5)内的轮毂(7)和斗根(4)为整体，采用机械加工的方法制造，节圆(5)外部的斗叶(2)的外斗(3)采用冷金属过渡技术进行电弧增材制造；
2)进行轮毂(7)和斗根(4)的坯料的制造，坯料是锻造圆坯马氏体不锈钢或铸造毛坯，采用数控机床完成轮毂(7)和斗根(4)的制造；
3)将外斗(3)三维数学模型导入专用软件，以斗根(4)的节圆(5)截面(6)为增材制造基础，并对外斗(3)过流面自动增加3.0mm的加工余量，对外斗(3)数学模型沿节圆(5)垂直方向进行切片和焊接路径规划；
4)将规划的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用冷金属过渡技术进行电弧增材制造，按照外斗(3)的数学模型切片，每完成一个外斗(3)的一个片层制造后，将转轮(1)旋转角度，使下一个外斗(3)进入增材制造工位，而后继续进行外斗(3)的增材制造，以此类推，完成所有外斗(3)同一切片层的制造，然后进行下一层制造，以此类推，最终完成所有外斗(3)的自动增材制造，形成近净成型的外斗(3)；
5)、在数控机床上进行完成外斗(3)增材制造的转轮(1)的外斗(3)的机械加工；
6)、对转轮(1)进行抛光，完成转轮(1)的制造。
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