CN111545993A - 一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法 - Google Patents
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Abstract
一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，属于水轮机转轮制造领域，本发明解决现有水轮机转轮中斗叶在加工时容易产生断裂、加工困难、制作成本高和制作周期长的问题，本发明的主要技术方案是通过对水轮结构进行有效的分割，将整体加工改变为分块加工，在保证加工精度的同时，简化了加工方法，提高了加工的速度，本发明主要用于对水轮机转轮中斗叶的制造。
Description
技术领域
本发明属于水轮机转轮制造领域，具体涉及一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法。
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。该方法的增材制造部分为转轮的外斗，尽管在增材部位设计时尽量避免了薄弱区域(增材部分与基体的熔合区和热影响区)位于转轮运行时的高应力区，但该部分仍然位于转轮做功的主要区域，而且，薄弱区域和增材方向与冲击转轮运行时的水流冲击方向和高速旋转时的离心力方向相同，增材的切片方向与转轮运行时受水流冲击的方向垂直，该方法制造的转轮在运行时仍然存在外斗断裂的危险。此外，为了避开高应力区，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。
因此研发一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法解决上述问题是十分具有实际意义的。
发明内容
本发明为了解决现有水轮机转轮中斗叶在加工时容易产生断裂、加工困难、制作成本高和制作周期长的问题，进而提供了一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法；
一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，所述方法是通过如下步骤实现的：
步骤一：制作中心外斗，将转轮半成品坯料装卡在数控中心中，并利用铣削的方式沿转轮半成品坯料的周向等距加工N个中心外斗，N为正整数；
步骤二：制作两侧侧斗，并将两侧侧斗固定在中心外斗上形成斗叶；
步骤三：磨削斗叶，将加工有斗叶的转轮半成品中每个斗叶磨削至成品尺寸；
步骤四：斗叶抛光，将每个斗叶进行抛光处理；
步骤五：加工完成，检测成品；
进一步地，所述步骤一中所用数控中心为五轴数控加工中心，所用刀具为高速钢，采用进给速度为20m/min-40m/min，主轴转速为650r/min-800r/min，加工余量为1mm；
进一步地，所述步骤一中转轮半成品坯料为锻造圆坯、铸造圆坯或圆形钢板；
进一步地，所述步骤二中制作侧斗分为两步骤：
步骤A：将两侧侧斗三维数学模型导入模拟软件中，并以中心外斗中切面的截面为增材制造基础，并对侧斗过流面增加2.0mm的加工余量，对侧斗数学模型沿切面垂直方向生成切片和焊接路径规划；
步骤B：将规划好的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用增材制造方法，按照侧斗的数学模型切片，每完成单面侧斗的一个片层制造后，将转轮半成品旋转一定角度，使下一个侧斗进入增材制造工位，而后继续进行侧斗的增材制造，以此类推，完成单面所有侧斗同一切片层的制造，然后进行下一层制造，以此类推，最终完成单面所有侧斗的自动增材制造，形成近净成型的侧斗，完成单面侧斗的增材制造后，将转轮半成品翻面，继续进行另一面侧斗的增材制造，进而完成转轮半成品的制造；
进一步地，所述步骤二中制作侧斗分为两步骤：
步骤A：制作两侧侧斗，采用五轴数控中心铣削单次加工一个侧斗，一共加工2N个侧斗，所用刀具为高速钢，采用进给速度为20m/min-40m/min，主轴转速为650r/min-800r/min，加工余量为1mm；
步骤B：将加工好的每个侧斗通过焊接的方式固定在一个中心外斗的一侧，完成每个斗叶的制作；
进一步地，所述步骤三磨削工序为机械加工，其中采用砂轮的粒度为46um-60um，砂轮转速为1100r/min-1300r/min，磨削至成品尺寸；
进一步地，所述步骤三磨削工序为人工磨削，其中采用磨砂片为树脂砂轮打磨片，粒度为40um-60um；
进一步地：所述步骤四中斗叶抛光后的表面粗糙度为Ra0.8；
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
本发明提出了一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，利用机械加工和增材制造两种技术的优点，同时，充分考虑了转轮运行时的受力状态，将增材制造区域设计在了转轮的侧斗部分，极大地提高了制成转轮的运行安全性。此外，由于侧斗的敞开，在中心外斗加工时，刀具可以从侧斗方向进入，加工深度显著降低，刀伸长更小且不存在干涉，加工稳定性高，加工时可以给更大的进刀量，加工制造更加容易，同时，避免了刀具的频繁更换，大幅提高加工效率，降低加工成本。由于坯料只需要满足中心外斗的加工即可，极大地降低了对坯料厚度的要求，显著降低原料成本和制造难度。
附图说明
图1为本发明所要加工水轮机转轮的示意图；
图2为本发明所要加工转轮中心外斗及侧斗的分割示意图；
图3为本发明所要加工转轮中心外斗的示意图；
图4为本发明中侧斗切面示意图；
图5为本发明中单面侧斗拼接后的转轮；
图中1转轮半成品、2斗叶、3侧斗、4中心外斗、5切面和6截面。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式提供了一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，所述方法是通过如下步骤实现的：
步骤一：制作中心外斗4，将转轮半成品坯料装卡在数控中心中，并利用铣削的方式沿转轮半成品坯料的周向等距加工N个中心外斗4，N为正整数；
步骤二：制作两侧侧斗3，并将两侧侧斗固定在中心外斗4上形成斗叶2；
步骤三：磨削斗叶，将加工有斗叶的转轮半成品1中每个斗叶2磨削至成品尺寸；
步骤四：斗叶抛光，将每个斗叶2进行抛光处理；
步骤五：加工完成，检测成品。
本实施方式中，冲击转轮的主要做功和受力部分位于中心外斗，而侧斗主要起到倒流作用，转轮运行时受到的冲击力不大。此外，薄弱区域设计在转轮受冲击区域之外，薄弱区域和增材的切片方向与转轮受水流冲击和合运行时的离心力方向平行，基于以上原因，就极大地避免了转轮斗叶断裂的危险，提高了转轮运行的安全性。在加工方面，由于侧斗的敞开，在中心外斗加工时，刀具可以从侧斗方向进入，加工深度显著降低，刀伸长更小且不存在干涉，加工制造更加容易，可以显著提高加工效率，降低加工成本。在原料成本方面，由于坯料只需要满足中心外斗的加工即可，极大地降低了对坯料厚度的要求，原料成本和制造难度均显著降低。
具体实施方式二：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤一作进一步限定，本实施方式中，所述步骤一中所用数控中心为五轴数控加工中心，所用刀具为高速钢，采用进给速度为20m/min-40m/min，主轴转速为650r/min-800r/min，加工余量为1mm。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，将转轮沿着两个垂直于轴向的切面将每个斗叶分为中心外斗和两边的侧斗三部分，切面内的中心外斗采用机械加工的方法制造，最大程度的保证了加工的效率，同时由于单独加工中心外斗较为简单，相比整体加工的方式更加节约材料，相比增材式斗叶加工增加了斗叶根部的疲劳强度。
具体实施方式三：参照图1至图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤一作进一步限定，本实施方式中，所述步骤一中转轮半成品坯料为锻造圆坯、铸造圆坯或圆形钢板。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，由于将斗叶进行有效的分离加工，在坯料选择上较为容易方便，仅需要选择规整的圆坯即可，极大的控制加工成本。
具体实施方式四：参照图1至图2说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤二作进一步限定，本实施方式中，所述步骤二中制作侧斗分为两步骤：
步骤A：将两侧侧斗3三维数学模型导入模拟软件中，并以中心外斗4中切面5的截面6为增材制造基础，并对侧斗3过流面增加2.0mm的加工余量，对侧斗3数学模型沿切面5垂直方向生成切片和焊接路径规划；
步骤B：将规划好的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用增材制造方法，按照侧斗3的数学模型切片，每完成单面侧斗3的一个片层制造后，将转轮半成品1旋转一定角度，使下一个侧斗3进入增材制造工位，而后继续进行侧斗3的增材制造，以此类推，完成单面所有侧斗3同一切片层的制造，然后进行下一层制造，以此类推，最终完成单面所有侧斗3的自动增材制造，形成近净成型的侧斗3，完成单面侧斗3的增材制造后，将转轮半成品1翻面，继续进行另一面侧斗3的增材制造，进而完成转轮半成品1的制造。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，侧斗采用了增材的方式加工，增材加工的方式较为简便，此种加工方法考虑到了侧斗在实际工作中功能(导流，受力小)的特点，在增加加工效率的同时又保证斗叶叶根的疲劳强度，使水轮机转轮在实际工作中延长了使用寿命。
具体实施方式五：参照图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式四所述的步骤二作进一步限定，本实施方式中，所述步骤二中制作侧斗分为两步骤：
步骤A：制作两侧侧斗3，采用五轴数控中心铣削单次加工一个侧斗3，一共加工2N个侧斗3，所用刀具为高速钢，采用进给速度为20m/min-40m/min，主轴转速为650r/min-800r/min，加工余量为1mm；
步骤B：将加工好的每个侧斗3通过焊接的方式固定在一个中心外斗4的一侧，完成每个斗叶2的制作。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中，区别于具体实施方式四中采用增材的制作方式，而是采用机械加工的方式进行整块加工，并将加工好的侧斗块通过焊接焊接的方式固接在中心外斗4的两侧，这样加工的好处是适用于传统企业，相比于现有的整体加工方式，由于侧斗的敞开，在中心外斗加工时，刀具可以从侧斗方向进入，加工深度显著降低，刀伸长更小且不存在干涉，加工制造更加容易，可以显著提高加工效率，降低加工成本。
具体实施方式六：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步步骤三磨削工序为机械加工，其中采用砂轮的粒度为46um-60um，砂轮转速为1100r/min-1300r/min，磨削至成品尺寸。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中采用机械加工的方式，对于尺寸大的工件利用磨床进行磨削更加省时省力，节省制作时间。
具体实施方式七：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤三作进一步限定，本实施方式中，所述步骤三磨削工序为人工磨削，其中采用磨砂片为树脂砂轮打磨片，粒度为40um-60um。其它组成及连接方式与具体实施方式一相同。
本实施方式中采用人工磨削，对于尺寸小的工件不易卡装在大型磨床上进行磨削，利用角磨机磨削外斗轮廓更为方便。
具体实施方式八：参照图1至图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的步骤四作进一步限定，所述步骤四中斗叶2抛光后的表面粗糙度为Ra0.8。其它组成及连接方式与具体实施方式六相同。
Claims (8)
1.一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，其特征在于：所述方法是通过如下步骤实现的：
步骤一：制作中心外斗(4)，将转轮半成品坯料装卡在数控中心中，并利用铣削的方式沿转轮半成品坯料的周向等距加工N个中心外斗(4)，N为正整数；
步骤二：制作两侧侧斗(3)，并将两侧侧斗固定在中心外斗(4)上形成斗叶(2)；
步骤三：磨削斗叶，将加工有斗叶的转轮半成品(1)中每个斗叶(2)磨削至成品尺寸；
步骤四：斗叶抛光，将每个斗叶(2)进行抛光处理；
步骤五：加工完成，检测成品。
2.根据权利要求1中所述的一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，其特征在于：所述步骤一中所用数控中心为五轴数控加工中心，所用刀具为高速钢，采用进给速度为20m/min-40m/min，主轴转速为650r/min-800r/min，加工余量为1mm。
3.根据权利要求1中所述的一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，其特征在于：所述步骤一中转轮半成品坯料为锻造圆坯、铸造圆坯或圆形钢板。
4.根据权利要求1中所述的一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，其特征在于：所述步骤二中制作侧斗分为两步骤：
步骤A：将两侧侧斗(3)三维数学模型导入模拟软件中，并以中心外斗(4)中切面(5)的截面(6)为增材制造基础，并对侧斗(3)过流面增加2.0mm的加工余量，对侧斗(3)数学模型沿切面(5)垂直方向生成切片和焊接路径规划；
步骤B：将规划好的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用增材制造方法，按照侧斗(3)的数学模型切片，每完成单面侧斗(3)的一个片层制造后，将转轮半成品(1)旋转一定角度，使下一个侧斗(3)进入增材制造工位，而后继续进行侧斗(3)的增材制造，以此类推，完成单面所有侧斗(3)同一切片层的制造，然后进行下一层制造，以此类推，最终完成单面所有侧斗(3)的自动增材制造，形成近净成型的侧斗(3)，完成单面侧斗(3)的增材制造后，将转轮半成品(1)翻面，继续进行另一面侧斗(3)的增材制造，进而完成转轮半成品(1)的制造。
5.根据权利要求1中所述的一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，其特征在于：所述步骤二中制作侧斗分为两步骤：
步骤A：制作两侧侧斗(3)，采用五轴数控中心铣削单次加工一个侧斗(3)，一共加工2N个侧斗(3)，所用刀具为高速钢，采用进给速度为20m/min-40m/min，主轴转速为650r/min-800r/min，加工余量为1mm；
步骤B：将加工好的每个侧斗(3)通过焊接的方式固定在一个中心外斗(4)的一侧，完成每个斗叶(2)的制作。
6.根据权利要求1中所述的一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，其特征在于：所述步骤三磨削工序为机械加工，其中采用砂轮的粒度为46um-60um，砂轮转速为1100r/min-1300r/min，磨削至成品尺寸。
7.根据权利要求1中所述的一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，其特征在于：所述步骤三磨削工序为人工磨削，其中采用磨砂片为树脂砂轮打磨片，粒度为40um-60um。
8.根据权利要求1中所述的一种冲击式水轮机转轮中斗叶的制造方法，其特征在于：所述步骤四中斗叶(2)抛光后的表面粗糙度为Ra0.8。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230413 Address after: 150090 Ganshui Road, Nangang concentration area, Harbin Development Zone, Heilongjiang Province Patentee after: HADONG NATIONAL HYDROELECTRIC POWER EQUIPMENT ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTRAL Co.,Ltd. Patentee after: HARBIN ELECTRIC MACHINERY Co.,Ltd. Patentee after: Harbin Nenchuang Digital Technology Co.,Ltd. Address before: 150090 Ganshui Road, Nangang concentration area, Harbin Development Zone, Heilongjiang Province Patentee before: HADONG NATIONAL HYDROELECTRIC POWER EQUIPMENT ENGINEERING TECHNOLOGY RESEARCH CENTRAL Co.,Ltd. Patentee before: HARBIN ELECTRIC MACHINERY Co.,Ltd. |
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| TR01 | Transfer of patent right |