[發(fā)明專利]一種機(jī)械加工與增材制造相結(jié)合的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪制造方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710372530.2
• 申請(qǐng)日: 2017-05-24
• 公開（公告）號(hào): CN107150208A
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 程廣福
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司
• 主分類號(hào): B23P15/00
• 分類號(hào): B23P15/00;B23K9/04;B33Y10/00;B33Y80/00;G09B25/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及一種機(jī)械加工與增材制造相結(jié)合的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪制造方法。

背景技術(shù)：

隨著發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)競(jìng)爭的日趨加劇，水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪制造技術(shù)在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪開發(fā)過程中越來越重要，在某種程度上甚至決定了大型水電項(xiàng)目競(jìng)標(biāo)的成敗。模型轉(zhuǎn)輪是用以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的單件產(chǎn)品，每個(gè)電站項(xiàng)目均需要10臺(tái)左右的模型轉(zhuǎn)輪，目前主要采用鑄造銅坯進(jìn)行數(shù)控加工來實(shí)現(xiàn)，此種制造方法制造周期長、成本高，另外，鑄造銅坯利用率低，同時(shí)，因鑄造銅坯缺陷報(bào)廢或后續(xù)處理將進(jìn)一步增加制造周期和成本。此外，對(duì)于葉片高度較小、空間較窄的轉(zhuǎn)輪，葉片根部圓角過渡無法實(shí)現(xiàn)和保證，引起流道的變化或帶來間隙流問題。水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)制造與增材制造技術(shù)擁有著完美的契合點(diǎn)。

增材制造技術(shù)(又稱3D打印技術(shù))，誕生于20世紀(jì)80年代后期，是基于材料堆積法的一種新型制造技術(shù)，可以根據(jù)零件或物體的三維模型數(shù)據(jù)，通過成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)。可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵瑥亩鵀榱慵椭谱鳌⑿略O(shè)計(jì)思想的校驗(yàn)等提供了一種高效低成本的實(shí)現(xiàn)手段。

電弧增材制造技術(shù)以電弧為載能束，采用逐層堆焊的方式制造金屬實(shí)體構(gòu)件，該成形零件由全焊縫構(gòu)成，化學(xué)成分均勻、致密度高，開放的成形環(huán)境對(duì)成形件尺寸無限制，成形速率高，但電弧增材制造的零件表面波動(dòng)較大，成形件表面質(zhì)量較低，一般需要二次表面機(jī)加工，電弧增材制造技術(shù)的主要應(yīng)用目標(biāo)是大尺寸復(fù)雜構(gòu)件的低成本、高效快速近凈成形。其中，冷金屬過渡技術(shù)具有低熱輸入、無飛濺等特點(diǎn)，而且，其送絲運(yùn)動(dòng)與熔滴過渡過程可進(jìn)行數(shù)字化協(xié)調(diào)，在物質(zhì)輸入方面具有更高的可操控性，可能會(huì)成為將來電弧增材制造的主要熱源方式。

發(fā)明內(nèi)容：

本發(fā)明涉及一種機(jī)械加工與增材制造相結(jié)合的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪制造方法，具有加工精度高、周期短和成本低的優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

1)進(jìn)行上冠的下料，材質(zhì)為304奧氏體不銹鋼板，下料后采用機(jī)械加工的方法完成上冠的制造；

2)進(jìn)行下環(huán)的下料，材質(zhì)為304奧氏體不銹鋼板，下料后采用機(jī)械加工的方法完成下環(huán)的制造；

3)將水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪的三維數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入專用軟件，以上冠過流面為增材制造基礎(chǔ)，確定每個(gè)葉片在上冠的相對(duì)位置，并對(duì)葉片過流面自動(dòng)增加2.0mm的加工余量，對(duì)葉片數(shù)學(xué)模型沿水平方向進(jìn)行切片和焊接路徑規(guī)劃；

4)將規(guī)劃的焊接路徑轉(zhuǎn)化成機(jī)器人控制程序，控制機(jī)器人采用冷金屬過渡的電弧增材制造方法，焊材為304L奧氏體不銹鋼焊絲，按照葉片的數(shù)學(xué)模型切片，每次完成所有葉片的同水平片層制造，而后進(jìn)行所有葉片的下一層制造，以此類推，最終完成葉片的自動(dòng)增材制造，通形成近凈成型的葉片；

5)對(duì)制造完成的上冠和葉片整體部件進(jìn)行消應(yīng)力熱處理，而后，在數(shù)控加工中心對(duì)葉片進(jìn)行機(jī)械加工，隨后對(duì)上冠和葉片整體進(jìn)行拋光處理；

6)裝配下環(huán)，進(jìn)一步進(jìn)行拋光處理，完成水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪的制造。

技術(shù)效果：

水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)開發(fā)和水力試驗(yàn)最重要的核心部件，其制造質(zhì)量和精度是設(shè)計(jì)驗(yàn)證和試驗(yàn)數(shù)據(jù)正確性的重要保證，同時(shí)，還必須考慮模型轉(zhuǎn)輪制造的周期、成本，以及盡可能避免由原有制造工藝限制帶來的葉片根部圓角過度不好引起的流道變化和間隙流問題，而且，由于轉(zhuǎn)輪的上冠、下環(huán)和每個(gè)葉片均是單獨(dú)制造，最終裝配制作完成，存在一定的尺寸誤差和葉片一致性誤差。本發(fā)明提出了一種利用電弧增材制造葉片的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪制造方法，充分結(jié)合利用機(jī)械加工和增材制造兩種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于機(jī)構(gòu)簡單，易于機(jī)械加工制造的上冠和下環(huán)，采用機(jī)械加工的方法，利用鋼板制造。對(duì)于具有空間曲面結(jié)構(gòu)，加工難度大的葉片，采用增材制造的方法制造近凈成型的葉片。在完成上冠和葉片整體制造和消應(yīng)力處理后，利用數(shù)控加工中心對(duì)葉片進(jìn)行精加工，這樣保證了葉片的精度和一致性，同時(shí)避免了流道變化和間隙流問題。與原有模型轉(zhuǎn)輪制造方法相比，機(jī)械加工上冠和下環(huán)與冷金屬過渡電弧增材制造葉片相結(jié)合的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪制造方法具有加工精度高、周期短和成本低的優(yōu)勢(shì)。

附圖說明：

圖1是機(jī)械加工上冠示意圖。

圖2是機(jī)械加工下環(huán)示意圖。

圖3是以上冠過流面為基礎(chǔ)增材制造葉片示意圖。

圖4是增材制造葉片分布示意圖。

圖5是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖中：

1機(jī)械加工上冠； 2冷金屬過渡電弧增材制造葉片；

3機(jī)械加工下環(huán)。