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)：
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隨著發(fā)電設(shè)備制造行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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(kāi)發(fā)過(guò)程中越來(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)，此種制造方法制造周期長(zhǎng)、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(guò)渡無(wú)法實(shí)現(xiàn)和保證，引起流道的變化或帶來(lái)間隙流問(wèn)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(chēng)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(guò)成型設(shè)備以材料累加的方式制成實(shí)物模型的技術(shù)?？梢宰詣?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?、新設(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(kāi)放的成形環(huán)境對(duì)成形件尺寸無(wú)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(guò)渡技術(shù)具有低熱輸入、無(wú)飛濺等特點(diǎn)，而且，其送絲運(yùn)動(dòng)與熔滴過(guò)渡過(guò)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(lái)電弧增材制造的主要熱源方式。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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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(zhuān)用軟件，以上冠過(guò)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(guò)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(guò)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(lèi)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(kāi)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(lái)的葉片根部圓角過(guò)度不好引起的流道變化和間隙流問(wèn)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(jiǎn)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(wèn)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(guò)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(shuō)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(guò)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(guò)渡電弧增材制造葉片；

3機(jī)械加工下環(huán)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述：

如1圖所示，進(jìn)行上冠1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1的制造；

如2圖所示，進(jìn)行下環(huán)3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)3的制造；

如3圖所示，將水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪的三維數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入專(zhuān)用軟件，以上冠1過(guò)流面為增材制造基礎(chǔ)，確定每個(gè)葉片2在上冠1的相對(duì)位置，并對(duì)葉片2過(guò)流面自動(dòng)增加2.0mm的加工余量，對(duì)葉片2數(shù)學(xué)模型沿水平方向進(jìn)行切片和焊接路徑規(guī)劃；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(guò)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2的數(shù)學(xué)模型切片，每次完成所有葉片2的同水平片層制造，而后進(jìn)行所有葉片2的下一層制造，以此類(lèi)推，最終完成葉片2的自動(dòng)增材制造，通形成近凈成型的葉片2；對(duì)制造完成的上冠1和葉片2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2進(jìn)行機(jī)械加工，隨后對(duì)上冠1和葉片2整體進(jìn)行拋光處理；

如4圖所示，增材制造完成后葉片2(總計(jì)9片)在上冠1的分布；

如圖5所示，裝配下環(huán)3，隨后進(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)特征：

技術(shù)總結(jié)
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，模型轉(zhuǎn)輪上冠和下環(huán)采用鋼板機(jī)械加工制造。在成型的上冠上，采用電弧增材制造技術(shù)，利用冷金屬過(guò)渡的堆焊方式，將模型轉(zhuǎn)輪數(shù)學(xué)模型導(dǎo)入計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件完成葉片的切片與焊接路徑規(guī)劃，控制機(jī)器人系統(tǒng)完成葉片的增材制造，形成近凈成型的葉片，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。在數(shù)控加工中心對(duì)葉片進(jìn)行機(jī)械加工，對(duì)上冠和葉片整體進(jìn)行拋光，最終裝配下環(huán)，完成水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪的制造。該方法具有加工精度高、周期短和成本低的優(yōu)勢(shì)。

技術(shù)研發(fā)人員：程廣福
受保護(hù)的技術(shù)使用者：哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.24
技術(shù)公布日：2017.09.12