沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及到?jīng)_擊式水輪機(jī)制造領(lǐng)域，特別涉及到一種沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造 工藝。
【背景技術(shù)】
[0002] 沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是高水頭、超高水頭水電站沖擊式水輪機(jī)的核心部件，由于其 在運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)輪在射流的沖擊下高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，射流對(duì)轉(zhuǎn)輪水斗的沖擊與射流與水斗相 對(duì)位置間關(guān)系非常密切，水斗在旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，射流從進(jìn)入水斗到流出水斗，對(duì)水斗的 沖擊力和沖擊區(qū)域是隨射流與水斗相對(duì)位置的變化而改變，射流的沖擊和高速旋轉(zhuǎn)的離心 力聯(lián)合作用，使轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力為非線性的變應(yīng)力。為了保證水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，轉(zhuǎn) 輪必須具有較高的技術(shù)要求。
[0003] 沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)形式為在一個(gè)輪盤(pán)上均勻分布了 17~21個(gè)水斗（根據(jù) 機(jī)組的水力參數(shù)、噴嘴數(shù)等確定），在輪盤(pán)與水斗連接區(qū)域由于結(jié)構(gòu)特征的突變，在該區(qū)域 將出現(xiàn)應(yīng)力集中，因此，對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造提出了嚴(yán)格的要求。在材料性能方面，對(duì)于采 用低碳不銹鋼制造的轉(zhuǎn)輪，要求材料的斷裂強(qiáng)度σ s多550Mpa，對(duì)于采用超低碳不銹鋼制 造的轉(zhuǎn)輪，要求材料的斷裂強(qiáng)度σ s多750Mpa，且要求其內(nèi)部組織不得有白點(diǎn)、裂紋、縮孔 等缺陷。
[0004] 現(xiàn)有沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪制造方法有以下5種：（1)鑄造毛坯、人工打磨；（2)輪盤(pán) 和水斗分別進(jìn)行加工，然后通過(guò)焊接工藝，將水斗與輪盤(pán)焊接為一個(gè)整體；(3)水斗與輪盤(pán) 分別制造，然后通過(guò)螺栓進(jìn)行聯(lián)結(jié)；(4)采用氬氧脫碳法AOD或真空吹氧脫碳法VOD進(jìn)行精 煉后的不繡鋼的坯件，進(jìn)行鍛造后，利用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行數(shù)控加工；（5)采用鑄造、焊接和人 工打磨相結(jié)合的加工方法，即分別鑄造輪盤(pán)和水斗，將其焊接為一體，再采用人工打磨的方 法加工水斗，對(duì)于輪盤(pán)的軸孔和端面還要進(jìn)行機(jī)械加工。
[0005] 顯然，現(xiàn)有沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪制造方法生產(chǎn)出的轉(zhuǎn)輪存在以下幾點(diǎn)不足：⑴鑄造 材料材質(zhì)疏松，內(nèi)部缺陷多，不耐沖刷與氣蝕；⑵水斗根部焊接部位在長(zhǎng)期交變應(yīng)力作用下 容易斷裂；⑶水斗圓周重量分布不均勻，在高速旋轉(zhuǎn)的情況下容易產(chǎn)生振動(dòng)；(4)聯(lián)結(jié)螺栓 在射流沖擊下，產(chǎn)生的綜合應(yīng)力值超過(guò)螺栓的許用應(yīng)力，聯(lián)結(jié)螺栓出現(xiàn)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；（5)整 體鍛造毛坯數(shù)控加工工藝制造的轉(zhuǎn)輪，其材料加工量大，加工后的轉(zhuǎn)輪重量進(jìn)為毛坯重量 的三分之一，加工設(shè)備要求高，需要多軸數(shù)控加工機(jī)床，編程人員、加工人員的技術(shù)水平要 求高，加工成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪制造方法中存在的鑄造材 料材質(zhì)疏松、焊接部位容易斷裂、水斗圓周重量分布不均勻、聯(lián)結(jié)螺栓出現(xiàn)斷裂的風(fēng)險(xiǎn)和加 工成本高等問(wèn)題，提供一種沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造工藝，本工藝提高了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的材 質(zhì)性能和整體強(qiáng)度，增加了沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能和使用壽命，降低了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn) 成本。
[0007] 本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0008] 一種沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的制造工藝，本工藝按以下步驟進(jìn)行：
[0009] 步驟1)制造轉(zhuǎn)輪的鍛造毛坯：
[0010] 1. 1根據(jù)所需制造的轉(zhuǎn)輪的形狀參數(shù)，利用機(jī)械設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的三維實(shí)體造 型設(shè)計(jì)；
[0011] 1. 2根據(jù)轉(zhuǎn)輪在射流沖擊下、高速旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程中，轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力、變形及其分布 規(guī)律，構(gòu)建轉(zhuǎn)輪輪盤(pán)以及輪盤(pán)與水斗連接區(qū)域的實(shí)體模型，利用該實(shí)體模型設(shè)計(jì)鍛造毛坯 圖，鍛造毛坯的兩個(gè)端面設(shè)計(jì)足夠的機(jī)械加工余量；
[0012] 1.3采用氬氧脫碳法AOD或真空吹氧脫碳法VOD精煉制造轉(zhuǎn)輪的不銹鋼，并澆鑄鋼 錠，再根據(jù)步驟1. 2設(shè)計(jì)的鍛造毛坯圖，用澆鑄的鋼錠采用整體鍛造方式鍛造輪盤(pán)以及輪 盤(pán)與水斗連接區(qū)域，并進(jìn)行正火、回火處理，得到鍛造毛坯；
[0013] 步驟2)對(duì)步驟1)所得的鍛造毛坯進(jìn)行機(jī)械粗加工：
[0014] 采用普通機(jī)床加工，將鍛造毛坯的輪盤(pán)部分加工到精加工所要求的尺寸精度和表 面粗糙度；采用數(shù)控機(jī)床加工，將輪盤(pán)與水斗連接區(qū)域加工到精加工所要求的尺寸精度和 表面粗糙度；
[0015] 步驟3)對(duì)步驟2)所得的工件進(jìn)行水斗形狀的機(jī)器人堆焊：
[0016] 3. 1制造堆焊回轉(zhuǎn)工作臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、分度系統(tǒng)；
[0017] 3. 2構(gòu)建需堆焊的水斗部分的三維實(shí)體模型，并根據(jù)最優(yōu)堆焊厚度，將水斗部分的 三維實(shí)體模型切成一系列的二維平面模型；
[0018] 3. 3利用步驟3. 2切成的二維平面模型，進(jìn)行機(jī)器人的路徑規(guī)劃；
[0019] 3. 4利用機(jī)器人離線編程技術(shù)，進(jìn)行機(jī)器人路徑設(shè)計(jì)；
[0020] 3. 5利用熔化極氣體保護(hù)焊堆焊轉(zhuǎn)輪水斗，通過(guò)逐漸疊加二維薄層的方法堆焊 出轉(zhuǎn)輪的水斗部分，在完成一個(gè)水斗截面的堆積后，旋轉(zhuǎn)堆焊回轉(zhuǎn)工作臺(tái)進(jìn)行下一個(gè)水斗 截面的堆焊，最終堆焊出轉(zhuǎn)輪的所有水斗，堆焊后轉(zhuǎn)輪的水斗區(qū)域預(yù)留足夠的機(jī)械加工余 量；
[0021] 步驟4)對(duì)步驟3)所得的工件進(jìn)行機(jī)械精加工，得到成品轉(zhuǎn)輪。
[0022] 步驟1. 2中，利用有限元分析技術(shù)分析轉(zhuǎn)輪在射流沖擊下、高速旋轉(zhuǎn)一周的過(guò)程 中，轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力、變形及其分布規(guī)律。
[0023] 對(duì)步驟1)所得的鍛造毛坯的兩個(gè)端面進(jìn)行超聲波探傷，保證進(jìn)入步驟2)的鍛造 毛坯沒(méi)有白點(diǎn)、裂紋、縮孔缺陷。
[0024] 對(duì)步驟2)所得的工件進(jìn)行超聲波檢查，保證進(jìn)入步驟3)工件的輪盤(pán)與水斗連接 區(qū)域沒(méi)有裂紋、縮孔缺陷。
[0025] 步驟3. 1中，堆焊回轉(zhuǎn)工作臺(tái)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，根據(jù)轉(zhuǎn)輪的水斗數(shù)量用分 度頭實(shí)現(xiàn)分度。
[0026] 步驟3. 5中，利用熔化極氣體保護(hù)焊堆焊轉(zhuǎn)輪水斗，堆焊過(guò)程中，采用連續(xù)等速送 進(jìn)可熔化的焊絲，以電弧作為熱源來(lái)熔化焊絲、形成熔池和焊縫的弧焊成型方法進(jìn)行轉(zhuǎn)輪 水斗堆焊。
[0027] 步驟3. 5中，以機(jī)器人為主體，配合多自由度變位機(jī)及相關(guān)的焊接傳感控制器件， 在中央計(jì)算機(jī)的綜合控制下，實(shí)現(xiàn)堆焊接規(guī)劃、離線編程、圖形仿真及焊接參數(shù)的在線調(diào) 整。
[0028] 步驟3. 5中，利用紅外測(cè)溫儀，采用紅外線點(diǎn)測(cè)溫的掃描方式，對(duì)焊接熔敷成型部 位進(jìn)行溫度預(yù)測(cè)及分析，有針對(duì)性地對(duì)金屬成型過(guò)程中的溫度進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，為金屬成型 過(guò)程控制提供依據(jù)。
[0029] 步驟4)中，利用多軸數(shù)控機(jī)床對(duì)步驟3)所得的工件進(jìn)行機(jī)械精加工，除水斗區(qū)域 外，所有尺寸加工到位；對(duì)水斗工作面和背面采用分塊打磨方式，利用工業(yè)機(jī)器人對(duì)水斗區(qū) 域進(jìn)行打磨。
[0030] 根據(jù)建立的轉(zhuǎn)輪水斗三維實(shí)體模型，利用離線編程技術(shù)，編制機(jī)器人打磨路徑，進(jìn) 行打磨。
[0031] 由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0032] 本發(fā)明沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪鍛造輪盤(pán)、堆焊水斗組合整體制造工藝大幅度的提高了 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的材質(zhì)性能和整體強(qiáng)度，避免了焊接部位容易斷裂、水斗圓周重量分布不均勻、 材料加工量大和加工成本高等問(wèn)題，有效的提高了沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能和使用壽命。
[0033] 在材料性能方面，經(jīng)實(shí)測(cè)，對(duì)于采用低碳不銹鋼制造的轉(zhuǎn)輪，材料的斷裂強(qiáng)度 O S彡550Mpa，對(duì)于采用超低碳不銹鋼制造的轉(zhuǎn)輪，材料的斷裂強(qiáng)度O S