水輪機葉片鑄造過程型線尺寸檢測及控制研究

彭志誠

(寧夏共享鑄鋼有限公司，甘肅寧夏 750021)

水輪機葉片鑄造過程型線尺寸檢測及控制研究

彭志誠

(寧夏共享鑄鋼有限公司，甘肅寧夏 750021)

水電、核電、風(fēng)電是目前全球倡導(dǎo)優(yōu)先開發(fā)的綠色能源，而在這三大能源資源中，水能又是我國最豐富的能源資源，也是中國現(xiàn)有能源中唯一可以大規(guī)模開發(fā)的清潔、可再生能源，大力開發(fā)利用水能對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

葉片；尺寸；變形

水電設(shè)備制造是國家鼓勵的重點產(chǎn)業(yè)，但國產(chǎn)件質(zhì)量難以滿足需求，因此實現(xiàn)國產(chǎn)化已成為一項重要工作。水電機組中葉片是其中一個非常重要的鑄鋼件，生產(chǎn)葉片的技術(shù)難點之一就是葉片的型線尺寸控制，由于葉片自身的型線設(shè)計，翹曲不規(guī)則，再加上壁厚變化較大，最薄處變形量非常大，因此鑄造過程中的尺寸控制非常關(guān)鍵。本文重點介紹的就是葉片在鑄造生產(chǎn)過程中的如何準確的控制型線尺寸。

1 實施過程

本項目通過對葉片鑄造生產(chǎn)過程的跟蹤實施，分析研究葉片在各個生產(chǎn)工序的尺寸變形規(guī)律后，制定相應(yīng)的控制預(yù)防措施。并且對已經(jīng)生產(chǎn)出來的鑄件，尺寸如何返修達到標(biāo)準要求，研究探索出一套科學(xué)、可行、適用及規(guī)范的操作方法。

1.1 目前現(xiàn)狀及存在問題

水輪機葉片是鑄造件，必須經(jīng)過模型制作、造型、熔煉澆注、清理、熱處理、加工、氣刨、修磨、焊補等關(guān)鍵鑄造工序，在這些關(guān)鍵工序中葉片的尺寸會發(fā)生很大的變化，最主要的就是變形。所以，在這些關(guān)鍵工序的完成過程中，必須要確保質(zhì)量合格[1]。

（1）模型的質(zhì)量問題

葉片模型的特點是由多個芯盒組合而成，且芯盒尺寸大，質(zhì)量大。模型制作過程中，容易出現(xiàn)芯盒之間的間隙過大和芯盒變形，一旦出現(xiàn)上述問題，用此模型造出的葉片尺寸肯定不合格。

（2）造型合箱質(zhì)量

葉片造型用的砂箱是組合砂箱，造型方法是組箱造型，這種造型方法的優(yōu)點是操作簡單方便且效率高，但是這種造型方法若操作過程不精細或者定位不準確，容易造出芯子之間的間隙過大，澆注的葉片披縫就相應(yīng)增大，若澆注質(zhì)量不夠，不僅后續(xù)清理披縫困難且發(fā)生澆注不足報廢的風(fēng)險很大。

（3）葉片的凝固收縮變形

葉片在澆注冷卻過程中，由于熱脹冷縮原理及葉片自身的型線設(shè)計，葉片會發(fā)生較大的變形。變形量會因造型條件、砂箱強度、型砂硬度、葉片壁厚變化情況不同，不僅不同類型的葉片變形量各不相同，同一類型的不同葉片變形也不相同[2]。

（4）熱處理變形

葉片熱處理過程中，最高溫度超過1000℃，在這種高溫條件下，葉片會由于自身重力的作用發(fā)生變形，同時若熱處理過程中，葉片裝爐方式不恰當(dāng)，則會更大促進葉片的熱處理變形。

（5）氣刨、鏟磨等返修質(zhì)量

在鑄造行業(yè)，氣刨和鏟磨是最常用也是最適用的去除鑄件多余材料的方法和手段。對于葉片產(chǎn)品，由于其自身設(shè)計無規(guī)則，翹曲變化大，在葉片上找不出任何一個標(biāo)準的平面或直線做返修基準，所以在去除多余材料的時候，若沒有科學(xué)合理的方法作為指導(dǎo)，則很有可能造成葉片返修缺量，尺寸不合。

1.2 原因分析及糾正預(yù)防措施

（1）模型的質(zhì)量問題

鑒于葉片大批量生產(chǎn)的特殊性、葉片模具結(jié)構(gòu)的特殊性，為了能夠保證生產(chǎn)出高精度的葉片木模, 采用CAE建模，利用CAD/CAM五軸數(shù)控加工模樣。模型主體材料采用內(nèi)部木質(zhì)框架，表面的包覆材料采用環(huán)氧樹脂涂層以確保形狀穩(wěn)定。芯盒梆子采用剛性且可拆卸結(jié)構(gòu)，同時為了防止葉片在后續(xù)生產(chǎn)中出現(xiàn)大批量、典型的尺寸問題，對葉片的模具（芯盒）必須保證定期進行測量和修正，同時利用測量臂和激光跟蹤儀對模型尺寸經(jīng)行型線檢測，對比兩種儀器測量結(jié)果，并對模型尺寸超差2mm以上地方進行修理，修理后再次用測量臂或者激光跟蹤儀進行確認，直到模型尺寸符合要求。

（2）造型合箱質(zhì)量問題

造型采用單個芯起吊，這樣具有重量輕、操作簡便、易于控制、生產(chǎn)周期短等特性，降低了生產(chǎn)葉片的設(shè)備要求能力及解決了前述產(chǎn)能不足的問題，最終實現(xiàn)葉片批量化生產(chǎn)。此方案改變了傳統(tǒng)的制芯、造型、合箱工藝方法，解決了三個工序的銜接問題，形成了流水性作業(yè)，提高了廠房及模型的使用效率。單個芯子尺寸質(zhì)量保證容易，但由于葉片是組芯造型，當(dāng)芯子和芯子組合起來后，尺寸無法確保是否完全合適。為此制作專項卡板，檢測每一個葉片所有芯子組芯后的尺寸質(zhì)量，確保組芯尺寸合格，組芯之間的間隙要求小于5mm，若檢查發(fā)現(xiàn)間距大于5mm，則要求返修，直至符合要求。

（3）葉片的凝固收縮變形

由于水輪機葉片鑄件形狀復(fù)雜顯空間扭曲狀， 斷面形狀為翼形，因此在凝固收縮過程中極容易發(fā)生變形。在編制鑄造工藝方案時, 對葉片易變形位置及其變形量進行工藝補償, 就是在容易變形的位置預(yù)先添加工藝反變形量, 從而來抵消凝固收縮時產(chǎn)生的變形。采取措施：采用特殊的MAGMA模擬軟件對葉片的三維模型的凝固收縮，變形傾向進行模擬研究控制，重點研究分析變形區(qū)域及變形量的大小，根據(jù)計算機軟件模擬結(jié)果，在變形區(qū)域依次遞增反變形量，同時根據(jù)生產(chǎn)情況不斷優(yōu)化工藝，優(yōu)化反變形量和加工余量，減少后續(xù)氣刨工作量[3]。

（4）熱處理變形

葉片在熱處理中的裝爐方式也是非常關(guān)鍵的。葉片在進行熱處理時，正火溫度達到1000℃以上，在這樣的工作條件下，葉片裝爐不當(dāng)會在高溫加熱過程中因自重導(dǎo)致葉片變形。采取措施：為避免葉片因裝爐不當(dāng)變形，針對葉片結(jié)構(gòu)特點，采用葉片厚大的邊(進水邊、下環(huán))朝下，在天然氣臺車爐中垂直卡于工裝上，并設(shè)計專用工裝，保證葉片重心垂線與工裝支撐力線重合，熱氣流順利循環(huán)，這種裝爐方式最符合葉片自身的流線型設(shè)計，也是受到外力最小的一種熱處理狀態(tài)，有效預(yù)防了葉片在熱處理過程中的變形。

（5）氣刨、鏟磨等返修質(zhì)量

氣刨處理多肉部位工作量大，且不易控制氣刨質(zhì)量。氣刨時沒有樣沖基準，氣刨面也是隨行曲面，常規(guī)的氣刨標(biāo)識方法不適用于葉片。每次測量后將超過顧客要求的加工余量標(biāo)識在鑄件上，氣刨之前對需要氣刨的部位先鉆基準孔，后氣刨。

2 取得成績

（1）尺寸控制全部符合顧客要求，我公司截止目前共生產(chǎn)發(fā)貨300余片，尺寸控制全部符合顧客要求，沒有任何顧客關(guān)于尺寸方面的質(zhì)量信息反饋。

（2）尺寸焊補率僅為0.05dm3/t，零尺寸焊補率鑄件達到80%以上。

（3）葉片表面余量非常均勻，給顧客節(jié)約了加工周期而且降低了加工費用。

（4）規(guī)范了尺寸多肉氣刨、修磨的處理方法。鉆孔加測量的方法是尺寸處理的唯一現(xiàn)場依據(jù)，這種方法給處理多肉尺寸提供了準確的基準依據(jù)。根據(jù)此基準，尺寸問題一次處理到位，即保證了尺寸質(zhì)量又大大提高了生產(chǎn)效率。

3 總結(jié)

本文主要從葉片生產(chǎn)的鑄造工序出發(fā)，詳細闡述了葉片在鑄造生產(chǎn)過程中各工序出現(xiàn)的尺寸問題，并針對每個工序發(fā)現(xiàn)的問題提出了有針對性的、有效的糾正和預(yù)防措施。從最終取得的成績來看，這些措施確實是行之有效的，不但有效解決了葉片生產(chǎn)尺寸控制難的問題，還縮短了加工周期，降低了采購成本，同時也極大地推動了葉片國產(chǎn)化的步伐。

[1] 衣 薇.鑄造技術(shù)標(biāo)準手冊[M].北京：中國物資出版社，2004.

[2] 袁曉玲.生鐵鐵合金及其它鋼鐵產(chǎn)品標(biāo)準匯編[M].北京：中國標(biāo)準出版社，2002.

[3] 陳國楨.鑄件缺陷和對策手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003.

Researches on Dimension Testing and Control of Cast Blade Mold

PENG ZhiCheng

（Kocel Steel Foundry Co.Ltd., Yinchuan 750021, Ningxia China)

Nuclear power ，hydro power and wind power is the priority to development resources in the word. Hydro resources is most abundant resources in China ,which is also the only one with the characteristic of clean and renewable that can be development in a large scale, so vigorously development and utilization of the hydropower has the vital signif cance in.

Blade; Dimension; Distortion

TG242.1；

A；

1006-9658（2012）05-0031-3

2012－08－06

稿件編號：1208－095

彭志誠（1984-），男，從事產(chǎn)品質(zhì)量控制