一种机械加工与增材制造相结合的水轮机模型转轮制造方法与流程

技术领域：

本发明涉及一种机械加工与增材制造相结合的水轮机模型转轮制造方法。

背景技术：
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随着发电设备制造行业竞争的日趋加剧，水轮机模型转轮制造技术在水轮机转轮开发过程中越来越重要，在某种程度上甚至决定了大型水电项目竞标的成败。模型转轮是用以验证设计的单件产品，每个电站项目均需要10台左右的模型转轮，目前主要采用铸造铜坯进行数控加工来实现，此种制造方法制造周期长、成本高，另外，铸造铜坯利用率低，同时，因铸造铜坯缺陷报废或后续处理将进一步增加制造周期和成本。此外，对于叶片高度较小、空间较窄的转轮，叶片根部圆角过渡无法实现和保证，引起流道的变化或带来间隙流问题。水轮机模型转轮的设计制造与增材制造技术拥有着完美的契合点。

增材制造技术(又称3d打印技术)，诞生于20世纪80年代后期，是基于材料堆积法的一种新型制造技术，可以根据零件或物体的三维模型数据，通过成型设备以材料累加的方式制成实物模型的技术。可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，从而为零件原型制作、新设计思想的校验等提供了一种高效低成本的实现手段。

电弧增材制造技术以电弧为载能束，采用逐层堆焊的方式制造金属实体构件，该成形零件由全焊缝构成，化学成分均匀、致密度高，开放的成形环境对成形件尺寸无限制，成形速率高，但电弧增材制造的零件表面波动较大，成形件表面质量较低，一般需要二次表面机加工，电弧增材制造技术的主要应用目标是大尺寸复杂构件的低成本、高效快速近净成形。其中，冷金属过渡技术具有低热输入、无飞溅等特点，而且，其送丝运动与熔滴过渡过程可进行数字化协调，在物质输入方面具有更高的可操控性，可能会成为将来电弧增材制造的主要热源方式。

技术实现要素：
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本发明涉及一种机械加工与增材制造相结合的水轮机模型转轮制造方法，具有加工精度高、周期短和成本低的优势。

本发明的技术方案为：

1)进行上冠的下料，材质为304奥氏体不锈钢板，下料后采用机械加工的方法完成上冠的制造；

2)进行下环的下料，材质为304奥氏体不锈钢板，下料后采用机械加工的方法完成下环的制造；

3)将水轮机模型转轮的三维数学模型导入专用软件，以上冠过流面为增材制造基础，确定每个叶片在上冠的相对位置，并对叶片过流面自动增加2.0mm的加工余量，对叶片数学模型沿水平方向进行切片和焊接路径规划；

4)将规划的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用冷金属过渡的电弧增材制造方法，焊材为304l奥氏体不锈钢焊丝，按照叶片的数学模型切片，每次完成所有叶片的同水平片层制造，而后进行所有叶片的下一层制造，以此类推，最终完成叶片的自动增材制造，通形成近净成型的叶片；

5)对制造完成的上冠和叶片整体部件进行消应力热处理，而后，在数控加工中心对叶片进行机械加工，随后对上冠和叶片整体进行抛光处理；

6)装配下环，进一步进行抛光处理，完成水轮机模型转轮的制造。

技术效果：

水轮机模型转轮在水轮机转轮设计开发和水力试验最重要的核心部件，其制造质量和精度是设计验证和试验数据正确性的重要保证，同时，还必须考虑模型转轮制造的周期、成本，以及尽可能避免由原有制造工艺限制带来的叶片根部圆角过度不好引起的流道变化和间隙流问题，而且，由于转轮的上冠、下环和每个叶片均是单独制造，最终装配制作完成，存在一定的尺寸误差和叶片一致性误差。本发明提出了一种利用电弧增材制造叶片的水轮机模型转轮制造方法，充分结合利用机械加工和增材制造两种技术的优点，对于机构简单，易于机械加工制造的上冠和下环，采用机械加工的方法，利用钢板制造。对于具有空间曲面结构，加工难度大的叶片，采用增材制造的方法制造近净成型的叶片。在完成上冠和叶片整体制造和消应力处理后，利用数控加工中心对叶片进行精加工，这样保证了叶片的精度和一致性，同时避免了流道变化和间隙流问题。与原有模型转轮制造方法相比，机械加工上冠和下环与冷金属过渡电弧增材制造叶片相结合的水轮机模型转轮制造方法具有加工精度高、周期短和成本低的优势。

附图说明：

图1是机械加工上冠示意图。

图2是机械加工下环示意图。

图3是以上冠过流面为基础增材制造叶片示意图。

图4是增材制造叶片分布示意图。

图5是本发明的结构示意图。

附图中：

1机械加工上冠；2冷金属过渡电弧增材制造叶片；

3机械加工下环。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述：

如1图所示，进行上冠1的下料，材质为304奥氏体不锈钢板，下料后采用机械加工的方法完成上冠1的制造；

如2图所示，进行下环3的下料，材质为304奥氏体不锈钢板，下料后采用机械加工的方法完成下环3的制造；

如3图所示，将水轮机模型转轮的三维数学模型导入专用软件，以上冠1过流面为增材制造基础，确定每个叶片2在上冠1的相对位置，并对叶片2过流面自动增加2.0mm的加工余量，对叶片2数学模型沿水平方向进行切片和焊接路径规划；将规划的焊接路径转化成机器人控制程序，控制机器人采用冷金属过渡的电弧增材制造方法，焊材为304l奥氏体不锈钢焊丝，按照叶片2的数学模型切片，每次完成所有叶片2的同水平片层制造，而后进行所有叶片2的下一层制造，以此类推，最终完成叶片2的自动增材制造，通形成近净成型的叶片2；对制造完成的上冠1和叶片2整体部件进行消应力热处理，而后，在数控加工中心对叶片2进行机械加工，随后对上冠1和叶片2整体进行抛光处理；

如4图所示，增材制造完成后叶片2(总计9片)在上冠1的分布；

如图5所示，装配下环3，随后进一步进行抛光处理，完成水轮机模型转轮的制造。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种机械加工与增材制造相结合的水轮机模型转轮制造方法，模型转轮上冠和下环采用钢板机械加工制造。在成型的上冠上，采用电弧增材制造技术，利用冷金属过渡的堆焊方式，将模型转轮数学模型导入计算机，通过软件完成叶片的切片与焊接路径规划，控制机器人系统完成叶片的增材制造，形成近净成型的叶片，对制造完成的上冠和叶片整体部件进行消应力热处理。在数控加工中心对叶片进行机械加工，对上冠和叶片整体进行抛光，最终装配下环，完成水轮机模型转轮的制造。该方法具有加工精度高、周期短和成本低的优势。

技术研发人员：程广福
受保护的技术使用者：哈尔滨电机厂有限责任公司
技术研发日：2017.05.24
技术公布日：2017.09.12