水轮机转轮叶片模压成型技术

万方数据
图２叶片展平后形状
对应映射到展开平面上，作为该点的ｚ坐标，这样 叶片展开后的板坯正面坐标为（置，Ｘ，０），背面曲 面坐标为（置，１１，三）。由于叶片背面采用了Ｂｅｚｉｅｒ 曲面模型，使整个叶片展开功能既快捷又可靠，大 大提高了叶片展开计算的精度。 １．２ 成型模具的设计与制造 １．２．１ 叶片压模的设计
铸造板坯（见图７）成型工艺简单，板坯背面可 直接铸造成叶片展开图要求的空间曲面。板坯加工
图７ 铸造叶片板坯 ．
工作量较小，但由于“ｘ”型叶片厚度变化大，铸 造缺陷不可避免，焊补和铲磨修正工作量较大，生 产周期较长，生产效率低。 ２．２ 钢板板坯
万方数据
图８ 不等厚钢板拼焊叶片板坯
钢板板坯（见图８）是模压叶片较理想的毛坯结 构型式，钢板内部质量好，缺陷少。由于“ｘ”型 叶片厚度变化大，钢板板坯的材料利用率低；叶片 板坯背面呈空间曲面，且余量差异很大，板坯背面 曲面采用数控加工较合理，加工效率高。 ２．３ 不同结构型式板坯经济性对比
１ 叶片模压成型技术
叶片模压成型工艺涉及多方面的技术，包括叶 片展平计算、压模设计制造、叶片模压成型工艺及 热处理等。东方电机通过对福堂、吉林台等电站转 轮叶片的制造，开发出一套既适合高水头电站转轮
收稿日期：２００５一１２一１５ 作者简介：王地召（１９６５一），男，１９８５年毕业于四川工业学院，在求方电机股份有限公司从事水轮机制造工艺工作，高级：Ｉ：程师。
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内部的晶相发生变化，其亚晶组织更加细化，使金 属更易于流动变形，变形后得到的叶片成品强度更 高，韧性和表面粗糙度均有很大的改善。 １．４ 叶片热处理工艺
叶片通常采用不锈钢材料，并对叶片出厂时表 面硬度有较高要求，而叶片模压时的温度达１１００℃ 左右，模压后叶片材料性能将发生改变，因此叶片 模压后必须进行恢复性能的热处理，以达到综合性 能要求。
（４）取出叶片半成品，检查首件叶片，对回弹引 起的误差进行修正（修模），再重复上述过程，直到 台格为止。
（５）对叶片进行恢复性能热处理。 （６）用三坐标测量仪检查叶片型线。 （７）对个别型线超差的叶片，进行冷压校形处理。 （８）抛光叶片正背面。修磨叶片进出水边。 （９）抽检叶片型线。转下序进行转轮装焊。 这种工艺的优点是：叶片板坯制造合格后，先 将其加热至１１００℃左右，然后在油压机上进行叶片 热压成型；板坯在材料的再结晶温度之上热压变形 时，变形沿着较多的滑移面和滑移方向进行，宏观 上表现为塑性的提高、变形抗力的降低，同时金属
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引言
水轮机转轮叶片的制造质量直接影响水轮机的 水力效率、空化性能及机组运行稳定性。相对于叶 片数控加工及铲磨工艺，叶片模压成型工艺有其独 特的特点，适合于生产台数相对较多的中小型水轮 机转轮叶片。模压叶片具有制造成本低、叶片内部 质量好、生产效率高等优点，是叶片制造的先进工 艺技术之一。
图３叶片下模三维造型
制时由设置在下模压力中心位置上的定位销和两侧 的定位槽定位。 １．２．２ 叶片压模的制造
叶片压模采用铸造毛坯，压模的粗、精加工安 排在三轴联动龙门式数控加工中心上完成。压模采 用可转位球头铣刀加工，根据压模的曲面曲率变化 情况和仿真加工时干涉检查情况确定刀具直径。铣 削上、下压模的定位基准面时采用可转位的硬质合 金玉米铣刀，可提高加工效率，保证压模的制造精 度。上、下模的大曲面加工分为粗、精铣，粗铣的 刀位采用沿压模造型的参数线来回方式走刀，按曲 面的百分率控制加工区域，以便控制进出刀和改善 刀具的切削条件，并按切削行数控制切削宽度；在 精铣刀位中采用固定轮廓铣加工方法来回方式走 刀，利用被加工曲面作为驱动曲面，并延伸进出刀 方向的边界。为避免进刀时直接插入被加工表面， 进行干涉检查，行进方向由残余高度控制。在加工 之前用ｖＥＲＩｃｕＴ进行仿真加工观察，修改刀位参 数，使之配合机床更有效加工。
以福堂转轮叶片为例进行板坯经济性对比： 福堂叶片展开后板坯净重２６５ ｋ异，叶片最薄处９ ｍｍ，最厚处７３ ｍｍ，如果板坯用厚度为８０ ｍｍ钢板 下料，板坯毛重８２９ ｋｇ，材料定额重量为８７３ ｋｇ， 材料利用率为３０．４％。ｚｃ００ｃｒｌ６Ｎｉ５Ｍｏ不锈钢板价 格按２．８万元／【计算，单件板坯材料费为２．４４万 元。福堂叶片最终采用了铸造板坯，铸件定货重量 为４７８．５２ｋ，材料利用率为５５．４％，板坯铸件定货 价为３．８万元／ｔ，单件毛坯材料费为２．０７３万元（包 括承制厂粗磨板坯费用）。 经上述分析可以看出，钢板板坯材料利用率较 低，毛坯材料费用较铸造板坯高，但如果魁中型水 轮机叶片板坯采用不同厚度钢板拼焊而成，就可以 提高材料利用率，降低成本。
热压模制造工艺流程如下： （Ｉ）根据压模型线及周边坐标制作铸造木模，并 浇铸出压模铸件。 （２）在龙门刨床上加工上、下模底平面，达到图 纸要求。 （３）以底面为基准加工４个导向耳部的上平面及 台阶。 （４）上、下模在三轴数控龙门铣床上数控编程加 工（见图４）。
（”将叶片板坯加工至正面为平面、背面为曲面 的不等厚展平叶片（包括余量），板坯粗糙度符合要 求。
国内外一些水轮机制造厂家为了提高叶片的制 造质量，开发了叶片模压成型新技术，以取代传统 的“叶片砂型铸造一铲磨”工艺方法，经过多年的
研究实践，积累了较丰富的经验。东方电机叶片模 压成型技术研究起步较晚，近年来组织相关技术人 员进行大量的研究开发，通过福堂、吉林台等电站 转轮叶片的模压成型，积累了一定的经验，使该公 司叶片制造技术多了一条新途径，提高了公司产品 的市场竞争力，具有较好的技术经济效益。
叶片压制时，其空间跨度较大，模具侧向受一 定的力和力矩，所以模具结构设计必须合理可靠。 上、下模设计成中空式带加强筋的壳体，以减轻重 量和便于冷却。上、下模外侧面设计成向外与垂直 方向成一定角度的斜壁，以增加稳定性。上、下模 采用导板式导向，８对导板分别位于进、出水边。 上、下模四周设计有低于型面周边５ ｍｍ的台阶， 这样在压制时。叶片四周就形成明显的压痕，后序 以此压痕为准对叶片进行余量切割及修边。叶片压
文章编号：１００ｌ一９００６（２００６）０１一００４２一０５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｏｕｌｄ ＰｒｅｓｓｉＩＩｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｒｕｎｎｅｒ Ｂｌａｄｅｓ
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（Ｄｏｎ出ｎｇ ＥｌｅｃＩ＾ｍ Ｍ虻ｈｉ魁ｒｙ ｃｏ，删．Ｄｅｙａｎｇ ６１８０００．ｃｈｉｎａ）
２ 叶片板坯结构型式分析
国外厂商对叶片模压技术研究起步较早，积累 的经验较多，他们根据模压叶片的加工特点进行叶 片水力设计，设计出的叶片厚度相差不大，因此多 选用等厚钢板作为模压叶片的毛坯。而国内厂家多 数情况是先确定了叶片结构，再制定叶片的加工方 法，这就导致在确定模压工艺、选择叶片板坯结构 型式时较困难。叶片板坯结构型式通常有２种，即 铸选板坯和钢板板坯。 ２．１ 铸造板坯
从理论上讲，叶片密化点越密，三角形的边长 与对应的弧长越接近，展开结果就越准确，但由于 叶片为不可展的雕塑曲面体，故叶片的实际密化点 数有一个最佳值。
展开后叶片的背面以叶片真实厚度变换确定背 面曲面。利用点到曲面的真实距离计算方法，在叶 片正面对应展开点。计算其到叶片背面的距离作为 该点对应的真实厚度。为满足计算需要，开发了 “混流式叶片模压成型的展开及模具型线设计软件 系统”，利用软件系统的“厚度或截面”菜单中的 “曲面的真实厚度”菜单功能，将各密化点的厚度
（２）装压模。将上、下模一起吊上油压机工作 台，找平。上模法兰面与油压机头把紧，调整好位 置后将下模压紧在油压机平台上。
（３）将叶片置于加热炉中，按热处理工艺要求进 行加热、保温，再用夹持机械手将板坯取出放在压 模上（见图５），调整好位置后用油压机压形、保 压，通强风冷却，直到叶片冷却至常温（见图６）。
３ 模压叶片生产周期分析
模压叶片的模具设计制造时间约需３～４个月， 按１２０天计算。一台机叶片板坯加工时间约３０天， 叶片模压时间８天（福堂、小天都等电站转轮叶片一 天可压制２件）。叶片模具设计、制造时间虽长，但 水轮机设计图纸完工后，在叶片毛坯定货期问就可 开始叶片压模的设计、制造。只要生产计划安排得 当，模具设计、制造时间不会对整个叶片制造周期 造成影响。计算时若不考虑模具设计、制造时间， 一台机叶片模压加工时间约为３８天。数控机床加工 一件叶片约需３．５天，加工一台转轮叶片需５２．５天。
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图ｌ叶片展平前形状
叶片由多张雕塑曲面组成，不能用解析方程来 定义这些曲面。根据叶片设计的流体动力特性的要 求，制造出的叶片型面必须严格通过设计的各型值 点，如何准确地采用数值方法来模拟叶片各曲面， 是叶片模压成型技术的基础。根据曲面微分几何学 理论，对叶片的各曲面采用双三次Ｂ样条曲面和双 三次Ｂｅｚｊ“曲面数学模型进行数值模拟叶片空间曲 面，并采用Ｂ样条曲面细分算法，按任意要求的网 格密度对叶片型值点进行密化，以便提高叶片巨型 计算的精度和图形显示的质量。
水轮机转轮叶片模压成型技术
王地召．王贞凯
（东方电机股份有甩公司，四川德阳６１８吣０）
摘要：介绍了水轮机转轮叶片模压制造所涉及的叶片展平方法、压模设计制造、叶片模压成型工艺度热处理等技术．并时夸
后制造模压叶片提出了一些改进措施。
关键词：水轮机；转轮；叶片；模压成型
中图分类号：ＴＫ７３０ ３＋２
文献标识码：Ｂ
如福堂电站转轮叶片材料为ｚＧ００ｃｒｌ６Ｎｉ５Ｍｏ不 锈钢，要求叶片出厂时的表面硬度不低于ＨＢ３００。 针对此种要求进行了专门的热处理工艺研究，以确 定满足该材料性能要求的热处理工艺。考虑到该电 站转轮为“ｘ”型叶片，并从降低叶片制造成本出 发。先制定了模压试制工艺，试压结果较为满意。 最后按此热处理工艺完成了福堂电站４台机组转轮 叶片的模压成型，其性能、型线均达到要求。
图４叶片Ｆ模数控加工
以预加工出的导轴孔位置找正、加工正、背面 型面和４个导向耳部至要求。
（５）铲磨上、下模型面，粗糙度≤Ｒａ３．２。 （６）其余零件加工、装配。 １．３ 叶片模压成型工艺 叶片压制工艺过程如下：
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图５ 加热后的板坯吊放在模具上 图６ 模压成型后的叶片
第２０卷第பைடு நூலகம்期 ２００６年３月
几何上采用将叶片正面凸面上的曲边三角形曲 面按空间距离“映射”到平面的近似展开计算方 法，实践证明这种方法与叶片的模压结果较为吻 合。利用叶片密化计算得到的叶片正面数据，划分 出叶片正面的微三角形曲面片，在叶片模压位置寻 找ｚ坐标最低的点序号，然后以该点作为展开的中 心点，把叶片正面密化点问的空间弧长向四周展开 成平面（见图２）。
按照优化设计出的叶片摆放位置确定热压成型 模具的型线，叶片正面数据加上回弹量确定上模型 面，叶片背面数据加上加弹量确定下模型面（见图 ３）。
由于叶片压制大约在１ １００℃的高温下进行，模 具所处的工作环境相当恶劣，要求模具耐高温、耐 高压且受热抗变形性能良好，可选择屈服强度为 ２９４ ＭＰａ的铸钢２０ｓｉＭｎ作为模具上、下模材料，也 可以选用易于加工的铸铁作为上、下模材料。
王贞凯（１９６７一），男、１９８９年毕业干重庆大学，在东方电机股份有限公司从事数控工艺及编程工作，高级工程师。
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叶片，又适合中低水头电站转轮叶片的通用一次模 压成型工艺。 １．１叶片展平
要进行叶片的展开计算、压模型面计算、三维 图形显示和光顺处理，必须先进行叶片型面的三维 造型（见图１）。