技術領域：

本發明涉及一種機械加工與增材制造相結合的水輪機模型轉輪制造方法。

背景技術：
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隨著發電設備制造行業競爭的日趨加劇，水輪機模型轉輪制造技術在水輪機轉輪開發過程中越來越重要，在某種程度上甚至決定了大型水電項目競標的成敗。模型轉輪是用以驗證設計的單件產品，每個電站項目均需要10臺左右的模型轉輪，目前主要采用鑄造銅坯進行數控加工來實現，此種制造方法制造周期長、成本高，另外，鑄造銅坯利用率低，同時，因鑄造銅坯缺陷報廢或后續處理將進一步增加制造周期和成本。此外，對于葉片高度較小、空間較窄的轉輪，葉片根部圓角過渡無法實現和保證，引起流道的變化或帶來間隙流問題。水輪機模型轉輪的設計制造與增材制造技術擁有著完美的契合點。

增材制造技術(又稱3d打印技術)，誕生于20世紀80年代后期，是基于材料堆積法的一種新型制造技術，可以根據零件或物體的三維模型數據，通過成型設備以材料累加的方式制成實物模型的技術。可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉變為具有一定功能的原型或直接制造零件，從而為零件原型制作、新設計思想的校驗等提供了一種高效低成本的實現手段。

電弧增材制造技術以電弧為載能束，采用逐層堆焊的方式制造金屬實體構件，該成形零件由全焊縫構成，化學成分均勻、致密度高，開放的成形環境對成形件尺寸無限制，成形速率高，但電弧增材制造的零件表面波動較大，成形件表面質量較低，一般需要二次表面機加工，電弧增材制造技術的主要應用目標是大尺寸復雜構件的低成本、高效快速近凈成形。其中，冷金屬過渡技術具有低熱輸入、無飛濺等特點，而且，其送絲運動與熔滴過渡過程可進行數字化協調，在物質輸入方面具有更高的可操控性，可能會成為將來電弧增材制造的主要熱源方式。

技術實現要素：
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本發明涉及一種機械加工與增材制造相結合的水輪機模型轉輪制造方法，具有加工精度高、周期短和成本低的優勢。

本發明的技術方案為：

1)進行上冠的下料，材質為304奧氏體不銹鋼板，下料后采用機械加工的方法完成上冠的制造；

2)進行下環的下料，材質為304奧氏體不銹鋼板，下料后采用機械加工的方法完成下環的制造；

3)將水輪機模型轉輪的三維數學模型導入專用軟件，以上冠過流面為增材制造基礎，確定每個葉片在上冠的相對位置，并對葉片過流面自動增加2.0mm的加工余量，對葉片數學模型沿水平方向進行切片和焊接路徑規劃；

4)將規劃的焊接路徑轉化成機器人控制程序，控制機器人采用冷金屬過渡的電弧增材制造方法，焊材為304l奧氏體不銹鋼焊絲，按照葉片的數學模型切片，每次完成所有葉片的同水平片層制造，而后進行所有葉片的下一層制造，以此類推，最終完成葉片的自動增材制造，通形成近凈成型的葉片；

5)對制造完成的上冠和葉片整體部件進行消應力熱處理，而后，在數控加工中心對葉片進行機械加工，隨后對上冠和葉片整體進行拋光處理；

6)裝配下環，進一步進行拋光處理，完成水輪機模型轉輪的制造。

技術效果：

水輪機模型轉輪在水輪機轉輪設計開發和水力試驗最重要的核心部件，其制造質量和精度是設計驗證和試驗數據正確性的重要保證，同時，還必須考慮模型轉輪制造的周期、成本，以及盡可能避免由原有制造工藝限制帶來的葉片根部圓角過度不好引起的流道變化和間隙流問題，而且，由于轉輪的上冠、下環和每個葉片均是單獨制造，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。本發明提出了一種利用電弧增材制造葉片的水輪機模型轉輪制造方法，充分結合利用機械加工和增材制造兩種技術的優點，對于機構簡單，易于機械加工制造的上冠和下環，采用機械加工的方法，利用鋼板制造。對于具有空間曲面結構，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力處理后，利用數控加工中心對葉片進行精加工，這樣保證了葉片的精度和一致性，同時避免了流道變化和間隙流問題。與原有模型轉輪制造方法相比，機械加工上冠和下環與冷金屬過渡電弧增材制造葉片相結合的水輪機模型轉輪制造方法具有加工精度高、周期短和成本低的優勢。

附圖說明：

圖1是機械加工上冠示意圖。

圖2是機械加工下環示意圖。

圖3是以上冠過流面為基礎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是本發明的結構示意圖。

附圖中：

1機械加工上冠；2冷金屬過渡電弧增材制造葉片；

3機械加工下環。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步的描述：

如1圖所示，進行上冠1的下料，材質為304奧氏體不銹鋼板，下料后采用機械加工的方法完成上冠1的制造；

如2圖所示，進行下環3的下料，材質為304奧氏體不銹鋼板，下料后采用機械加工的方法完成下環3的制造；

如3圖所示，將水輪機模型轉輪的三維數學模型導入專用軟件，以上冠1過流面為增材制造基礎，確定每個葉片2在上冠1的相對位置，并對葉片2過流面自動增加2.0mm的加工余量，對葉片2數學模型沿水平方向進行切片和焊接路徑規劃；將規劃的焊接路徑轉化成機器人控制程序，控制機器人采用冷金屬過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的數學模型切片，每次完成所有葉片2的同水平片層制造，而后進行所有葉片2的下一層制造，以此類推，最終完成葉片2的自動增材制造，通形成近凈成型的葉片2；對制造完成的上冠1和葉片2整體部件進行消應力熱處理，而后，在數控加工中心對葉片2進行機械加工，隨后對上冠1和葉片2整體進行拋光處理；

如4圖所示，增材制造完成后葉片2(總計9片)在上冠1的分布；

如圖5所示，裝配下環3，隨后進一步進行拋光處理，完成水輪機模型轉輪的制造。

技術特征：

技術總結
本發明涉及一種機械加工與增材制造相結合的水輪機模型轉輪制造方法，模型轉輪上冠和下環采用鋼板機械加工制造。在成型的上冠上，采用電弧增材制造技術，利用冷金屬過渡的堆焊方式，將模型轉輪數學模型導入計算機，通過軟件完成葉片的切片與焊接路徑規劃，控制機器人系統完成葉片的增材制造，形成近凈成型的葉片，對制造完成的上冠和葉片整體部件進行消應力熱處理。在數控加工中心對葉片進行機械加工，對上冠和葉片整體進行拋光，最終裝配下環，完成水輪機模型轉輪的制造。該方法具有加工精度高、周期短和成本低的優勢。

技術研發人員：程廣福
受保護的技術使用者：哈爾濱電機廠有限責任公司
技術研發日：2017.05.24
技術公布日：2017.09.12