水轮机叶片铸造过程型线尺寸检测及控制研究

彭志诚

(宁夏共享铸钢有限公司，甘肃宁夏 750021)

水轮机叶片铸造过程型线尺寸检测及控制研究

彭志诚

(宁夏共享铸钢有限公司，甘肃宁夏 750021)

水电、核电、风电是目前全球倡导优先开发的绿色能源，而在这三大能源资源中，水能又是我国最丰富的能源资源，也是中国现有能源中唯一可以大规模开发的清洁、可再生能源，大力开发利用水能对实现可持续发展具有重要的现实意义。

叶片；尺寸；变形

水电设备制造是国家鼓励的重点产业，但国产件质量难以满足需求，因此实现国产化已成为一项重要工作。水电机组中叶片是其中一个非常重要的铸钢件，生产叶片的技术难点之一就是叶片的型线尺寸控制，由于叶片自身的型线设计，翘曲不规则，再加上壁厚变化较大，最薄处变形量非常大，因此铸造过程中的尺寸控制非常关键。本文重点介绍的就是叶片在铸造生产过程中的如何准确的控制型线尺寸。

1 实施过程

本项目通过对叶片铸造生产过程的跟踪实施，分析研究叶片在各个生产工序的尺寸变形规律后，制定相应的控制预防措施。并且对已经生产出来的铸件，尺寸如何返修达到标准要求，研究探索出一套科学、可行、适用及规范的操作方法。

1.1 目前现状及存在问题

水轮机叶片是铸造件，必须经过模型制作、造型、熔炼浇注、清理、热处理、加工、气刨、修磨、焊补等关键铸造工序，在这些关键工序中叶片的尺寸会发生很大的变化，最主要的就是变形。所以，在这些关键工序的完成过程中，必须要确保质量合格[1]。

（1）模型的质量问题

叶片模型的特点是由多个芯盒组合而成，且芯盒尺寸大，质量大。模型制作过程中，容易出现芯盒之间的间隙过大和芯盒变形，一旦出现上述问题，用此模型造出的叶片尺寸肯定不合格。

（2）造型合箱质量

叶片造型用的砂箱是组合砂箱，造型方法是组箱造型，这种造型方法的优点是操作简单方便且效率高，但是这种造型方法若操作过程不精细或者定位不准确，容易造出芯子之间的间隙过大，浇注的叶片披缝就相应增大，若浇注质量不够，不仅后续清理披缝困难且发生浇注不足报废的风险很大。

（3）叶片的凝固收缩变形

叶片在浇注冷却过程中，由于热胀冷缩原理及叶片自身的型线设计，叶片会发生较大的变形。变形量会因造型条件、砂箱强度、型砂硬度、叶片壁厚变化情况不同，不仅不同类型的叶片变形量各不相同，同一类型的不同叶片变形也不相同[2]。

（4）热处理变形

叶片热处理过程中，最高温度超过1000℃，在这种高温条件下，叶片会由于自身重力的作用发生变形，同时若热处理过程中，叶片装炉方式不恰当，则会更大促进叶片的热处理变形。

（5）气刨、铲磨等返修质量

在铸造行业，气刨和铲磨是最常用也是最适用的去除铸件多余材料的方法和手段。对于叶片产品，由于其自身设计无规则，翘曲变化大，在叶片上找不出任何一个标准的平面或直线做返修基准，所以在去除多余材料的时候，若没有科学合理的方法作为指导，则很有可能造成叶片返修缺量，尺寸不合。

1.2 原因分析及纠正预防措施

（1）模型的质量问题

鉴于叶片大批量生产的特殊性、叶片模具结构的特殊性，为了能够保证生产出高精度的叶片木模, 采用CAE建模，利用CAD/CAM五轴数控加工模样。模型主体材料采用内部木质框架，表面的包覆材料采用环氧树脂涂层以确保形状稳定。芯盒梆子采用刚性且可拆卸结构，同时为了防止叶片在后续生产中出现大批量、典型的尺寸问题，对叶片的模具（芯盒）必须保证定期进行测量和修正，同时利用测量臂和激光跟踪仪对模型尺寸经行型线检测，对比两种仪器测量结果，并对模型尺寸超差2mm以上地方进行修理，修理后再次用测量臂或者激光跟踪仪进行确认，直到模型尺寸符合要求。

（2）造型合箱质量问题

造型采用单个芯起吊，这样具有重量轻、操作简便、易于控制、生产周期短等特性，降低了生产叶片的设备要求能力及解决了前述产能不足的问题，最终实现叶片批量化生产。此方案改变了传统的制芯、造型、合箱工艺方法，解决了三个工序的衔接问题，形成了流水性作业，提高了厂房及模型的使用效率。单个芯子尺寸质量保证容易，但由于叶片是组芯造型，当芯子和芯子组合起来后，尺寸无法确保是否完全合适。为此制作专项卡板，检测每一个叶片所有芯子组芯后的尺寸质量，确保组芯尺寸合格，组芯之间的间隙要求小于5mm，若检查发现间距大于5mm，则要求返修，直至符合要求。

（3）叶片的凝固收缩变形

由于水轮机叶片铸件形状复杂显空间扭曲状， 断面形状为翼形，因此在凝固收缩过程中极容易发生变形。在编制铸造工艺方案时, 对叶片易变形位置及其变形量进行工艺补偿, 就是在容易变形的位置预先添加工艺反变形量, 从而来抵消凝固收缩时产生的变形。采取措施：采用特殊的MAGMA模拟软件对叶片的三维模型的凝固收缩，变形倾向进行模拟研究控制，重点研究分析变形区域及变形量的大小，根据计算机软件模拟结果，在变形区域依次递增反变形量，同时根据生产情况不断优化工艺，优化反变形量和加工余量，减少后续气刨工作量[3]。

（4）热处理变形

叶片在热处理中的装炉方式也是非常关键的。叶片在进行热处理时，正火温度达到1000℃以上，在这样的工作条件下，叶片装炉不当会在高温加热过程中因自重导致叶片变形。采取措施：为避免叶片因装炉不当变形，针对叶片结构特点，采用叶片厚大的边(进水边、下环)朝下，在天然气台车炉中垂直卡于工装上，并设计专用工装，保证叶片重心垂线与工装支撑力线重合，热气流顺利循环，这种装炉方式最符合叶片自身的流线型设计，也是受到外力最小的一种热处理状态，有效预防了叶片在热处理过程中的变形。

（5）气刨、铲磨等返修质量

气刨处理多肉部位工作量大，且不易控制气刨质量。气刨时没有样冲基准，气刨面也是随行曲面，常规的气刨标识方法不适用于叶片。每次测量后将超过顾客要求的加工余量标识在铸件上，气刨之前对需要气刨的部位先钻基准孔，后气刨。

2 取得成绩

（1）尺寸控制全部符合顾客要求，我公司截止目前共生产发货300余片，尺寸控制全部符合顾客要求，没有任何顾客关于尺寸方面的质量信息反馈。

（2）尺寸焊补率仅为0.05dm3/t，零尺寸焊补率铸件达到80%以上。

（3）叶片表面余量非常均匀，给顾客节约了加工周期而且降低了加工费用。

（4）规范了尺寸多肉气刨、修磨的处理方法。钻孔加测量的方法是尺寸处理的唯一现场依据，这种方法给处理多肉尺寸提供了准确的基准依据。根据此基准，尺寸问题一次处理到位，即保证了尺寸质量又大大提高了生产效率。

3 总结

本文主要从叶片生产的铸造工序出发，详细阐述了叶片在铸造生产过程中各工序出现的尺寸问题，并针对每个工序发现的问题提出了有针对性的、有效的纠正和预防措施。从最终取得的成绩来看，这些措施确实是行之有效的，不但有效解决了叶片生产尺寸控制难的问题，还缩短了加工周期，降低了采购成本，同时也极大地推动了叶片国产化的步伐。

[1] 衣 薇.铸造技术标准手册[M].北京：中国物资出版社，2004.

[2] 袁晓玲.生铁铁合金及其它钢铁产品标准汇编[M].北京：中国标准出版社，2002.

[3] 陈国桢.铸件缺陷和对策手册[M].北京：机械工业出版社，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

稿件编号：1208－095

彭志诚（1984-），男，从事产品质量控制