一種分瓣整鑄轉(zhuǎn)輪的鑄造工藝設(shè)計(jì)

馬 斌，郭小強(qiáng)，李永新，李文定，李彩虹

（共享鑄鋼有限公司，寧夏銀川 750021）

0 前言

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪是將水的靜壓能與勢能轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)機(jī)械動(dòng)能，通過水輪機(jī)主軸傳遞給發(fā)電機(jī)主軸。主要依靠轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換與傳遞，因此對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪體的設(shè)計(jì)、材質(zhì)選擇、制造標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量及性能等方面均有較高要求。

1 產(chǎn)品分析

1.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析

分瓣轉(zhuǎn)輪鑄件為水輪機(jī)發(fā)電行業(yè)配套零件，包括葉片組、下環(huán)兩部分，下環(huán)為360°L 型圓環(huán)，葉片為復(fù)雜曲線條狀結(jié)構(gòu)，葉片按照曲線螺旋順序鑲嵌于下環(huán)面，組成分瓣轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)葉片及下環(huán)采取單獨(dú)鑄造，結(jié)構(gòu)及模具方案簡單；現(xiàn)結(jié)構(gòu)將下環(huán)與葉片組整鑄，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鑄件三維圖

圖2 熱節(jié)示意圖

產(chǎn)品重量5354 kg，材質(zhì)為ZG04Cr13Ni5Mo，三維尺寸為?3074 mm×668 mm。其結(jié)構(gòu)由9 個(gè)葉片及下環(huán)結(jié)構(gòu)組成，葉片曲面復(fù)雜，葉片最薄處為13 mm，葉片的型線與下環(huán)相交接處易形成鑄造熱節(jié)。鑄件性能要求如表1 所示。

表1 鑄件性能要求

1.2 產(chǎn)品鑄造難點(diǎn)分析

根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),鑄造工藝有如下難點(diǎn)：

（1）葉片型線長，其型線與下環(huán)相交形成曲線狹長熱節(jié)，冒口無法全部覆蓋補(bǔ)縮。

（2）葉片型線復(fù)雜，壁薄，澆注過程易集渣，且澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度大。

（3）對(duì)于復(fù)雜葉片曲面，無法制作實(shí)體模型，必須設(shè)計(jì)組芯方案，但傳統(tǒng)組芯方案芯盒葉片間芯子單薄，且葉片型線為不規(guī)則曲面，易導(dǎo)致芯盒曲面活料太多，不易控制葉片型線，同時(shí)需要設(shè)計(jì)芯子太多，芯子與芯子間尺寸配合不準(zhǔn)易導(dǎo)致葉片尺寸偏差。

（4）分瓣整鑄轉(zhuǎn)輪直徑大，對(duì)于成型操作難度大。

2 工藝設(shè)計(jì)

2.1 鑄造工藝設(shè)計(jì)

確定鑄造方案，將葉片朝下，避免葉片面朝上無法設(shè)計(jì)冒口，同時(shí)避免葉片朝上變?yōu)榧鼈?cè)，影響鑄件質(zhì)量，方案如圖3 所示。

圖3 鑄造工藝方案圖

依據(jù)鑄件剖視圖，分析熱節(jié)分上下兩層（如圖2 所示），即熱節(jié)一與熱節(jié)二，葉片與下環(huán)相交形成螺旋曲線熱節(jié)，鑄造工藝需要按照熱節(jié)型線設(shè)計(jì)冒口及冷鐵。依據(jù)模數(shù)計(jì)算法：M=S/C（M 為模數(shù)，S 為散熱面表面積，C 為周長）計(jì)算熱節(jié)一、熱節(jié)二模數(shù)M1、M2。依據(jù)熱節(jié)一與熱節(jié)二位置，在熱節(jié)一處設(shè)計(jì)明冒口，在熱節(jié)二處設(shè)計(jì)暗冒口，同時(shí)為了滿足明冒口向鑄件的補(bǔ)縮，在明冒口下方設(shè)計(jì)補(bǔ)貼，冒口與熱節(jié)模數(shù)必須滿足如下關(guān)系：冒口模數(shù)M3≥1.2M1，暗冒口模數(shù)M5≥1.4M2；按照實(shí)際葉片與下環(huán)相交熱節(jié)數(shù)量進(jìn)行設(shè)計(jì)明冒口和暗冒口。冒口必須補(bǔ)縮葉片與下環(huán)相交部位，即冒口位置設(shè)計(jì)在下環(huán)與葉片相交熱節(jié)部位。冒口設(shè)計(jì)見圖4，為了保證冒口單獨(dú)補(bǔ)縮，在冒口與冒口中間設(shè)計(jì)分區(qū)冷鐵，防止冒口中間產(chǎn)生縮松缺陷。

圖4 冒口、冷鐵設(shè)置示意圖

圖5 澆注系統(tǒng)設(shè)置示意圖

對(duì)于分瓣整鑄轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須從葉片底部進(jìn)流，防止鋼水倒流對(duì)葉片型線的沖刷，同時(shí)內(nèi)澆口進(jìn)流速度必須＜0.6 m/s。為了保證整體鑄件的進(jìn)流平穩(wěn)及整個(gè)鑄件凝固溫度場的均勻性，需在每個(gè)葉片底部設(shè)計(jì)內(nèi)澆口。內(nèi)澆口連接盡量采用二分法原則，澆注系統(tǒng)的二分法為直澆道與橫澆道分流為二，橫澆道與內(nèi)澆口分流為二，使下一級(jí)澆注系統(tǒng)截面積保證比上一級(jí)澆注系統(tǒng)截面積比接近2，最終使整體澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)為開放式結(jié)構(gòu)，上下級(jí)之間分流為二，保證流速均勻、平穩(wěn)。依據(jù)鑄件澆注重量及鋼包大小，計(jì)算選取35#鋼包，?120 mm 直澆道1 支，?80 mm 內(nèi)澆口9 支，直澆道與內(nèi)澆口之間采用?120 mm 到?80 mm 變徑瓷管橫澆道連接。在內(nèi)澆口末端設(shè)計(jì)緩流裝置，目的為緩沖鋼水在澆注系統(tǒng)內(nèi)的進(jìn)流及收集進(jìn)入型腔的第一股臟鋼水。依據(jù)葉片結(jié)構(gòu)在葉片型線末端設(shè)計(jì)集渣槽，目的為在鑄件尖角或封閉拐角部位，渣子不易上浮。在鋼水進(jìn)入葉片底部時(shí)將臟鋼水進(jìn)行收集，保證葉片質(zhì)量。

2.2 成型工藝設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)成型轉(zhuǎn)輪為上冠、下環(huán)、葉片單獨(dú)鑄造，再進(jìn)行焊接。其鑄造成本、焊接成本高，且質(zhì)量不能保證，生產(chǎn)周期長，隨著3D 技術(shù)的成熟及顧客質(zhì)量要求的提高，對(duì)于復(fù)雜轉(zhuǎn)輪采取整鑄或半整鑄，以提高其質(zhì)量、減少制造周期、降低制造成本。

此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)直徑較大，采取整鑄3D 受制造設(shè)備影響，采取半整鑄方案，成型方案為實(shí)體外模形成外輪廓，葉片間芯子采用3D 打印成型技術(shù)保證葉片型線的問題。

依據(jù)葉片型線結(jié)構(gòu)，采用砂芯成型，實(shí)樣模型無法實(shí)現(xiàn)葉片成型。其砂芯結(jié)構(gòu)如圖6 所示，設(shè)計(jì)砂芯，同時(shí)設(shè)計(jì)外模，砂芯成型葉片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，外模成型下環(huán)外部結(jié)構(gòu)，最終組成轉(zhuǎn)輪的整體結(jié)構(gòu)。

圖6 砂芯及外皮結(jié)構(gòu)

圖7 3D 砂芯示意圖

由于砂型結(jié)構(gòu)需保證葉片型線，不能采用傳統(tǒng)木質(zhì)芯盒成型砂芯，如采用傳統(tǒng)木質(zhì)芯盒成型，需設(shè)計(jì)9 個(gè)單獨(dú)砂芯，砂芯曲線復(fù)雜，最薄處只有163 mm，葉片弧線長度達(dá)3000 mm，單獨(dú)砂芯下芯配合存在很多風(fēng)險(xiǎn)。葉片砂芯采用3D 打印成型，這樣保證9 個(gè)葉片在一個(gè)芯子內(nèi)成型，葉片型線得到保證，同時(shí)減少合箱時(shí)間等操作難度。

3 生產(chǎn)驗(yàn)證效果

通過鑄造工藝設(shè)計(jì)及成型方案的設(shè)計(jì)，鑄造方案及成型方案滿足鑄件生產(chǎn)所需，性能、尺寸滿足顧客要求。同時(shí)通過鑄造工藝及成型工藝實(shí)施，得出以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)單獨(dú)葉片、下環(huán)單鑄改為整鑄方案的轉(zhuǎn)換。

（2）為了防止葉片末端集渣，在葉片末端設(shè)計(jì)集渣槽，收集葉片末端渣子。

（3）通過設(shè)計(jì)冒口、冷鐵等工藝措施，解決了葉片與下環(huán)形成的曲線熱節(jié)補(bǔ)縮問題。

4 結(jié)論

通過分析鑄件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)冒口、冷鐵、澆注系統(tǒng)等工藝信息，保證了鑄件質(zhì)量滿足了顧客要求。以3D 技術(shù)解決復(fù)雜曲面成型技術(shù)滿足了半整鑄轉(zhuǎn)輪成型問題。通過以上技術(shù)實(shí)施，較傳統(tǒng)制造方案成本大幅度下降、制造周期縮短、制造質(zhì)量提高。