Báo cáo Nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh công tác tua bin thủy lực

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh công tác tua bin thủy lực

1. bộ nông nghiệp và phát triển nông thôn viện khoa học thủy lợi báo cáo tổng kết chuyên đề nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh công tác tua bin thủy lực thuộc đề tài kc 07.04: “nghiên cứu, lựa chọn công nghệ và thiết bị để khai thác và sử dụng các loại năng l−ợng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi tr−ờng” Chủ nhiệm chuyên đề: ThS nguyễn vũ việt 5817-4 16/5/2006 hà nội – 5/2006
2. Mục lục Trang Phần I : Báo cáo Tổng Quan 1 Ch−ơng I. Sự cần thiết nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh công tác tua bin thủy lực . 1 Ch−ơng II. Đánh giá tình hình sản xuất trong n−ớc và ngoài n−ớc . 3 2.1. Trong n−ớc . 3 2.2. Công nghệ trong khu vực . 3 2.3. Các n−ớc công nghiệp phát triển . . 4 Ch−ơng III. Các công nghệ chế tạo hiện đại đang đ−ợc ứng dụng tại Việt Nam . 5 Ch−ơng IV. Nội dung và phạm vi nghiên cứu 7 4.1. Các mẩu BCT tua bin nghiên cứu . 7 4.2. Ph−ơng pháp tiếp cận . 7 Phần II : Báo cáo công nghệ chế tạo BCT tua bin thủy lực . 8 Ch−ơng V. Số hoá vật thể cánh 3D cơ sở xây dựng mô hình hình học số 8 5.1. Ph−ơng pháp khai triển truyền thống 8 5.2. Khai triển với trợ giúp của thiết bị số hoá 3D 8 Ch−ơng VI. Chế tạo khuôn mẫu cánh bánh công tác Trên Cơ sở công nghệ CAD\CAM\CNC 12 6.1. Đánh giá công nghệ truyền thống 12 6.2. Chế tạo cánh và khuôn mẫu cánh trên cơ sở công nghệ CNC 13 6.2.1. Vài nét về công nghệ CNC 13 6.2.2. Tính t−ơng thích chuyển động tạo hình trên máy CNC . 16 6.2.3. Chọn máy và các nguyên lý tạo hình gia công các cánh điển hình 22 6.2.4. Chọn vật liệu Gia công cánh và khuôn cánh . 25 6.2.5. Cụ thể hoá Các b−ớc triển khai nghiên cứu 26
3. Ch−ơng VII. Công nghệ chế tạo BCT của tua bin tia nghiêng D = 250 27 7.1. Công nghệ đúc cánh rời 27 7.1.1. Đặc điểm của sản phẩm 27 7.1.1.1. Đặc điểm tua bin 27 7.1.1.2. Sản phẩm nghiên cứu 28 7.1.2. Lựa chọn vật liệu 29 7.1.3. Lựa chọn công nghệ đúc 30 7.1.3.1. Đặc điểm công nghệ đúc mẫu thiêu khuôn cát – nhựa . 30 7.1.3.2. Ưu điểm của công nghệ đúc mẫu tự thiêu - khuôn cát nhựa 31 7.1.4. Phân tích công nghệ đúc cánh 32 7.1.4.1. Khâu chế tạo mẫu 32 7.1.4.2. Tạo khuôn cát nhựa và đổ rót kim loại đúc . 34 7.1.5. Hoàn thiện bánh công tác 35 7.1.5.1. Sửa lá cánh . 35 7.1.5.2. Gá - hàn 36 7.5.1.3. Hoàn thiện và cân bằng cánh 37 7.1.6. Đánh giá công nghệ đúc cánh rời . 38 7.2. Công nghệ đúc cánh tia nghiêng dạng liền bằng Ph−ơng Pháp mẫu cháy và khuôn cát nhựa 39 7.2.1. Đặc điểm cánh tia nghiêng đúc liền . 39 7.2.2. Lựa chọn công nghệ đúc 40 7.2.3. Công nghệ chế tạo bánh công tác tia nghiêng bằng ph−ơng pháp đúc liền mẫu cháy - khuôn cát nhựa 40 7.2.3.1. Đúc bánh công tác 41 7.2.3.2. Gia công cơ . 48 7.2.3.3. Lắp đồng bộ Tua bin - Kiểm tra chất l−ợng - Hiệu suất thuỷ lực cánh . 49 7.2.3.4. Đánh giá công nghệ chế tạo cánh đúc liền 49
4. Ch−ơng IIX. Công nghệ chế tạo cánh tua bin Cột n−ớc cao D1= 100 và D1= 150 51 8.1. Quy trình thiết kế . 51 8.1.1. Quét mẫu 51 8.1.1.1. Tham khảo cấu tạo cánh tua bin của hãng Gilkes 51 8.1.1.2. Xây dựng bản vẽ cánh bánh công tác . 51 8.1.1.3. Lập trình gia công và gia công cối và đầu chày 52 8.1.2. Chọn ph−ơng án dập 52 8.1.2.1. Nguyên lý cấu tạo . 53 8.1.2.2. Nguyên lý biến dạng tạo hình 53 8.1.3. Tổng hợp quy trình trình chế tạo 61 Ch−ơng IX. Công nghệ chế tạo BCT tua bin h−ớng trục D = 300 . 63 9.1. Đặc điểm của sản phẩm . 63 9.1.1. Vài nét về bánh công tác tua bin h−ớng trục 63 9.1.2. BCT tua bin h−ớng trục có D1 = 300mm 63 9.1.3. Phân tích kết cấu . 64 9.1.4. Các mặt cắt lá cánh 65 9.2. Lựa chọn vật liệu . 65 9.2.1. Điều kiện làm việc 65 9.2.2. Lựa chọn vật liệu 67 9.3. Quy trình công nghệ 68 9.3.1. Tạo phôi bằng ph−ơng pháp đúc 68 9.3.1.1. Chế tạo mẫu 69 9.3.1.2. Sơn mẫu 73 9.1.3.3. Quá trình làm khuôn 73 9.3.1.4. Quá trình nấu luyện 74 9.3.1.5. Dỡ khuôn và làm sạnh 75 9.3.2. Gia công cơ khí 76
5. 9.3.2.1. Nguyên công 1 76 9.3.3.2. Nguyên công 2 77 9.3.3.3. Nguyên công 3 77 9.3.2.4. Nguyên công 4 78 9.3.3. Hoàn thiện BCT . 78 9.3.3.1. Mài sửa 78 9.3.3.2. Cân bằng tĩnh . 79 9.3.4. Kiểm tra chất l−ợng sản phẩm 80 9.3.4.1. Chất l−ợng vật liệu 80 9.3.4.2. Kiểm tra các kích th−ớc gia công cơ . 80 9.4. Đánh giá công nghệ 80 Ch−ơng X : Công nghệ chế tạo BCT tuabin h−ớng trục cực nhỏ cột n−ớc thấp 82 10.1. Tổng quan về công nghệ luyện kim bột và ứng dụng ở Việt nam 82 10.1.1. Công nghệ luyện kim bột 82 10.1.1.1. Tổng quan chung 82 10.1.1.2. Ưu điểm của công nghệ luyện kim bột 83 10.1.1.3. Qui trình công nghệ luyện kim bộ 84 10.1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng cộng nghệ luyện kim bột ở Việt Nam . 85 10.2. Nghiên cứu chế tạo bánh công tác tua bin h−ớng trung bằng công nghệ luyện kim bột 86 10.2.1. Phân tích sản phẩm . 86 10.2.2. Các b−ớc công nghệ 86
6. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Phần I : Báo Cáo tổng quan Ch−ơng I. Sự cần thiết nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh công tác tua bin thủy lực Theo báo cáo đánh giá của Tổng Công ty điện lực Việt nam (EVN) nhu cầu điện năng cung cấp cho nền kinh tế đang ngày càng phát triển của n−ớc ta là rất lớn. Rất nhiều các công ty trong và ngoài ngành điện đang tham gia xây dựng các dự án Thủy điện với công suất từ vài MW đến hàng trăm MW. Toàn bộ thiết bị nhà trạm (bao gồm Tua bin thủy lực, máy phát, hệ thống điều khiển đo l−ờng - bảo vệ) đều nhập của n−ớc ngoài. Nh− vậy tiềm năng sản xuất cung cấp những thiết bị này trong n−ớc còn bỏ ngỏ mà nhu cầu lại rất lớn. Hiện nay với công nghệ kỹ thuật phát triển, khả năng sản xuất thiết bị thủy điện trong n−ớc là có thể và rẻ hơn của n−ớc ngoài rất nhiều. Tuy nhiên vấn đề khó khăn hiện nay của các nhà sản xuất thiết bị là công nghệ sản xuất tua bin thủy lực, đặc biệt là chế tạo bánh công tác tua bin. Trong cấu tạo của tua bin thủy lực, bánh công tác là bộ phận quan trọng nhất. Bánh công tác làm nhiệm vụ trao đổi năng l−ợng của dòng n−ớc thành năng l−ợng của tua bin, thành điện năng. Nh− vậy bánh công tác của tua bin quyết định chủ yếu đến hiệu suất làm việc của tổ máy và qua đó ảnh h−ởng đến hiệu quả của công trình. Việc chế tạo ra một bánh công tác cho hiệu suất cao rất quan trọng. Quy trình chế tạo bao gồm: - Lựa chọn mẫu cánh mô hình thích hợp với thông số kỹ thuật công trình thủy ’ ’ công (Q, H, Q1 , n1 ) trong đó mẫu cánh mô hình đã đ−ợc tiêu chuẩn hóa. - Lựa chọnvật liệu thích hợp. - Lựa chọn ph−ơng pháp chế tạo phôi thích hợp. - Gia công chế tạo hoàn thiện BCT. Trong quy trình trên thì việc lựa chọn ph−ơng pháp chế tạo phôi, gia công hoàn thiện BCT là rất quan trọng nó quyết định đến chất l−ợng trực tiếp của tổ máy cả về giá thành và hiệu suất làm việc. Việc lựa chọn công nghệ chế tạo BCT thích hợp làm nâng cao tính chính xác của BCT, tăng độ bền cho chi tiết. Mặt khác có thể giảm đ−ợc giá thành rất nhiều. Vì đôi khi giá trị của bánh công tác chiếm đến 1/2 giá trị của tuabin. Viện khoa học thuỷ lợi 1
7. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Nh− vậy công tác nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh công tác tuabin thủy lực rất quan trọng nó ảnh h−ởng đến: - Hiệu suất làm việc của tổ máy. - Giá thành sản phẩm. - Độ bền của BCT và tuổi thọ của tổ máy. Hiện nay không riêng ở Việt Nam mà rất nhiều n−ớc có ngành chế tạo thiết bị thủy lực đã quan tâm và đi tr−ớc ta trong việc áp dụng các công nghệ cao vào công tác chế tạo BCT. Viện khoa học thuỷ lợi 2
8. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Ch−ơng II. Đánh giá tình hình sản xuất trong n−ớc và ngoài n−ớc 2.1. Trong n−ớc. Ngành công nghiệp tuabin thủy lực trong n−ớc đã phát triển từ những năm 80 ở các công ty cơ khí nh− công ty cơ khí Hà Nội, công ty cơ khí Mai Động Trong đó phát triển mạnh là Cơ Khí Hà Nội. Tuy vậy đến nay các công ty này không còn chế tạo tuabin thủy lực nữa hoặc chế tạo mang tính sửa chữa nhỏ. Trong đó công nghệ chế tạo BCT tua bin đơn giản nh−: - Đối với bánh công tác lớn D1>1m: Đúc rời từng lá cánh, sau đó hàn thành BCT hoàn chỉnh. - Đối với tuabin BCT D1<1m đ−ợc đúc liền: Nh− cánh tuabin h−ớng trục, tâm trục Ph−ơng pháp đúc gồm: mẫu gỗ, khuôn cát hoặc đất sét ph−ơng pháp gia công chủ yếu bằng thủ công. Chất l−ợng đúc cho bề mặt kém, l−ợng d− lớn, gia công hoàn thiện công phu tốn kém. Độ chính xác cuả BCT khó xác định, th−ờng khó đạt đ−ợc những thông số nh− cánh mẫu. Vì thế thông tua bin thủy lực sản xuất trong n−ớc có hiệu suất không cao. Trong những năm gần đây các thiết bị thủy điện nhỏ đ−ợc Trung Tâm Thủy Điện HRC) sản xuất và lắp đặt đạt hiệu quả cao hơn, nh−ng công suất của tổ máy th−ờng nhỏ do hạn chế về mặt bằng sản xuất và trang thiết bị nên cũng chỉ ở số l−ợng có hạn. 2.2. Công nghệ trong khu vực. Trong khu vực hiện nay Trung Quốc là n−ớc có ngành công nghiệp thủy điện phát triển nhất, do tính chất đặc thù của địa hình - nguồn phát triển thủy điện của Trung Quốc dồi dào. Tr−ớc đây ngành sản xuất tua bin thủy điện của Trung Quốc dựa vào nền tảng lý thuyết, công nghệ của Liên Xô cũ, chất l−ợng ch−a đạt yêu cầu.Trung Quốc ngày nay đã sớm gam hóa đ−ợc rất nhiều loại tuabin ứng với các dải công suất và thông số làm việc khác nhau. Chất l−ợng chế tạo tuabin thủy lực nói chung và BCT nói riêng đã nâng lên rất nhiều. Qua nghiên BCT của thiết bị thủy điện Trung Quốc nhập vào Việt Nam và qua tham quan các nhà máy chế tạo tuabin thủy điện, công nghệ chế tạo BCT của TRung Quốc gồm: Viện khoa học thuỷ lợi 3
9. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 - Đúc rời lá cánh - gia công trên máy CNC - Hàn hoàn thiện. - Đúc liền bánh công tác với công nghệ đúc chính xác: BCT tâm trục, BCT h−ớng trục, BCT tia nghiêng - Gia công áp lực nóng từng lá cánh biên dạng có độ dày, biến thiên 3 chiều không lớn: cánh tua bin h−ớng trục, tâm trục Công nghệ đúc của Trung Quốc tiến bộ hơn tr−ớc rất nhiều do áp dụng công nghệ tiên tiến của thế giới. Tuy vậy chất l−ợng vật đúc về độ chính xác, bề mặt so với các n−ớc phát triển vẫn ch−a bằng. 2.3. Các n−ớc Công nghiệp phát triển. Các n−ớc có ngành công nghiệp thuỷ điện phát triển trên thế giới nh−: các n−ớc SNG, Nhật, Anh , Na uy, Đức Các n−ớc SNG rất có kinh nghiệm trong sản xuất tua bin công suất lớn. Các hãng Tanaka của NHật, Gelkes của Anh, Osberger của Đức đi sâu vào sản xuất thủy điện nhỏ. ở các hãng này nhiều công nghệ mới đ−ợc áp dụng cho sản xuất BCT tua bin. Vì vậy chất l−ợng BCT rất tốt, độ tin cậy và hiệu suất tua bin th−ờng rất cao từ 90%-95%. Công nghệ chế tạo BCT của các n−ớc này là: đúc chính xác, đúc áp lực cao, gia công áp lực nóng, gia công trên máy CNC Th−ờng thì công nghệ đúc đ−ợc sử dụng nhiều hơn trong chế tạo BCT. Ngày nay công nghệ đúc đã phát triển rất nhanh nhờ có nhiều loại vật liệu làm khuôn, ph−ơng pháp chế tạo khuôn đa dạng. Việc tạo mẫu, khuôn kim loại dễ dàng hơn nhờ thiết bị chế tạo CNC - trung tâm gia công 4D do vậy sản phẩm đa dạng hơn, đạt độ chính xác gia công cao hơn. Viện khoa học thuỷ lợi 4
10. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Ch−ơng III. Các công nghệ chế tạo hiện đại đang đ−ợc ứng dụng tại Việt Nam Các công nghệ tiên tiến phù hợp chế tạo BCT tua bin đang đ−ợc ứng dụng tại Việt nam gồm: - Đúc chính xác. - Đúc áp lực cao. - Gia công áp lực khuôn lim loại. - Chế tạo chính xác trên Máy trung tâm gia công 3D, 4D, 5D. Đúc chính xác bao gồm các ph−ơng pháp: - Đúc khuôn vỏ mỏng. - Đúc mẫu tự thiêu. - Đúc mẫu chảy. Công nghệ đúc chính xác đang đ−ợc áp dụng tại Viện Công nghệ - Bộ công nghiệp, Nhà máy cơ khí Việt Nhật - Hải phòng, nhà máy cơ khí Hà nội Đúc áp lực cao với vật liệu nhôm, đồng sản phẩm đúc độ chính xác cao và năng suất lớn. Ph−ơng pháp này phù hợp cho chế tạo BCT tua bin h−ớng trục thuỷ điện cực nhỏ. Công nghệ này đ−ợc áp dụng ở rất nhiều nhà máy nh−: Công ty TNHH Hà phát (Hải d−ơng), công ty T&T (H−ng yên) Công nghệ gia công áp lực nóng với thiết bị áp lực rất lớn, khuôn kim loại có độ bền cao. Công nghệ này phù hợp với chế tạo các lá cánh tua bin tâm trục, tua bin h−ớng trục. Hiện nay có số ít nhà máy có công nghệ này, nh− nhà máy Diezel Sông công Công nghệ gia công áp lực nguội, yêu cầu áp lực không cao, phù hợp chế tạo các lá cánh mỏng tiết diện đều cụ thể nh− các cánh BCT tua bin tia nghiêng công suất nhỏ, tua bin xung kích 2 lần Công nghệ này đơn giản phụ thuộc chủ yếu vào công tác chế tạo khuôn kim loại. Công nghệ chế tạo trên máy trung tâm gia công. Thiết bị này rất hiện đại và cũng rất đắt tiền. Nó cho phép thực hiện gia công sản phẩm với nhiều nguyên công trên cùng một lần gá nhờ tính năng có nhiều dao, đồ gá chuyên dụng và gia công hoàn tự động. Do chế độ gia công đ−ợc lập trình sẵn sản phẩm đ−ợc hoàn thiện với độ chính xác cao, năng suất lớn. Hiện nay nhiều nhà máy đã trang bị thiết bị này, đi đầu là Viện khoa học thuỷ lợi 5
11. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện công nghệ - Bộ công nghiệp (IMI). Tuy vậy chủ yếu dùng để gia công các loại khuôn mẫu kim loại. Nh− vậy từ nhu cầu phát triển thuỷ điện trong n−ớc, tham khảo công nghiệp sản xuất thiết bị thuỷ điện khu vực và các n−ớc tiên tiến, căn cứ vào các công nghệ chế tạo hiện đang đ−ợc áp dụng tại Việt nam, chúng tôi tiến hành nghiên cứu lựa nhọn công nghệ chế tạo BCT tua bin thuỷ lực với mong muốn: Tăng hiệu suất làm việc của tua bin, tăng độ bền, hạ giá thành sản phẩm góp phần từng b−ớc phát triển ngành công nghiệp chế tạo thiết bị thuỷ điện. Phạm vi nghiên cứu của chúng tôi b−ớc đầu đi sâu vào công nghệ chế tạo BCT cho các loại tua bin nhỏ và cực nhỏ, hiện nhu cầu trong n−ớc rất lớn, mặt khác sẽ là tiền đề cho nghiên cứu sản xuất BCT tua bin công suất lớn. Viện khoa học thuỷ lợi 6
12. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Ch−ơng IV. Nội dung và phạm vi nghiên cứu Theo kết quả thống kê, tiềm năng thuỷ điện nhỏ và thuỷ điện cực nhỏ khá lớn. Hiện nay thị tr−ờng trong n−ớc do HPC chế tạo và cung cấp (80%), ngoài ra một loạt các tổ máy thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ của Trung quốc giá rẻ chất l−ợng thấp cũng đ−ợc lắp đặt. Thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ đ−ợc phân loại nh− sau: - Thuỷ điện nhỏ cột n−ớc thấp - tua bin h−ớng trục công suất tới 200 kW. - Thuỷ điện nhỏ cột n−ớc cao - tua bin tia nghiêng, tua bin kiểu Cink công suất tới 200 kW. - Thuỷ điện cực nhỏ cột n−ớc thấp - tua bin h−ớng trục công suất 200w - 1000w. - Thuỷ điện cực nhỏ cột n−ớc cao - tua bin tia nghiêng công suất 200w - 1000w. Căn cứ vào các loại tua bin trên, nội dung và phạm vi nghiên cứu của chúng tôi nh− sau: 4.1. Các mẫu BCT tua bin nghiên cứu. - Thuỷ điện nhỏ cột n−ớc cao - mẫu cánh tua bin tia nghiêng D1 = 250. - Thuỷ điện nhỏ cột n−ớc thấp - mẫu cánh tua bin h−ớng trục D1 = 400. - Thuỷ điện cực nhỏ cột n−ớc cao - mẫu cánh tua bin tia nghiêng D1= 100; D1= 150. - Thuỷ điện cực nhỏ cột n−ớc thấp - mẫu cánh tua bin h−ớng trục D1= 120. 4.2. Ph−ơng pháp công nghệ tiếp cận: - Công nghệ đúc chính xác: đối với mẫu BCT tua bin thuỷ điện nhỏ với 2 dạng sản phẩm đúc liền và đúc rời. - Công nghệ gia công áp lực nguội: đối với mẫu BCT thuỷ điện cực nhỏ tua bin tia nghiêng. - Công nghệ luyện kim bột và đúc áp lực cao: đối với mẫu BCT thuỷ điện cực nhỏ tua bin h−ớng trục. Viện khoa học thuỷ lợi 7
13. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Phần II. Báo cáo công nghệ chế tạo BCT tua bin thuỷ lực Ch−ơng V. Số hoá vật thể cánh 3D Cơ sở xây dựng mô hình hình học số 5.1. Ph−ơng pháp khai triển truyền thống. Có 2 ph−ơng pháp : + Khai triển theo các lát cắt phẳng + Khai triển theo các lát cắt trụ Nếu 1 bản cánh đ−ợc −ớc lệ chia thành l−ới theo 2 ph−ơng h−ớng tâm và h−ớng trụ (Hoặc theo 2 ph−ơng h−ớng trụ và vuông trục) thì tuỳ theo cần mô tả h−ớng xoắn có thể lựa chọn một trong 2 ph−ơng pháp khai triển trên. Khai triển phẳng đơn giản cho lắp ráp bộ x−ơng khuôn nh−ng th−ờng bỏ qua mô tả biên dạng tại các góc l−ợn sát bầu và sát vành. Khi khai triển trụ, có thể mô tả các diễn biến bề mặt tại các vùng chuyển tiếp vành và bầu nh−ng gặp khó khăn nhất định cho công tác định vị x−ơng khuôn để tạo mẫu. Đặc biệt với các dạng cánh xoắn lớn dạng tâm trục , th−ờng mắc sai số lớn khi chế tạo hộp d−ỡng do không đồng thời thoả mãn 2 nhu cầu mô tả trên. Các ph−ơng pháp khai triển trên t−ơng thích với nguyên tắc thiết kế cánh kinh điển và đã trở thành nền tảng cho công nghệ thủ công dựng khuôn đúc mẫu. 5.2. Khai triển với trợ giúp của thiết bị số hoá 3D. Th−ờng gặp trong quá trình thiết kế hoặc thiết kế lại theo nguyên tắc đồng dạng là phải dựng lại cánh. Nếu thực hiện thủ công không hề có trợ giúp của máy tính thì việc vẽ lại các biên dạng 3D cánh gặp rất nhiều khó khăn; ngay từ khâu định tâm, chia lớp Các nhà sản xuất khuôn truyền thống cũng đã từng áp dụng các công cụ chép khuôn 3D nh−ng ph−ơng pháp này chỉ là t−ơng đối chính xác với các vật thể ít xoắn ít võng. Với các yêu cầu cao về mẫu (dung sai bề mặt yêu cầu trong khoảng hẹp) cần áp dụng công nghệ CMM (Coordinate Measuring Machine) cho phép nhận dạng 3D ngay cả khi các chuẩn đo là không tồn tại (chuẩn ảo). Viện khoa học thuỷ lợi 8
14. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Thiết bị đo số hoá 3D có nhiều loại với các đặc điểm cấu tạo và nguyên lý hoạt động khác nhau : - Loại tiếp xúc: + Dạng đầu dò côn , tay dò có 4 đến 8 khuỷu + Loại đầu dò cảm biến + Loại cố định bàn máy + Loại đế máy không cố định + Loại điều khiển tay + Loại điều khiển tự động CNC - Quét và phân tích nội suy l−ới bề mặt theo ch−ơng trình - Loại không tiếp xúc: + Loại hoạt động theo nguyên lý Laser lập thể Vấn đề đặt ra là lựa chọn cấu hình máy quét mẫu nh− thế nào t−ơng thích giao tiếp các ch−ơng trình đồ hoạ CAD và CAM để xây dựng ch−ơng trình gia công. Sự lựa chọn cấu hình máy có thể căn cứ trên các tính năng: + Đới công tác của đầu quét rộng - có thể quét vật thể cánh 3D xếp lớp + Không gian công tác lớn - có thể quét cánh từ cỡ nhỏ đến lớn + Hiệu chỉnh (Tự động bù) đ−ợc các tác động của trọng l−ợng chi tiết cánh lên bàn máy + Hiệu chỉnh các tác động nhiệt của môi tr−ờng + Có thể cập nhật liên tục số liệu quét phỏng theo nguyên tắc phác tay (Sketch) + Có thể nội suy các đ−ờng cong trơn 3D (Bezier) dựa trên các điểm dò quét dời rạc + Có thể lọc dữ liệu quét với trọng số sai lệch khá lớn để định nghĩa ra bề mặt danh nghĩa + Có thể giao tiếp với các ứng dụng CAD\CAM + Có giá trị phù hợp với quy mô đầu t− . Để thoả mãn các tính năng nâng cao có thể trang bị thiết bị quét không tiếp xúc Laser lập thể - Có thể tham khảo chi tiết loại thiết bị này từ nhà cung cấp Auto Desk (Đại diện: Việt CAD) - là hãng có tên tuổi , có các sản phẩm phần mềm rất mạnh, hữu hiệu và thân thiện nh−: AutoCAD, Rhino, MDT Viện khoa học thuỷ lợi 9
15. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Đáp ứng các nhu cầu cỡ t−ơng đối cao có thể chọn trang bị máy CMM dạng bàn máy cố định, quét và nội suy theo ch−ơng trình của hãng Mitutoyo. Đáp ứng các nhu cầu trung bình, có thể sử dụng các tay quét của các hãng SCRIBER, OMMI TECH hay FARO Cần thấy rằng nguyên lý dò quét trên các thiết bị quét tiếp xúc hiện nay đồng nhất điểm chung là sử dụng các Encorder để mã hoá các chuyển vị thành các thông tin số - Nó cũng rất gần gũi với các nguyên lý đo đọc của máy công cụ CNC nên nghiên cứu khả năng của máy quét là h−ớng đúng đắn để tiếp cận công nghệ “gia công số’’ Trong khuôn khổ nghiên cứu khả thi của dự án về các vấn đề này các tác giả đã đ−a ra lựa chọn: Kết hợp khai thác sử dụng thiết bị quét tiếp xúc 3D SCRIBER với các ứng dụng nội suy l−ới bề mặt cánh tải trong các môi tr−ờng thiết kế truyền thống nh− Auto CAD , Rhinoceross ; Các ứng dụng này đ−ợc hợp tác nghiên cứu và chuyển giao giữa HPC và Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp. Bao gồm : + CTDO (tải trong CAD) để xác định hình chiếu của một đa tuyến lên một mặt phẳng + SECN (tải trong CAD) để xác định giao tuyến với các mặt phẳng + SECCYL (tải trong CAD) để xác định giao tuyến với các lát cắt trụ . Tuy ch−a phải là mục tiêu cuối cùng thiết lập ch−ơng trình chuẩn bị gia công CAM nh−ng các phần mềm trên qua kiểm nghiệm đã cho các kết quả hỗ trợ tích cực cho công tác xây dựng mô hình cánh. Các nghiên cứu về quy trình dò quét mẫu hay lựa chọn thiết bị quét mẫu đ−ợc cụ thể trong các chuyên đề. Trong báo cáo này chỉ nhằm tập hợp lại các đánh giá về sử lý quét mẫu có liên quan đến quy tắc tạo hình vật thể cánh. Nh− nêu ra ở ch−ơng mở đầu, cần có một thông tin dặc biệt thay cho bản vẽ kỹ thuật thông th−ờng để mô tả đối t−ợng cánh , hay nói cách khác là cần một vật mẫu ảo (mô hình số) thay cho thực thể cánh (mẫu thực) thì mới t−ơng thích quá trình gia công trên máy CNC nên đôi khi đã có một thiết kế cánh trên bản vẽ 2D (thuật ngữ CAD gọi là không gian Paper ) vẫn luôn cần thiết cập nhật các số liệu 3 D của cánh vào máy tính và bộ sử lý của máy gia công (không gian mô hình - Modeling); và giải pháp linh hoạt hơn là chép mẫu bằng thiết bị quét mẫu. Khai thác công cụ máy quét mẫu CMM không chỉ cho kết quả là sao chép tin Viện khoa học thuỷ lợi 10
16. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 cậy các mẫu cánh - quá trình quét mẫu phỏng theo quy tắc cơ bản về phối hợp chạy dao đã cho kết quả nét phác hoạ quá trình tạo hình, qua đó có thể thuận lợi xác định các b−ớc lập trình CAD chuẩn bị gia công. Với quy mô nghiên cứu lớn hơn nh− tối −u hoá biên dạng cánh thì ứng dụng này đem lại hiệu quả lớn hơn - Đó là tạo lập nhanh các sêri mô hình sau đó thực nghiệm, thống kê kết quả làm căn cứ thiết kế nguyên thể. Công năng trên từng đ−ợc sơ bộ giới thiệu ở phần tr−ớc, khi tiên l−ợng về biện pháp chế tạo mẫu theo công nghệ SLA - với công nghệ này sự −u việt đáng kể là nó có thể tuỳ biến thay đổi nhanh các phiên bản mẫu để đ−a vào thực nghiệm. Để có đ−ợc sự thay đổi này ng−ời thiết kế dễ dàng thực hiện trên ứng dụng CAD và cũng nhanh chóng truy xuất dữ liệu d−ới định dạng SLA sau đó thực thi thay đổi mẫu trên các thiết bị phun bột hoặc quang hoá chuyên dùng. Trở lại mối liên quan đến khả năng phân tích biên dạng theo các chuẩn mực lập trình chạy dao trên máy CNC, vấn đề cần đ−a ra nghiên cứu là quy trình quét mẫu cần thiết hợp lý với khả năng phối hợp tạo hình - Các nội dung phần sau sẽ đề cập đến vấn đề này. Viện khoa học thuỷ lợi 11
17. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 ch−ơng VI. Chế tạo khuôn mẫu cánh bánh công tác Trên Cơ sở công nghệ CAD\CAM\CNC 6.1. Đánh giá công nghệ truyền thống. Cánh bơm tua bin cũng nh− các chi tiết khác của máy cánh là loại hình sản phẩm rất đa dạng và là nhu cầu thiết thực cho tiêu dùng. Cung cấp các thiết bị cấp điện , cấp n−ớc cho nông thôn - đặc biệt cho địa bàn miền núi ,vùng sâu vùng xa với địa hình bị chia cắt phức tạp, cơ sở hạ tầng (giao thông , l−ới điện ) còn nghèo nàn luôn là vấn đề phải quan tâm của ngành thuỷ lợi - thuỷ điện nhỏ trong chiến l−ợc toàn diện phục vụ sản xuất nông nghiệp và sự nghiệp phát triển nông thôn. Để đáp ứng linh hoạt về chủng loại, số l−ợng với chất l−ợng cao, có sức cạnh tranh phục vụ nhu cầu tiêu dùng , nâng cao mức sống và dân trí, rất cần thiết nâng cao năng lực thiết kế và chế tạo loại hình sản phẩm này, ứng dụng trợ giúp máy tính trong thiết kế + lập trình gia công là không chỉ có ý nghĩa về khoa học công nghệ mà còn là động lực phát triển kinh tế xã hội. Từ tr−ớc tới nay cánh tua bin, cánh h−ớng, vòi phun, kim phun một số chi tiết khác cuả máy bơm, máy cánh hoặc các chi tiết hệ thống t−ới chỉ đ−ợc chế tạo theo công nghệ truyền thống : - Thiết kế biên dạng cánh trên cơ sở phân tích cánh theo các lát cát phẳng và trụ để tạo x−ơng khuôn. - Đồng thời chế tạo thủ công (nguội) các mẫu đúc trên cơ sở hộp x−ơng khuôn là chế tạo các d−ỡng mài kiểm. - Đúc cánh liền hoặc rời - Mài và kiểm thủ công - Hàn tổng thành (Với các cánh đúc rời) - Gia công tinh - Cân bằng tĩnh Đánh giá: + Hầu hết các b−ớc trên chỉ đ−ợc thực hiện thủ công - lệ thuộc một cách chủ quan vào tay nghề - Sai số ngẫu nhiên là không tránh khỏi. + Trong điều kiện cho phép, khi áp dụng “đo dò - cắt thử” (Rà mài) bằng d−ỡng kiểm 3D thì độ chính xác đạt đ−ợc cũng không cao: chỉ đảm bảo vết tiếp xúc d−ỡng < 70%. Viện khoa học thuỷ lợi 12
18. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 + Không căn cứ nội suy các lát cắt trung gian để vận dụng làm suôn bề mặt cánh trong quá trình gia + Trong khi yêu cầu độ chính xác hình học của cánh đ−ợc tham chiếu bằng “mảng tham số” thì gia công và kiểm cánh chỉ thực hiện tại hữu hạn mặt cắt và điểm chuẩn. Mặc nhiên chấp nhận sai số tại vô số điểm còn lại . Tóm lại: - Với các loại cánh đơn giản, thô sơ dạng phẳng, trụ, cầu (hoặc xoắn Acsimet) thì việc áp dụng công nghệ truyền đủ khả năng đáp ứng các yêu cầu về độ chính xác, độ bóng. - Với các loại cánh khác, cần phải áp dụng các công nghệ tiền tiến hơn để giải quyết các vấn đề này. 6.2. Chế tạo cánh và khuôn mẫu cánh trên cơ sở công nghệ CNC. 6.2.1. Vài nét về công nghệ CNC: CNC là thuật ngữ chung chỉ quá trình điều khiển sử dụng ch−ơng trình số (Computerized Numerical Control). Với các máy công cụ thông th−ờng quá trình cắt gọt tạo ra hình dáng (biến dạng chi tiết) là kết quả của các phối hợp chuyển động của trục chính, bàn máy, ụ dao (đ−ợc gọi là các cơ cấu chấp hành); các cơ cấu chấp hành này đ−ợc dẫn động từ một hoặc nhiều nguồn động lực, thông th−ờng là các động cơ điện có tần số vòng không đổi ở chế độ xác lập. Liên hệ giữa các cơ cấu là các bộ truyền cơ khí có chuối tỷ số truyền - thuật ngữ trong ngành máy công cụ gọi là các “xích truyền động’’ , bộ phận điều khiển thay đổi tỷ số truyền đ−ợc gọi là các “chạc điều chỉnh “. Xét về mặt cơ cấu máy thì thế hệ máy này có đặc tr−ng bề ngoài là hệ thống điều khiển có các cần gạt cơ khí - thao tác điều khiển là bằng tay (Manual). Chế độ cắt gọt nh−: tốc độ trục chính, tốc độ chạy dao, chiều sâu cắt, tốc độ chạy không, h−ớng tiến, lùi dao hay l−u l−ợng bơm dung dịch trơn nguội đ−ợc lựa chọn tr−ớc và không có khả năng thay đổi, hoặc chỉ cho phép thay đổi vô cấp trong quá trình cắt gọt Do các hạn chế này mà quá trình gia công chuyển tiếp biên dạng từ thẳng sang cong hay từ cong sang cong chỉ có thể thực hiện gián đoạn, chịu nhiều ảnh h−ởng của quán tính khi đóng mở ly hợp, sai số truyền động lớn do chịu ảnh h−ởng sai số động học khi gia tốc hay hãm dừng; về khả năng tạo hình chỉ giới hạn tạo ra dạng bề mặt gia công là các mặt hình hình hình học thông th−ờng nh−: mặt trụ, côn, cầu, mặt xoắn Archimede Viện khoa học thuỷ lợi 13
19. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 (Ren), mặt xoắn Conbolit, mặt tang trống Hypebôloit, Mặt bao hình thân khai hoặc HypoCiclóit v.v Có thể đánh giá rằng nguyên lý tạo hình khi gia công trên các máy này chỉ giới hạn tạo ra các bề mặt đơn giản - đó là các mặt có thể biểu diền bằng các hàm t−ờng minh, sau này - khi phân tích trên quan điểm CAD/CAM thì chúng đơn giản đ−ợc tạo bởi các l−ới đ−ờng thẳng hoặc đ−ờng cong bậc 2; Với các mặt bậc cao hoặc các mặt “phi tham số” cần có các nguyên lý tạo hình đặc biệt với sự tham gia của tự động điều khiển. Với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ điều khiển, quá trình cắt có thể đ−ợc diễn ra không chỉ với 1 chế độ chuyển động cố định mà tuỳ biến – liên hệ các cơ cấu của máy không lệ thuộc vào tính chất cứng của xích truyền động mà linh hoạt nhờ bộ điều khiển thích nghi. Với máy và trung tâm gia công CNC: Điểm khác biệt của nó với máy công cụ thông th−ờng không chỉ là hình thức sử dụng các phím bấm điều khiển thay cho các thao tác bằng tay tác động lên các cần gạt nh− thông th−ờng mà bản chất hơn là các tác động điều khiển đ−ợc diễn ra liên tục không gián đoạn trong quá trình cắt gọt – các tác động này theo nguyên tắc điều hành mềm, linh hoạt qua đó các cơ cấu chấp hành sẽ phối hợp linh hoạt để vẽ nên chuyển động cắt theo ch−ơng trình; Động cơ trong loại máy này khi nhận xung điều khiển sẽ quay với số vòng xác định để dẫn động các cơ cấu chấp hành chuyển động một quãng đ−ờng xác định - trong đó xung đ−ợc giám sát định l−ợng bởi ch−ơng trình số, khách quan, không lệ thuộc vào quán tính chấp hành hay khoảng trễ của quá trình khởi động hay hãm dừng nh− các động cơ thông th−ờng; Vấn đề này đ−ợc làm rõ ở phần sau khi so sánh về khả năng chuyển tiếp biên dạng giữa 2 ph−ơng pháp truyền thống và CNC. Ban đầu, máy gia công điều khiển số là các máy NC (Numerical Control ), khả năng công nghệ của loại máy này đã là v−ợt trội so với các máy gia công thông th−ờng, tuy nhiên các ch−ơng trình gia công vẫn còn bị ấn định bới chỉ đ−ợc chứa trong các mạch lôgic ghép cứng - ch−a linh hoạt đáp ứng các nhu cầu riêng của ng−ời dùng. Khái niệm Programmable Control ra đời cùng với b−ớc phát triển vi sử lý trên Viện khoa học thuỷ lợi 14
20. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 máy tính đã mở ra hàng loạt các khả năng mới cho máy gia công điều khiển số và cũng là lúc thế hệ máy CNC khẳng định các −u việt của mình. Trên hệ CNC, tất cả các thông số liên quan đến quá trình gia công đều đ−ợc số hoá ghi vào bộ nhớ: địa chỉ mâm gá, trục chính, địa chỉ của dao, địa chỉ bộ dao, địa chỉ và ch−ơng trình so dao, các ch−ơng trình công nghệ nh− lùi dao, đổi dao, bơm nguội v.v Ng−ời lập trình ngoài việc đ−a ra các mối quan hệ địa chỉ Máy - Dao - Chi tiết gia công (Machine-Word-Tool) để cho khả năng phối hợp tạo hình còn đồng thời đ−a ra các lệnh công nghệ để hoàn thiện hoá ch−ơng trình đảm bảo chính xác kích th−ớc và bóng bề mặt. Nhìn nhận tổng quan về các khả năng thực tế của ngành công nghiệp chế tạo máy trong n−ớc có thể nhận thấy rằng đã có những b−ớc tiến bộ rất đáng kể về trình độ tự động hoá trong thiết kế và thực hành gia công cơ, trong gia công đúc và gia công áp lực điều khiển gia công CNC cho các dạng máy này cũng đã trở nên quen thuộc và phổ cập. Trong nhiều ngành sản xuất chế tạo máy nói chung, có thể đánh giá hiệu quả ứng dụng công nghệ này là rất thuyết phục - Đã chỉ ra xu h−ớng hiện đại hoá công nghệ bằng cách trang bị các dây chuyền sản xuất trên cơ sở công nghệ này. Các nhà cung cấp tr−ớc khi t− vấn cho khách hàng cách lựa chọn cấu hình máy th−ờng đ−a ra các giới thiệu công năng đặc biệt của của chúng nh−: - Gia công với năng suất cực cao - Gia công các vật liệu siêu cứng - Gia công với ảnh h−ởng nhiệt cực thấp loại trừ khả năng giảm độ bóng do lẹo dao. - Gia công với các sản phẩm có kích th−ớc và khối l−ợng lớn - Gia công các lỗ cực sâu , các vết cắt cực mảnh . Hoặc giới thiệu các nguyên lý gia công rất đặc biệt phá vỡ các quy tắc truyền thống nh−: - Cắt ren theo nguyên lý phay - Chế tạo các lỗ lục lăng , không tròn theo nguyên lý tiện - Gia công tinh xảo nh− phay các phù điêu tinh vi hay các khắc chữ trên các bề mặt đặc biệt. Trong khuôn khổ bản báo cáo này, các khả năng v−ợt trội đó đ−ợc đ−a ra mang Viện khoa học thuỷ lợi 15
21. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 tính chất giới thiệu, có thể nghiên cứu tham khảo rộng về khả năng của công nghệ này với trợ giúp của các phần mềm mô phỏng các đặc biệt - Trong báo cáo này chúng tôi muốn đ−a ra những khẳng định về khả năng gia công đạt độ chính xác và độ bóng cao trên máy CNC cho loại chi tiết có bề mặt phức tạp là cánh của bánh công tác bơm - tua bin; Mục tiêu đ−a ra là tìm các giải pháp thích hợp, phối hợp công nghệ CNC với công nghệ truyền thống và hàng loạt công nghệ gia công tiền tiến khác nhằm tạo ra động thái tích cực phát triển công nghệ chế tạo thiết bị thuỷ lợi, thuỷ điện phục vụ nông nghiệp và phát triển nông thôn nói chung. Cùng đ−a ra là các phân tích để đánh giá tầm quan trọng của công nghệ tạo mẫu lập thể 3D - Tiền đề cho ứng dụng CAD\CAM cho lập trình gia công chi tiết hoặc khuôn đúc dập chi tiết cánh. 6.2.2. Tính t−ơng thích chuyển động tạo hình trên máy CNC. Khuôn khổ của báo cáo này không cho phép liệt kê các quy tắc hay đi vào phân tích các ph−ơng thức tạo hình mà chỉ đ−a ra các mối liên hệ giữa thiết kế tạo hình với việc lập trình điều khiển chạy dao trong gia công. Chi tiết cánh mô tả đ−ợc bằng các bản vẽ kĩ thuật tiêu chuẩn chỉ là tr−ờng hợp cá biệt; Nhìn chung nó tích hợp các mặt phức với thành phần là các l−ới đ−ờng cong không gian. Điều kiện ban đầu của phép phân tích và nội suy là có các tham số của đa tuyến 3D vạch qua số hứu hạn điểm trên bề mặt và điều kiện biên là các đ−ờng bao 3D vùng bề mặt cần tìm; mỗi đa tuyến trong tập hợp đa tuyến [u] và [v] là hình ảnh gẩn đúng các đ−ờng cong không gian 3D (gọi là l−ới nội suy ). Hầu hết các biên dạng cánh có dạng đ−ờng cong trơn (Trơn là thuộc tính tất yếu - đảm bảo tính liên tục của bề mặt, thích hợp với quá trình nhận cơ năng từ dòng chảy); Tổng quát: các đ−ờng cong trơn nói trên không mô tả đ−ợc bằng các hàm toán học - vì thế nó đ−ợc gọi là đ−ờng cong phi tham số hay còn gọi là có tham số không đồng nhất. Theo các nghiên cứu lý thuyết có thể coi là các đ−ờng mô tả bằng chuỗi các cung Bezier Spline (Non Uniform Rational B - Spline - NURBS ⊗). Có thể hình dung quy tắc thiết lập đ−ờng cong này gồm 2 tập hợp: 1tập hợp gồm một số điểm xác định đ−ờng cong đi qua, 1 tập hợp gồm các điểm nội suy từ các điểm trên theo nguyên tắc điểm nội suy đ−ợc “xác định” nhờ nối 1/3 véc tơ chảy tại ⊗ Tham khảo thuật toán Bezier mô tả 3D các đối t−ợng NURBS trong các giáo trình CAD\CAM\CNC\CAM Viện khoa học thuỷ lợi 16
22. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 điểm đầu với 2/3 véc tơ chảy tại điểm cuối sau đó lấy điểm giữa của đoạn nối này. Nh− vậy, cứ qua 4 điểm nội suy đ−ợc 1 điểm trung gian - Đ−ờng Bezier dạng này có bậc mặc định là bậc 4 - tham số toạ độ điểm nội suy trên hoàn toàn mang tính −ớc lệ bởi nếu tăng bậc nội suy thì kết quả nhận đ−ợc sẽ thay đổi. Nếu các điểm cơ sở (thuật ngữ CAD gọi là Control Point) phân bố giãn cách đều và nằm trong cùng mặt phẳng ta có đ−ợc Bezier tham số đồng nhất - đây chỉ là một tr−ờng hợp cá biệt; một l−ới bề mặt bất kì th−ờng tạo bởi các Bezier không đồng nhất nh− đã nêu trên. Khi mật độ các điểm cơ sở càng lớn thì l−ới nội suy càng gần với bề mặt vật thể cánh. Dạng khai triển và nội suy này phổ biến đ−ợc áp dụng trong nhiều phần mềm thiết kế vật thể trong không gian mô hình và cũng đ−ợc áp dụng trong phần mềm điều khiển của một số máy đo toạ độ. Vấn đề dặt ra là: phép dò quét có tính t−ơng thích phân tích chuyển động chạy dao của máy gia công đến mức độ nào. Hệ thống máy có phần cơ chính xác, cứng vững, hệ thống đo l−ờng tin cậy cao (các máy phay có màn hiển thị với độ chính xác cỡ 100àm) cùng công năng của các bộ sử lý (Processor) của máy có thể tính toán đồng thời tức thời các điểm trung gian để phối hợp truyền động giữa các trục bàn máy. - Qua các nghiên cứu về đặc điểm cấu tạo của các cánh điển hình , có thể xem xét nguyên lý tạo hình và gia công từ 1 tr−ờng hợp đặc biệt: + Cánh tua bin xung kích 2 lần: Có thể phân tích bề mặt thằng các profile phẳng đồng dạng; Mặt cánh này thuộc dạng mặt kẻ (Ruler) Có thể áp dụng đơn giản nhất là biện pháp phay tinh trên máy 2 trục không cần qua mài . Mặt kẻ biên dạng cánh tua bin xung kích 2 lần thực chất là mặt trụ; ph−ơng pháp tạo hình cơ bản: Từ profile phẳng, bề mặt đ−ợc “kéo dãn” (Extrude) theo một đ−ờng dẫn (path) thẳng vuông góc với profile. Biên dạng bụng và l−ng là các spline (dạng đơn giản của B - Spline), một cách gần đúng có thể phân tích thành các cung cong bậc hai t−ơng thích với khả năng sử lý nội suy bậc hai. Đ−ờng chuyển dao theo ph−ơng path của bề mặt. Lựa chọn cách phân tích bề mặt cánh theo các lát cắt phẳng là cách thuận tiện nhất cho các công tác lập trình bằng tay khi gia công (3) + Loại cánh đơn giản trên có thể áp dụng gia công trên máy tiện, phay CNC 2 hoặc 2,5 trục; về nguyên tắc ụ phân độ số cho phép tạo chuyển dao theo đ−ờng dần xiên hoặc xoắn để gia công tạo hình các mặt cánh dạng h−ớng trục hoặc tâm trục. Viện khoa học thuỷ lợi 17
23. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Tuy nhiên với cánh h−ớng trục có độ võng lớn hoặc cánh tâm trục có độ xoắn lớn còn phải xét đến khả năng hiệu chỉnh ph−ơng trục dao. Hiệu chỉnh sai số này xuất phát từ nguyên nhân: giữa đ−ờng dẫn gãy khúc 3D và B - Spline 3D danh nghĩa luôn tồn tại sai lêch với trọng số w nào đó. - Để tạo chuyển động cắt gọt bao hình tạo bề mặt chi tiết tất yếu bán kính dụng cụ cắt r luôn luôn ≠ 0; Quỹ tích tâm (trục) dao vì thế không đồng nhất với quỹ tích điểm cắt; độ cong của cánh ít nhất đ−ợc phân tích biến đổi theo 2 ph−ơng t−ơng đối với bề mặt cần gia công - Vì thế cần tham số hoá cosin chỉ ph−ơng của trục dao, tức: cung cấp các chuyển động quay trục dao phù hợp pháp tuyến bề mặt cần. Đáp ứng điều kiện cần này cần thiết phải trên máy (hoặc trung tâm gia công) CNC 5 trục: bàn máy có chuyển động tịnh tiến độc lập theo các ph−ơng X Y Z và quay độc lập. Theo các vectơ chỉ ph−ơng I J - Lập trình gia công với hệ thống này đòi hỏi các trợ giúp đặc biệt vì không đơn giản định nghĩa các đ−ờng dao theo cách offset song song hoặc xoắn ốc thông th−ờng. Tuỳ theo cấp chính xác và dạng bề mặt có thể lựa chọn gia công bao hình theo các cách chạy dao. + Song song (Paralel): ví dụ cho cánh gáo xung kích 2 lần – Biến thiên góc vào và ra không quá lớn. + H−ớng kính (Radial): ví dụ cho cánh h−ớng trục có độ võng mặt tr−ớc nhỏ + Contour (Khép kín) cho các cánh gáo có góc vào α1 ≈ abs α2: cánh gáo dạng chỏm cầu. + Chạy dao xoắn (Spiral): Cho cánh gáo Pelton, Turgo. Phỏng đ−ờng dao khi gia công theo các đ−ờng dòng hoặc các “biên dạng trụ” là ph−ơng án lý t−ởng nhất vì nhất quán với thiết kế hình học theo các quy tắc tính toán thuỷ động máy cánh nh−ng trên thực tế gặp những khó khăn do cơ cấu kẹp dao (Hold Tool) luôn chiếm một khoảng không gian trong miền [r , Φ ]. Qua nghiên cứu xây dựng mô hình các cánh bánh công tác điển hình đã đ−a ra vận dụng cách phân tích truyền thống là khai triển trụ để đơn giản hoá xác định các tham số của biên dạng. Cách phân tích bề mặt cánh theo các lát cắt trụ cho kết quả sát thực (Với trọng số sai lệch chấp nhận đ−ợc) l−ới bề mặt. Sai lệch 3D của các điểm nội suy trung Viện khoa học thuỷ lợi 18
24. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 gian có thể đ−ợc hiệu chỉnh băng các công cụ làm trơn Cubic Smooth. Trong các phiên bản CAD r 2000, 2002. Phân tích biên dạng cánh theo ph−ơng pháp cắt trụ và thực hiện trên các máy CNC có trên 5 trục dẫn động độc lập (4) là biện pháp cho các kết quả gia công tinh bề mặt “ cần”chính xác và hiệu quả. Các bề mặt cánh BCT (Gồm mặt đầu, mặt l−ng, mặt bụng, mặt giao với vành, mặt giao với bầu) là các phần phải gia công tạo hình; phần chuyển tiếp của các phần bề mặt đó (th−ờng là các góc l−ợn) đ−ợc xác định bỏi các phép nối hình (Blending) hoặc vê tròn (Filling) để nhận đ−ợc các mặt đa hợp; Các phép phân tích bề mặt theo l−ới các đ−ờng cong NURBS 3D theo quy tắc Loft (uv) th−ờng không thoả mãn chuyển tiếp biên dạng thật và mịn; cần phải sử dụng các phần mềm nội suy mạnh có thể “nhận dạng” tổng thể bề mặt theo ph−ơng thức nội suy bậc cao từ tập hợp điểm (Share Points ) thay cho từ tập hợp đ−ờng (Curver). Xây dựng mô hình số từ tập hợp điểm th−ờng đ−ợc gọi là từ đám mây dữ liệu điểm (Data Cloud Points ) là các phần mềm rất mạnh tích hợp nhiều modul: đo vẽ – sử lý và chuyển đổi dữ liệu cho gia công điều khiển số. Phân tích vật thể cánh yêu cầu chính xác cao cần thiết phải dựa trên ph−ơng án này kết hợp gia công trên máy CNC 5 trục( 5 ) Các căn cứ trên ((1 ) - (5 )) là cơ sở cho lựa chọn ph−ơng án thiết kế chế tạo cho mỗi loại sản phẩm cánh cụ thể và tổng loại các sản phẩm do các dự án yêu cầu. Các tiêu chí cho đầu t− trang bị và thiết kế quy trình đ−ợc đề ra là: + Khả năng linh hoạt tối đa + Công nghệ tiền tiến + Tiết kiệm ngân sách. Trong quá trình sản xuất sản phẩm cánh của cấc loại bánh công tác có một thực tiễn xảy ra là có thể liên kết nhiều cơ sở sản xuất có công nghệ cao để thực thi các ph−ơng án dập đúc và gia công cơ trên máy CNC hoặc trung tâm gia công; nh−ng riêng hoạt động thiết kế biên dạng và mô hình hoá cánh bánh công tác là công tác có tính chuyên môn cao bởi các kỹ thuật viên ngành Thuỷ lợi thuỷ điện; hoàn thiện một thiết kế cần trải nghiệm qua các b−ớc mô hình để hiệu chỉnh các thông số hình học, vật liệu, cơ tính, biện pháp gia công Viện khoa học thuỷ lợi 19
25. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Qua các phân tích trên, thấy rằng cần kết hợp công nghệ CAD\CAM\CNC với các công nghệ đúc và dập. Thiết kế mẫu và quy trình đúc dập hiện nay đã phổ biến các ứng dụng tiền tiến. Ngay từ khâu tạo mẫu hay khuôn ép mẫu ng−ời ta cũng đã áp dụng các ph−ơng pháp khá linh hoạt, có thể không nhất thiết đặt ra vấn đề chế tạo chính xác trên máy CNC. Ví dụ với các mẫu cánh xếp lớp, khoang cánh hẹp ng−ời ta vẫn có thể gia công đúc liền theo công nghệ mẫu chảy ⊗ - Tuy không đạt đ−ợc độ chính xác kích th−ớc và chính xác t−ơng quan cao nh− gia công điều khiển số nh−ng vẫn có thể chấp nhận đ−ợc trong quấ trình thử nghiệm mô hình. Kết hợp các ph−ơng án công nghệ gia công CNC với các công nghệ đúc dập tiền tiến để lựa chọn quy trình gia công hợp lý nhất phù hợp về năng suất chất l−ợng và hạ giá thành. Để vạch ra đề c−ơng cho suốt quá trình , một số tiêu chí về nội dung nghiên cứu đã đ−ợc định h−ớng bám sát các vấn đề : → Phân tích cánh → Công nghệ quét mẫu → Lựa chọn cấu hình trang bị thiết kế - chế tạo → Các phối hợp quy trình . Chính những nghiên cứu khái l−ợc nh−ng bao quát về Gia công cơ khí trên cơ sở Công nghệ CAD \ CAM \ CNC đã cho phép chỉ ra: ⊗ Ng−ời ta có thể tạo các khoang rỗng để bơm vật liệu chảy Paraphin bằng một trong các cách : + Đổ muối chèn bản d−ơng sau đó dùng dung dịch axit đặc biệt làm đông hỗn hợp muôí - tách bản d−ơng khỏi khuôn - ép paraphin - Hoà tan muối phá khuôn-Phun kết vỏ lên mẫu Paraphin-Thiêu gốm hoá vỏ mỏng sau đó đem đúc. + Dùng keo silicon (keo dán kính) để tạo vỏ khuôn dẻo nhớ hình cho phép gỡ vỏ từ các d−ơng bản cong vặn nh− cánh của các loại cánh tâm trục cỡ nhỏ. Các ph−ơng pháp này không phù hợp với chế độ nhiệt khi gia công mẫu hoá hơi nh−ng hiệu quả cho gia công đúc liền các loại cánh phức tạp bằng công nghệ mẫu chảy là đáng kể vì cho phép loại trừ khả năng gây biến dạng , xô lệch khi chế tạo rời rồi hàn Viện khoa học thuỷ lợi 20
26. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Vấn đề 1 - Với hệ thống máy : Khi nói đến gia công trên máy CNC, một vấn đề không thể tách rời là phân tích hình học chi tiết gia công theo công nghệ CAD\CAM - quá trình gia công. Điều khiển quá trình gia công trên máy CNC cho các chi tiết thông th−ờng có thể thực hiện đơn giản dễ dàng ,bởi đối t−ợng gia công chỉ là những chi tiết có dạng “ hình - hình học” - Một cấu hình tiêu chuẩn của bộ điều khiển cho phép việc lập trình gia công chỉ với một số lệnh bàn phím trên bảng điều khiển của hệ thống máy. Với các biên dạng phức tạp, 1 đ−ờng dao gia công có thể là tổ hợp của rất nhiều đoạn thẳng và cung cong; việc nhập lệnh gia công gặp nhiều khó khăn phức tạp hơn - đôi khi để hoàn thiện chạy dao tạo hình có thể phải qua hàng nghìn, hàng vạn dòng lệnh; Khi đó ch−ơng trình gia công cần thiết đ−ợc xác lập tr−ớc, l−u trữ bởi các vật mang tin sau đó nạp vào máy, lập trình gia công theo ph−ơng án đó đ−ợc gọi là lập trình gia công DNC (Direct Numerical Control) - có thể hiểu đó là lập trình từ xa; Với biên dạng phức tạp nh− cánh của hầu hết các bơm tua bin đang l−u hành trên thị tr−ờng hiện nay - cần xác định: muốn gia công cần thiết dựa trên chủng loại máy CNC nhiều trục và phải có hệ thống tiếp nhận thông tin lập trình theo ph−ơng thức này - ng−ời ta th−ờng nói về vấn đề này là cần một giao diên DNC - Điểm l−u ý này sẽ đ−ợc kể đến trong tổng hợp quá trình nghiên cứu. * Có thể đ−a ra những tiêu chí đầu tiên : + Lựa chọn máy CNC hoặc trung tâm gia công CNC 5 trục là đối t−ợng để nghiên cứu ứng dụng Vấn đề 2 - Sự cần thiết đồng bộ máy quét mẫu CMM : Trong quá trình gia công, bộ sử lý của máy luôn xác định địa chỉ t−ơng đối điểm cắt (thuộc tập hợp biên dạng chi tiết) thông qua địa chỉ tuyệt đối của bàn máy và của dao. Nh− vậy, các tham chiếu gia công thực chất không dựa trên các chuẩn gia công trên chi tiết hiểu theo nghĩa vật lý mà dựa trên các thông tin về chuẩn đó. Tập hợp thông tin hình dáng kích th−ớc chi tiết gia công khi đó đ−ợc coi là mô hình số - là căn cứ để thực hiện mô hình. Phép phân tích chuyển đổi hình học sang các thông tin chi tiết gia công đ−ợc gọi là phép số hoá. Nhờ giải pháp số hoá này, các phép đo và phản hồi địa chỉ gia công có thể thực hiện đồng thời tức thời trong quá trình gia công Viện khoa học thuỷ lợi 21
27. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Những luận cứ trên là cơ sở để nhận thấy: Mô hình hình học số đã thay thế các chuẩn gia công thông th−ờng - ý nghĩa thực tế của nó là ngay cả các chi tiết phức tạp 3 chiều không thể mô tả định hình, định vị, định khối bằng phép vẽ kỹ thuật thông th−ờng (Cũng có nghĩa là không đo kiểm bằng dụng cụ cơ khí và phép đo thông th−ờng thì công nghệ số hoá vẫn cho khả năng mô tả bằng 1 tệp thông tin dữ liệu - đủ khả năng cung cấp cho bộ sử lý máy gia công CNC thực hiện phối hợp các chuyển động tạo hình). Về vấn đề này có thể nói rằng thêm 1 tiêu chí). Cần thiết gắn liền nghiên cứu công nghệ CNC \CAD\CAM với công nghệ số hoá tạo mẫu các chi tiết. Tiêu chí về nghiên cứu khả năng lập trình gia công và cụ thể hoá quy trình gia công một loại cánh nào đó chỉ còn là hệ quả của các vấn đề trên. Trong các ch−ơng sau sẽ diễn giải chi tiết các vấn đề này, đ−a ra các kết quả thực nghiệm. 6.2.3. Chọn máy và các nguyên lý tạo hình gia công các cánh điển hình. Nói chung cánh bánh công tác bơm tua bin thuộc loại chi tiết có biên dạng phức tạp là tổ hợp l−ới các cung cong 3D không đồng nhất (Non Uniform Rational B - Spline) nh− các cánh bánh công tác dạng Pelton, Turgo, cánh h−ớng trục, tâm trục; để tạo hình hoàn hảo cần phải có các máy gia công (hoặc trung tâm gia công) 5 trục nhằm biến đổi liên tục ph−ơng trục dao do độ cong 3D biến đổi; những phân tích này đ−ợc đ−a ra ở các phần phân tích trên. Khảo sát các thông số máy CNC phổ biến cho gia công các vật liệu thép đồng nhôm: B−ớc tiến tối thiểu trên các trục X Y Z của máy khoảng 0,004mm (4 phần nghìn) là giá trị đủ tinh so với cấp chính xác yêu cầu của bề mặt cánh; Lập trình gia công chạy dao Paralel hay Contuor bằng tay cho các cánh có kích th−ớc không lớn lắm có thể thực hiện đ−ợc tuy số lệnh có thể khá lớn (1000 - 100000 lệnh). Với cánh lớn (đ−ờng kính 500 - 2000mm) số đ−ờng dao có thể hạn chế với b−ớc tiến tính bằng khoản 0,5 - 5mm cho phép vẫn bao hình tạo ra biên dạng có độ suôn chấp nhận đ−ợc. Viện khoa học thuỷ lợi 22
28. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Với khả năng gia công với b−ớc mịn nh− trên, đặc biệt là có thể gia công các vật liệu siêu cứng ⊗, công nghệ CNC mở ra điều kiện chế tạo đơn chiếc các sản phẩm cánh lớn mà vẫn bảo đảm giảm chi phí giá thành do bỏ qua các b−ớc trung gian nh− tạo phôi, mài bóng, nhiệt luyện. Vấn đề đ−ợc đặt ra ở đây là các nhà cung cấp máy CNC th−ờng hạn chế sản xuất các máy CNC 5 trục và các phần mềm nội suy đi kèm; các nhu cầu đó chỉ đ−ợc đáp ứng khi có các đơn hàng, đặc biệt cho máy gia công gam công nghiệp. Đ−ợc biết ở Hà nội đã có một vài cơ sở quân đội đã nhập các máy phay DMU-70E và DMU-80P của hãng DECKEL - MAHO (CHLB Đức) với 3 trục thẳng XYZ và 2 trục xoay B và C - Việc khai thác sử dụng máy này còn là cả quá trình nghiên cứu phức tạp. Tr−ớc mắt các nghiên cứu đ−ợc định h−ớng hạn chế trong khuôn khổ sử dụng các máy phổ biến 3 và 4 trục hoặc máy gia công xung cho gia công các chi tiết cỡ nhỏ và vừa. Một trong các lựa chọn đó là: Máy gia công xung tuy không cho năng xuất cao, miền xung có thể bị hạn chế vì điện cực chỉ điều chỉnh chuyển động của điện cực theo 3 trục XYZ; năng suất gia công không cao ⊗ nh−ng −u điểm v−ợt trội là nó có thể gia công đ−ợc các vật liệu rất cứng đã đ−ợc tôi và ủ hoá già (không còn nguyên nhân d− nội lực gây biến dạng); Ngoài ra với b−ớc xung theo ph−ơng Z (chiều sâu) có thể đạt giá trị rất nhỏ (tới 3àm) có thể tạo độ bóng cao cho bề mặt. ⊗ Qua nghiên cứu khả năng gia công trên các máy do tập đoàn EMCO giới thiêu; Có thể gia công vật liệu có độ cứng 62-65HRC , nhiệt gia công truyền qua phoi – sau gia công không cần mài ⊗ L−ợng kim loại bóc đi trong 1 đơn vị thời gian: 400 - 700mm3/min ( Kiểu GS 250 - Trung Quốc ); chi phí thời gian gia công bề mặt chày, cối cho ép cánh tua bin Turgo 14 5/5 có thể lên tới vài ca máy . Viện khoa học thuỷ lợi 23
29. Báo Cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực đề tài KC07 - 04 Với máy 5 trục CNC trong b−ớc triển B khai dự án chế tạo cánh ứng dụng này đ−ợc ghi vào ch−ơng trình nghiên cứu lâu dài với cơ quan điểm khai thác các phần mền điều khiển gia công lập trình bằng máy – cung cấp bởi các nhà sản xuất máy và chủ động thiết lập các ch−ơng trình con phù hợp đặc thù sản phẩm cánh ⊗⊗. Ví dụ về tiện ích của các ch−ơng trình con có thể A thấy nh−: ch−ơng trình con gia công bề mặt đối xứng của tua bin gáo – Lệnh gia công 1/2 bề mặt còn lại đ−ợc đơn giản hoá nhờ các khối lệnh Mirror. ⊗⊗ Khi trang bị hệ CNC 5 trục th−ờng ng−ời ta phải tính tích cực của điều hành DNC (Direct Numerical Control) Viện khoa học thủy lợi 24
30. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Đối với máy phay CNC nói chung và CNC 5 trục nói riêng có nhiều cách bố trí ph−ơng dẫn động các trục; khi lập trình chạy dao, quỹ đạo tâm dao luôn khác quỹ đạo điểm cắt (nh− các phân tích trên đây), để chuyển đổi các file định vị dụng cụ (Cutter Location file) sang mã lệnh NC của từng máy cụ thể cần thiết các bộ sử lý Postprocessor riêng biệt của máy (l−u giữ các tham số riêng biệt của máy nh− điểm chuẩn, b−ớc truyền động, dải tốc độ, quán tính ). Chọn máy gia công còn phải căn cứ trên khuôn khổ chi tiết có t−ơng thích các sử lý này thông qua các modul mô phỏng để kiểm tra toàn bộ các quá trình này. 6.2.4. Chọn vật liệu Gia công cánh và khuôn cánh. Vật liệu chế tạo cánh phải đảm bảo các yêu cầu: + Có độ bền, độ chịu mòn, chịu xâm thực, chống ô xy hoá tốt trong môi tr−ờng n−ớc. + Có tính hàn khi chế tạo theo công nghệ hàn với vành và bầu + Có tính rèn khi chế tạo theo ph−ơng pháp gia công áp lực + Là vật liệu thông dụng và giá thành hợp lý Vật liệu chế tạo khuôn: + Có độ bền và bền nóng khi dập nóng + Thuân lợi khả năng gia công cơ lòng khuôn bằng Phay và mài Thông th−ờng vật liệu cánh đ−ợc chọn là thép 45 là loại phổ biến trên thị tr−ờng, có độ bền và độ chịu mòn t−ơng đối cao. Nh−ợc điểm là vật liệu này có tính hàn kém (khi hàn tạo các ứng suất micro và macro tạo vùng ảnh h−ởng nhiệt và cong vênh cao). Để cải thiện tình trạng này có thể sử dụng các biện pháp chọn vật liệu que hàn inox hoặc ph−ơng pháp hàn day trong khí bảo vệ. Với biện pháp gia công dập uốn hoặc dập thể tích, vật liệu chế tạo cánh nên chọn là thép các bon thấp, có modul đàn hồi, trở lực biến dạng nhỏ, độ dãn dài t−ơng đối cao nh− mác thép 08KΠ. Tuy nhiên đây là vật liệu không phổ biến trên thị tr−ờng và có tính chảy loàng kém nếu tạo phôi bằng ph−ơng pháp đúc. Với một số loại cánh có những yêu cầu cao về cơ tính, độ chịu mòn, chống ô xy hoá - chọn vật liệu là thép hợp kim nh− 20ΓC Phôi đ−ợc tạo từ dạng tấm hoặc đúc. Về vật liệu làm khuôn: Cho các khuôn cánh nhỏ và sản l−ợng chế tạo không lớn Viện khoa học thuỷ lợi 25
31. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 lắm có thể chọn vật liệu thông dụng là thép 65, 65Γ, Y7A. Với khuôn dập nóng cần chọn các loại vật liệu bền nóng cao nh− 5XMH hay SKD11 ; gia công khuôn từ cac loại vật liệu có độ cứng cao này phải kết hợp ph−ơng pháp xung tia lửa điện. 6.2.5. Cụ thể hoá Các b−ớc triển khai nghiên cứu: Qua một vài nét về công nghệ CAD \ CAM \ CNC cùng với đánh giá công nghệ truyền thống chế tạo cánh bơm - tua bin có thể vạch ra các nhiệm vụ chính trong quá trình triển khai nghiên cứu đề tài này: 1. Nghiên cứu khái niệm hình hình học số mẫu cánh - thực chất nghiên cứu số hoá vật thể cánh 3D. (B−ớc này vận dụng thực hành dò mẫu cho một số cánh thông dụng và điển hình nh− : + Cánh h−ớng trục mini cột n−ớc thấp + Cánh tua bin tia nghiêng D1= 12” + Cánh tua bin tia nghiêng D1 = 7” + Cánh tua bin tâm trục F 42-30 ) 2. Nghiên cứu khả năng nội suy và sử lý số liệu bởi máy tính kết hợp thiết bị ngoại vi là máy quét mẫu. 3. Nghiên cứu khả năng gia công của máy CNC 3 trục, 5 trục, trung tâm gia công. 4. Kết hợp nghiện cứu khả năng chế tạo khuôn đúc dập trên cơ sở công nghệ CNC, đồng thời nghiên cứu chế thử sản phẩm cánh đúc dập theo công nghệ này để rút ra kết luận. 5. Tổ hợp các công nghệ đúc dập và CNC để đề ra quy hình điển hình chế tạo từng nhóm cánh. 6. Tổng hợp kết quả thực nghiệm chế tạo cánh theo công nghệ mới. Viện khoa học thuỷ lợi 26
32. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 ch−ơng VII . Công nghệ chế tạo BCT của tua bin tia nghiêng d = 250 7.1. Công nghệ đúc cánh rời. Trong đề tài này chúng tôi trình bày cụ thể công nghệ đúc chính xác cho Bánh công tác của tua bin tia nghiêng dạng cánh rời của tua bin mẫu kí hiệu: TN - N - 25/2x5,5. 7.1.1. Đặc điểm của sản phẩm. 7.1.1.1. Đặc điểm tua bin. Tua bin tia nghiêng là loại tua-bin kiểu xung kích, có kết cấu t−ơng tự tua-bin gáo, kết cấu chính gồm vòi phun, bánh công tác. Sự khác nhau ở chỗ: vị trí đặt vòi 0 phun tạo với mặt phẳng cánh một góc α1 (α1 = 22ữ25 ) và tỉ số giữa đ−ờng kính trung bình cánh D1 và đ−ờng kính dòng phun nhỏ hơn tua bin gáo nhiều: D 1 = 3,5 ữ 9 d o u d0 w1 c1 cu1 β1 α1 cu2 c2 w α2 2 u β2 Hình 1. Sơ đồ dòng chảy vào tua bin tia nghiêng Biên dạng cánh tua bin tia nghiêng cong hình cái gáo, cong một chiều. Độ dày cánh thay đổi không nhiều. Bánh công tác của tua bin có kết cấu gồm: bầu trong, vành bao ngoài và các cánh gáo liên kết với 2 chi tiết này bằng ph−ơng pháp hàn hoặc đúc liền. Các thông số cánh cần liên quan: 0 → góc ra: γ2 = 12ữ15 Viện khoa học thuỷ lợi 27
33. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 → góc vào: β1; góc β1 có công thức tính phụ thuộc góc nghiêng α1 và vị trí xác định góc sơ với tâm quay Bánh công tác. → Biên dạng biến thiên của cánh theo các mặt cắt profile. 7.1.1.2. Sản phẩm nghiên cứu. Bánh công tác chúng tôi nghiên cứu thuộc tua bin tia nghiêng có ký hiệu TN - N - 25/2x4,5 các thông số kỹ thuật nh− sau: - Cột n−ớc : H = 10 m - L−u l−ợng : Q = 64 l/s. - Vòng quay : n = 500 vg/ph. - Công suất : N = 5 kW. Hình 2. Tua bin tia nghiêng TN - N - 25/2x5,5 Thông số của bánh công tác: - Cánh công tác có D1 = 250; d0 = 45 0 - α1 = 25 ; 0 0 - β1= 40 ữ 80 ; 0 0 - γ2 = 12 ữ 15 - Số cánh : Z = 22 cánh. Các biên dạng cánh thể hiện trên hình 3. Viện khoa học thuỷ lợi 28
34. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Hình 3. Bản vẽ các biên dạng cánh tua bin. Hình 4. Bản vẽ bánh công tác tua bin tia nghiêng. 7.1.2. Lựa chọn vật liệu. Vật liệu lá cánh đúc rời, yêu cầu phải đáp ứng đ−ợc tính đúc, tính hàn, tính dễ gia công và cơ tính phải đáp ứng đ−ợc đặc tính thuỷ lực của tua bin: chịu mài mòn, chống xâm thực, chịu va đập . Viện khoa học thuỷ lợi 29
35. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Vật liệu chúng tôi chọn là thép C45. Thành phần kim loại của nó theo bảng sau. Bảng 1. Mác Thành phần các Cơ tính sau th−ờng hoá Độ cứng ak 2 thép nguyên tố,% - Không nhỏ hơn HB kJ/m σ σ δ , ψ, HB không không C Mn b 0.2 5 N/mm2 N/mm2 % % lớn hơn nhỏ hơn C45 0,42-0,5 0,5-0,8 610 360 16 40 229 197 500 Vật liệu thép C45 thuộc nhóm thép kết cấu các bon chất l−ợng tốt đáp ứng đ−ợc yêu cầu đặt ra. Đây là mác thép các x−ởng đúc hay sử dụng để đúc các sản phẩm chịu lực. 7.1.3. Lựa chọn công nghệ đúc. Từ đặc điểm của cánh chúng tôi thấy: cánh có bề mặt lớn, độ lõm của cánh sâu, chiều dày cánh ít thay đổi δ = 2ữ12 mm (chỗ dày nhất ở bụng cánh). Nh− vậy có 2 ph−ơng pháp đúc phù hợp: - Đúc mẫu thiêu, khuôn cát nhựa và đúc mẫu nguyên hình khuôn cát - thủy tinh. Đúc khuôn cát thủy tinh cho giá thành rẻ hơn, mẫu đ−ợc làm bằng gỗ hoặc êbôxi pha xi măng, rẻ và dễ làm. Tuy vậy bề mặt đúc không đẹp bằng khuôn cát nhựa, độ thoát khí kém hơn. Ph−ơng pháp này chúng tôi phải tính toán để l−ợng d− gia công mài sau đúc từ 1,5 ữ 2 mm. Để có đ−ợc sản phẩm hoàn hảo, chúng tôi lựa chọn ph−ơng pháp đúc mẫu thiêu, khuôn cát - nhựa. 7.1.3.1. Đặc điểm công nghệ đúc mẫu thiêu khuôn cát - nhựa. - Mẫu đ−ợc làm bằng nhựa polistirôn xốp (loại xốp nhựa trắng, nhẹ) dễ cháy. Đặt mẫu trong hòm, đổ cát vào (có thể dùng cát không dính) rung, đậy chặt. Khi rót kim loại đến đâu mẫu cháy biến đi đến đó, hơi sinh qua khe cát thoát ra ngoài. Vật đúc đông rồi đổ cát ra dùng đ−ợc ngay. - Hỗn hợp dùng khuôn là cát pha nhựa. Đây là loại hỗn hợp làm khuôn tiên tiến nhất hiện nay vì: + Tạo khuôn ruột thành mỏng + Đảm bảo vật đúc chính xác, mặt nhẵn đẹp + Ruột khuôn thông khí tốt, không cần lỗ thoát hơi + Năng suất làm khuôn một rất cao vì thời gian đóng rắn nhanh. Viện khoa học thuỷ lợi 30
36. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Có hai ph−ơng pháp làm đóng rắn hỗn hợp khuôn nhựa: đóng rắn nóng và đóng rắn nguội. Trong công nghệ đúc chính xác cánh, chúng tôi chọn mẫu tự thiêu (cháy) với khuôn cát nhựa đóng rắn nguội. Hỗn hợp cát nhựa dùng nhựa fuafuryl - gọi chung là nhựa furan. Ng−ời ta trộn cát với chất xúc tác, sau đó đổ nhựa vào trộn trong thời gian ngắn rồi đem làm khuôn ruột ngay chỗ khoảng 20 đến 30 phút hỗn hợp sẽ đóng rắn mà không cần gia nhiệt loại màu (nhôm) dễ gia công cơ khí để cho độ bóng và độ chính xác của mẫu rất cao. Vật liệu làm mẫu rẻ, xốp pôlistirôn dễ kiếm trên thị tr−ờng (loại xốp đóng hòm, đóng bảo vệ các linh kiện máy móc). Tuy vật liệu nhựa phải nhập của n−ớc ngoài nh−ng ph−ơng pháp làm khuôn đơn giản, không làm mặt phân khuôn (2 nửa) nh− ph−ơng pháp đóng rắn nóng. 7.1.3.2. Ưu điểm của công nghệ đúc mẫu tự thiêu - khuôn cát nhựa: Mẫu đ−ợc tạo ra dễ dàng nhờ: khuôn đ−ợc làm bằng kim và tháo lấy mẫu (vì mẫu cháy). Mặt khác có tính kinh tế vì cát có thể tái sinh đ−ợc, vì vậy vật đúc cho độ chính xác cao, khi tính toán vật liệu mẫu, cách bố trí khuôn, đậu rót, thoát hơi tốt, vật đúc không cần gia công lại. Độ bóng sản phẩm cao. Với −u điểm trên, việc áp dụng công nghệ này vào chế tạo cánh, nhất là cánh liền là đúng đắn. Bô cát Đậu Run Rót kim loạI Tạ Nắp có Vật Hình 5. Ví dụ sơ đồ đúc bằng mẫu cháy Viện khoa học thuỷ lợi 31
37. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 7.1.4. Phân tích công nghệ đúc cánh. 7.1.4.1. Khâu chế tạo mẫu. - Việc chế tạo mẫu nhựa xốp đ−ợc cơ khí hoá, dùng máy thổi nhựa xốp vào khuôn kim loại. Trình tự công nghệ nh− sau: Có 2 ph−ơng pháp: + Ph−ơng pháp gia công khuôn kim loại chế tạo mẫu xốp ngay trên máy CNC - qua máy trung tâm gia công nhiều trục (Multi Axis - 3D - 5D). Ph−ơng pháp này đòi hỏi việc lập trình chuẩn bị gia công rất công phu hoặc dựa trên các phần mềm trợ giúp đắt tiền. + Ph−ơng pháp thứ 2 - theo truyền thống; dễ làm, chúng tôi chọn ph−ơng án này áp dụng trong giai đoạn thử nghiệm. - B−ớc 1: Chế tạo mẫu mô hình - các kích th−ớc, hình dáng cánh mô hình giống hệt cánh thật, chúng tôi chỉ thêm vào độ dày cho sửa nguội δ = 1mm và tính thêm độ co ngót vật liệu (2%). Vật liệu cánh mô hình đ−ợc làm bằng gỗ hoặc bằng nhựa ebôxy trộn với xi măng, thực hiện bằng thủ công, có đ−ờng kiểm tra độ chính xác. Độ bóng đạt ∇4. Hình 6. Khuôn chế tạo mẫu thực Viện khoa học thuỷ lợi 32
38. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 - B−ớc 2: Tạo khuôn kim loại. Tr−ớc khi có khuôn kim loại - dựa vào cánh mô hình, chúng ta phải tạo ra 2 nửa khuôn thạch cao hoặc ebôxy pha với xi măng. Độ chính xác khuôn này rất cao, để đảm bảo khâu chế tạo khuôn kim loại chính xác. Dựa vào khuôn thạch cao này, chúng ta gia công khuôn kim loại trên máy phay CNC - có đầu dò. Ph−ơng pháp gia công này gọi là ph−ơng pháp chép hình. Khuôn kim loại đ−ợc gia công rất chính xác và giống hệt khuôn thạch cao. Vật liệu khuôn bằng hợp kim nhôm. Khuôn kim loại đ−ợc hoàn thiện với độ bóng rất cao. Hiện nay ph−ơng pháp tạo khuôn này rất phổ biến - dễ làm và giá thành chấp nhận đ−ợc. Hình 7. Mô hình bộ khuôn kim loại. - B−ớc 3: Khi chế tạo khuôn kim loại - chú ý phải tạo ra 1 lỗ, kích th−ớc tính toán sao cho phù hợp với máy tạo mẫu xốp - tự thiêu. Đ−a khuôn vào máy, máy thổi những hạt nhựa xốp, với nhiệt độ nhất định các hạt xốp nhỏ, kết dính vào nhau tạo ra mẫu có kết cấu vững chắc. Khi hạt xốp lựa chọn nhỏ, khuôn kim loại có độ bóng cao, thì bề mặt mẫu rất nhẵn. Khi đúc cho bề mặt sản phẩm cánh rất đẹp. Số l−ợng mẫu đ−ợc tính bằng số l−ợng lá cánh cần thiết. Tuy vậy phòng khi sự cố khi đúc, ng−ời ta th−ờng đúc thêm 3 ữ 4 mẫu . - B−ớc 4: Sơn phủ bề mặt mẫu xốp. Viện khoa học thuỷ lợi 33
39. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Sau khi có đ−ợc mẫu xốp, cần tiến hành sơn phủ toàn bộ bề mặt mẫu bằng loại sơn đặc biệt. Loại sơn này có chức năng rất quan trọng trong công nghệ đúc. Đây chính là lớp vỏ áo của mẫu, chiều dầy khoảng 0,2 - 0,4 mm, khi đúc nó tạo thành lớp vỏ khuôn tiếp xúc giữa bề mặt kim loại lỏng và vật liệu cát nhựa của khuôn. Nó có tác dụng ngăn không cho cát cháy bám vào bề mặt kim loại đồng thời cho phép khí do cháy mẫu xốp thoát ra ngoài, nhờ vậy bề mặt sản phẩm đẹp sẽ đẹp hơn, tránh đ−ợc rỗ khí. 7.1.4.2. Tạo khuôn cát nhựa và đổ rót kim loại đúc. Đối với khuôn cát nhựa đóng rắn nguội, thành phần nh− sau (tham khảo): - Cát sạch, khô: khoảng 97,2% - Nhựa furan: khoảng 2% - Chất xúc tác: axít sunforic: 0,8% - Thời gian đông cứng: 20ữ30 phút. Để bề mặt sản phẩm cánh sau đúc đ−ợc nhẵn đẹp thì cát lựa chọn phải mịn, đều cỡ hạt nhỏ hơn 0,1 ữ 0,2mm. - Đ−a mẫu vào hòm khuôn, tuỳ theo kích th−ớc khuôn mà mỗi hòm cho từ 2ữ4 cánh mẫu xốp. Sau đó cho rung để cát nhựa ép chèn vào mẫu. Bố trí đậu rót, thoát khí (cho mẫu cháy), đậu ngót tốt thì sản phẩm đúc đ−ợc điền đầy, độ bóng cao, không có gợn sóng do cháy mẫu tạo thành. Vì vật liệu khuôn cát - nhựa nên khả năng thoát khí rất tốt. Khi rót kim loại nóng vào, nhựa furan bị cháy tạo ra những lỗ thoát khí, giúp cho vật đúc tránh đ−ợc khuyết tật do rỗ khí gây ra. Bề mặt vật đúc nhẵn đẹp. Đây cũng là −u điểm của hỗn hợp khuôn cát - nhựa này. Đậu rót Cát nhựa Cánh đúc Hình 8. Sơ đồ đúc cánh rời tua bin tia nghiêng. Viện khoa học thuỷ lợi 34
40. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Công việc chế tạo đ−ợc hợp tác vơí Viện Công nghệ - Bộ Công nghiệp. ở đây có các lò đúc điện trung tần công suất từ 200 - 500 kg/mẻ, phù hợp với đúc thử nghiệm đơn chiếc. Khi tiến hành đúc cánh tua - bin, để có sản phẩm đẹp nh− mong muốn, chúng tôi phải đúc thử nhiều lần, thay đổi thành phần hỗn hợp khuôn, cách bố trí đậu ngót, đậu rót, thoát khí . cho phù hợp. 7.1.5. Hoàn thiện bánh công tác. Hoàn thiện bánh công tác có các khâu sau: - Sửa lá cánh - Gia công nguội lá cánh sau khi đúc đảm bảo dáng d−ỡng kiểm - Gá hàn lá bánh công tác với vành và bầu - Sửa mối hàn, gia công cơ khí - Cân bằng tĩnh bánh công tác. Để có đ−ợc bộ bánh công tác hoàn chỉnh, đạt hiệu suất thủy lực cao, không xâm thực, thì các biện pháp công nghệ sau đúc và gá hàn cũng rất quan trọng. Các công đoạn cụ thể nh− sau: Hình 9. Bản vẽ các chi tiết Bánh công tác : cánh , bầu và vành. 7.1.5.1. Sửa lá cánh. Sau đúc, làm sạch các lá cánh, kiểm tra độ bám d−ỡng l−ng và mặt của cánh đúc. Đối với cánh tia nghiêng thì mặt bụng quan trọng nhất. Mài ba via mép cánh, mài kiểm d−ỡng, sau khi độ bám d−ỡng đạt đ−ợc 2/3 tiết diện d−ỡng là đạt. Đánh bóng d−ỡng đạt độ bóng 2,5 là đ−ợc. Ngoài ra vị trí hàn phải đạt độ dày và góc hàn Viện khoa học thuỷ lợi 35
41. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 thích hợp. Hình 10. Lá cánh tia nghiêng đã hoàn thiện. 7.1.5.2. Gá - hàn. Gá hàn các lá cánh với bầu, vành bao. Các lá cánh sau khi đánh bóng, vành và bầu gia công có khi đạt kích th−ớc yêu cầu đ−ợc liên kết với nhau bằng ph−ơng pháp hàn. Tr−ớc hết phải gá, xếp các lá cánh: 22 lá cánh đảm bảo đều nhau, đúng góc độ và mặt phẳng vào của dòng chảy bằng với mặt phẳng đ−ợc tạo ra bởi các mép vào 22 0 lá cánh. Để đảm bảo góc vào và ra của lá cánh đúng nh− thiết kế (β1 = 40 ữ 80 ; γ2 = 12 ữ 150). Khi gá hàn phải đúng d−ỡng kiểm, hay gọi là d−ỡng hàn. Đ−ờng hàn đ−ợc gia công để kiểm, gá theo bụng của lá cánh, bộ phận quan trọng của cánh tia nghiêng. Thứ tự gá: chúng ta gá từ 4 ữ 8 lá đối xứng nhau theo d−ỡng gá hàn làm chuẩn, sau đó gá các lá cánh sau xen kẽ vào và kiểm chúng thông qua các kích th−ớc trung gian. Sau khi gá hoàn chỉnh 22 lá cánh, tiến hành hàn hoàn thiện ph−ơng pháp hàn tiến hành, hàn từng cấp cánh đối xứng, tốc độ hàn chậm nhằm tránh ứng suất d− sau hàn lớn làm co, kéo các lá cánh, làm hỏng bánh công tác. Vật liệu que hàn th−ờng là hàn Inox hoặc hàn chất l−ợng cao. Viện khoa học thuỷ lợi 36
42. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Hình11. Cánh tia nghiêng đang gá hàn. 7.5.1.3. Hoàn thiện và cân bằng cánh. - Sau khi hàn cánh th−ờng chúng ta phải sửa lại mối hàn. Do khe hở giữa các lá cánh nhỏ, nên việc hàn gặp khó khăn, tay nghề hàn phải cao, mối hàn th−ờng phải đắp nhiều lần, không đều nên ảnh h−ởng đến tính thuỷ lực của cánh. Chúng ta phải sửa mối hàn cho đều, có bán kính lõm đ−ờng hàn thích hợp. ở đây chúng ta phải sửa dụng các thiết bị mài đặc chủng phù hợp với các kích cỡ đá mài nhỏ, phù hợp các khe cánh. - Sau khi mài sửa, bánh công tác đ−ợc đ−a đi gia công cơ để tạo lỗ bánh công tác phù hợp với trục, và các mặt đầu bánh công tác phù hợp thiết kế. - Cuối cùng là đem bánh công tác đi cân bằng tĩnh, lấy đi những khối l−ợng thừa nhằm đảm bảo tua - bin làm việc ổn định, tuổi thọ lâu bền. Viện khoa học thuỷ lợi 37
43. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Hình 12. Cánh tua bin đang hoàn thiện 7.1.6. Đánh giá công nghệ đúc cánh rời: Qua kết quả của sản phẩm , chúng tôi rút ra các kết luận đánh giá công nghệ đúc cánh rời bằng ph−ơng pháp mẫu cháy - khuôn cát nhựa nh− sau : - Vật đúc đẹp, sạch sẽ , độ mịn tinh thể đồng đều. - Khả năng điền đầy rất tốt đối với các mép , cạnh cánh. Các mép cánh có hình dạng sắc nét, đúng d−ỡng. - Các khuyết tật sau đúc: rỗ khí, nứt, co mặt giảm hẳn so với đúc thông th−ờng. - L−ợng d− sau đúc nhỏ. Do chất l−ợng đúc tốt ta có thể khống chế đ−ợc l−ợng d− theo mong muốn, khoảng 1,0 - 1,5 mm (so với đúc truền thống là 5,0 - 6,0). Vì vậy các công nghệ hoàn thiện sau đúc đ−ợc rút ngắn, nhất là nguyên công mài sửa, tiết kiệm vật liệu và công sức mà chất l−ợng sản phẩm đ−ợc đảm bảo. Tuy vậy do giá thành các vật liệu làm khuôn vẫn phải nhập ngoại nên giá thành đúc cao hơn so với đúc thông th−ờng. Viện khoa học thuỷ lợi 38
44. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 7.2. Công nghệ đúc cánh tia nghiêng dạng liền bằng Ph−ơng Pháp mẫu cháy và khuôn cát nhựa. 7.2.1. Đặc điểm cánh tia nghiêng đúc liền. Đối t−ợng nghiên cứu công nghệ, chúng tôi lựa chọn cánh tia nghiêng loại TN - N - 25/2x4,5, t−ơng tự loại cánh ở công nghệ đúc rời. Tính chất, biên dạng cánh tia nghiêng chúng tôi đã trình bày ở phần đúc cánh rời. Đặc điểm hình dạng, kết cấu cánh liền luôn ảnh h−ởng trực tiếp đến sự lựa chọn PP đúc: PP làm khuôn, mẫu, công việc đúc. Nói chung đúc cánh liền sẽ khó khăn và phức tạp hơn nhiều. Bánh công tác tia nghiêng có kết cấu nh− sau: - D1 = 250mm ; d0 = 55mm. - Số lá cánh Z = 22. - Đ−ờng kính vành ngoài D = 456mm. - Bvành = 28mm. - Bbâù = 95mm; Φ bầu = 200mm. - Khe hở bùng và l−ng = 10 ữ 56mm (mép ra ≥ mép vào). Các lá cánh của bánh công tác đ−ợc gắn với vành và bầu, l−ng của cánh tr−ớc ăn vào bụng của cánh sau. Khe hẹp nhất là chỗ ra của dòng chảy khỏi bánh công tác. Nh− vậy sau khi đúc không thể kiểm tra biên dạng các lá cánh hoặc gia công bề mặt cánh phía tr−ớc và sau theo bản vẽ thiết kế. Cánh khi đúc phải chính xác, các khuyết tật nh− nứt, rỗ khí, co ngót biến dạng không đ−ợc xảy ra đối với cánh đúc liền. Với các yêu cầu đó, việc đúc liền cánh tia nghiêng rất phức tạp và khó khăn. Viện khoa học thuỷ lợi 39
45. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Chúng ta phải tính toán kỹ l−ỡng từ khâu tạo mẫu, PP làm khuôn, rót kim loại Để tránh các khuyết tật trên. Khả năng đúc thử là không tránh khỏi, nếu cần phải sửa lại các mẫu, khuôn cho phù hợp. Hình 13. Bản vẽ bánh công tác tua bin tia nghiêng TN - N - 25/2x5,5 7.2.2. Lựa chọn công nghệ đúc. Để tạo phôi đúc liền cánh công tác tia nghiêng, chúng tôi lựa chọn PP đúc mẫu cháy, khuôn cát nhựa. Nội dung của PP này đã đ−ợc trình bày ở phần công nghệ đúc cánh rời. Lý do chúng tôi lựa chọn vì nó có những −u điểm sau: - Mẫu đ−ợc chế tạo và định hình bằng vật liệu xốp cho độ chính xác cao, cho phép kiểm tra và xác định dễ dàng các thông số kỹ thuật. Đây là −u điểm nổi bật so với các PP khác. - Khuôn đ−ợc chế tạo đơn giản vì không phải làm mặt ráp khuôn. Không phải rút mẫu ra vì mẫu tự cháy thành hơi. - Vật liệụ khuôn cát nh−ạ cho bề mặt sản phẩm bóng đẹp hơn, độ chính xác cao hơn, nhất là các bề mặt quan trọng không gia công đ−ợc nh− bụng cánh và l−ng cánh. 7.2.3. Công nghệ chế tạo bánh công tác tia nghiêng bằng ph−ơng pháp đúc liền mẫu cháy - khuôn cát nhựa. Các b−ớc chế tạo bánh công tác bằng PP đúc liền nh− sau: Viện khoa học thuỷ lợi 40
46. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Chọn vật liệu => Đúc bánh công tác => Kiểm tra sản phẩm đúc => Đúc lại => Làm sạch => Gia công cơ => Cân bằng cánh => Lắp ráp với tua bin => Thử cánh trên bằng thử thuỷ lực => Kếtluận. Tr−ớc hết khâu đúc là quan trọng nhất, nó quyết định chất l−ợng của sản phẩm. 7.2.3.1. Đúc bánh công tác. 1. Lựa chọn vật liệu: ở các n−ớc công nghiệp tiên tiến vật liệu bánh công tác tua bin đ−ợc chọn theo cột n−ớc: tua bin cột n−ớc cao (trên 80m) vật liệu là thép không gỉ, cột n−ớc trung bình (60m) vật liệu là thép hợp kim hoặc hợp kim đồng, đối với cột n−ớc thấp vật liệu là thép th−ờng. ở Việt Nam ngoài tiêu chuẩn trên, chúng ta phài cân nhắc đến khả năng đúc của ta. Đối với cánh tia nghiêng TN - N - 25/2x4,5; khả năng điền đầy, thoát khí . của vật liệu rất quan trọng nó quyết định đến chất l−ợng sản phẩm đúc. Căn cứ vào các yếu tố trên chúng tôi chọn vật liệu đúc cánh liền là hợp kim đồng. Vật liệu này có tính chảy loãng cao, khả năng điền đầy tốt các cơ tính khác cũng phù hợp với đặc tính làm việc của tua bin. Mác hợp kim đồng đ−ợc chọn theo tiêu chuẩn của Liên xô (cũ) : Thành phần kim loại theo bảng sau: Bảng 2. Mác TP kim loại Thành phần tạp chất không v−ợt quá (%) vật chính (%) liệu Al Fe Cu á Sb Sn Si Ni Pb P Zn Mn ∑ 8-10 2-4 0,01 0,02 0,1 0,1 0,5 0,01 0,01 1,0 0,5 1,7 Cơ tính của vật liệu: Độ bền : 30 - 50 KG /mm2 Độ dẻo : 10 - 20 %. Độ cứng : 120 - 140 HB. Nhiệt độ nóng chảy : 1040 0C. Đây là loại vật liệu chịu mài mòn tốt, độ cứng và độ dẻo thích hợp, khả năng chịu xâm thực tốt. Tính chảy loãng của hợp kim đồng cao nên tính đúc t−ơng đối tốt phù hợp với dạng cánh liền, bố trí dày và lá cánh mỏng . 2. Chế tạo mẫu cháy. Viện khoa học thuỷ lợi 41
47. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Mẫu cháy đ−ợc chế tạo giống hệt mẫu thực trong đó có tính đến độ co của vật đúc (2%), l−ợng d− gia công v v . Cấu tạo của bánh công tác gồm: - Lá cánh , số l−ợng 22 chiếc. - Bầu cánh, số l−ợng 1 chiếc. - Vành bao cánh, số l−ợng 1 chiếc. Trong đó lá cánh quan trọng nhất đ−ợc chế tạo bằng thiết bị phun ép xốp. Bầu cánh và vành bao ngoài không quan trọng lắm nên có thể chế tạo bằng PP thông th−ờng. Dùng dao đ−ợc gia nhiệt để cắt tạo kích th−ớc chính xác cần thiết. Cuối cùng các chi tiết đ−ợc ghép lại với nhau theo các kích th−ớc kỹ thuật đã thiết kế. Trình tự tiến hành tạo mẫu nh− sau: a. Chế tạo mẫu cánh xốp: T−ơng tự nh− đúc cánh rời bằng mẫu cháy quy trình chế tạo lá cánh xốp gồm: Tạo cánh mô hình bằng chất liệu Êpôxy => Tạo khuôn thạch cao => Chế tạo khuôn nhôm bằng máy CNC => Chế tạo mẫu cánh xốp bằng máy phun ép => Các mẫu cánh bằng xốp. So với mẫu cánh xốp đúc rời cần l−u ý: - Các lá cánh phải chính xác, không để l−ợng d− mài vì khi ghép liền ta không thể gia công đ−ợc. - Độ co ngót của các lá cánh đúc liền khác với cánh rời, vì chúng đ−ợc định vị với bầu và vành bao. - Tính toán thêm các góc l−ợng của mối ghép giữa cánh và chi tiết bầu, vành - tuỳ theo công nghệ dán ghép mẫu xốp mà ta lựa chọn. - Số l−ợng lá cánh xốp đ−ợc chế tạo ít nhất cho 3 bộ cánh công tác vì chế tạo cánh liền bằng PP đúc, ta không thể tính toán dự liệu chính xác đ−ợc. Khả năng khuyết tật của sản phẩm là không tránh khỏi. Từ lần đúc thử, ít nhất là một lần, chúng ta rút kinh nghiệm, kiểm tra sản phẩm theo các thông số kỹ thuật yêu cầu, hoặc sửa lại mẫu, hoặc sửa lại khuôn cho hợp lý. Viện khoa học thuỷ lợi 42
48. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Hình 14. Khuôn nhôm - chế tạo mẫu xốp. b. Chế tạo vành và bầu cánh. Nh− đã trình bày, vành và bầu cánh không quan trọng bằng lá cánh, số l−ợng đơn chiếc nên ta có thể chế tạo bằng PP thông th−ờng, thủ công. Về kích th−ớc, ngoài tính toán độ co, ta còn thêm vào l−ợng d− gia công sau khi đúc. Công nghệ cơ bản đ−ợc tiến hành nh− sau: - Các kích th−ớc và cấu tạo bầu, vành nh− trên bản vẽ (Hình 15). - Dùng loại dao chuyên dụng, gia nhiệt thích hợp cắt dần khối xốp để tạo kích th−ớc nh− mong muốn. Cuối cùng maì và miết bề mặt mẫu để đạt độ bóng, độ chính xác theo thiết kế. - Sau khi sản phẩm hoàn thành, căn cứ vào bản vẽ thiết kế xác định các vị trí sẽ ghép các lá cánh bằng cách vạch dấu trên bầu và vành bao: Chia bầu theo 22 vị trí ứng với một góc 360/22 so với tâm bầu vạch biên dạng cánh sẽ ghép vào bầu ở vị trí xác định. Cũng nh− vậy chia vành bao theo 22 vị trí t−ơng ứng và vạch dấu chỗ biên dạng cánh sẽ ghép vào vành. Viện khoa học thuỷ lợi 43
49. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Hình 15. Vành và bầu mẫu xốp. c. Ghép hoàn thiện mẫu xốp bánh công tác. Ghép hoàn thiện 3 loại chi tiết với nhau phải tuân thủ các điều kiện kỹ thuật sau: - Đảm bảo góc ra, góc vào từng lá cánh đúng thiết kế. - Các lá cánh cách đều nhau với 1 góc 360/22 theo đ−ờng trung bình, nh− vậy các mép cánh ở 2 đầu lắp ghép pahỉ trùng với vị trí đánh dấu trên bầu và vành. - Các mối ghép phải chắc bền. Các mép phải tạo góc l−ợn để tránh gây ứng suất tập trung khi đúc và tránh tổn thất thuỷ lực. - Bánh công tác mẫu xốp phải chắc chắn, cân đối, bền nén tốt. Đảm bảo khi tạo khuôn đúc không bị biến dạng, xô lệch. Hình 16. Đồ gá khi ghép mẫu xốp bánh công tác. Các b−ớc tiến hành nh− sau: 1. Tạo bộ gá kiểm tra và gá định vị vành, bầu đồng tâm nhau. Bao gồm : Viện khoa học thuỷ lợi 44
50. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 - Mặt phẳng chuẩn bằng gỗ bào nhẵn-t−ơng ứng với mặt vào cánh của dòng chảy. Vạch dấu trên mặt để xác định vị trí t−ơng đối của bầu, vành, các mép vào của lá cánh. - Bộ d−ỡng kiểm để các lá cánh đảm bảo đinh vị không gian từng lá cánh đến thiết kế. 2. Định vị vành và bầu trên mặt phẳng chuẩn bằng vấu và kẹp. Đảm bảo chúng không bị xô lệch vị trí khi ghép các lá cánh. 3. Ghép các lá cánh theo d−ỡng kiểm. 4. Ghép các góc l−ợn ở các mối ghép lá cánh với bầu và vành. Hình 17. D−ỡng kiểm cánh khi ghép bánh công tác mẫu xốp. 5. Kiểm tra độ cân đối , đồng đều giữa các lá cánh lấy bánh công tác ra khỏi bộ gá kẹp, ta đ−ợc bánh công tác mẫu hoàn chỉnh. Chúng ta phải chuẩn bị 3 bộ mẫu nh− vậy để thử dần. Viện khoa học thuỷ lợi 45
51. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Hình 18. Mẫu xốp hoàn chỉnh. 3. Tạo khuôn cát nhựa. Vật liệu làm khuôn đ−ợc lựa chọn t−ơng tự nh− đúc cánh rời: Cát sạch mịn ( 0,1 - 0,2 mm); nhựa fuaran; sử dụng khuôn đóng rắn nguội. Thành phần hỗn hợp cát nhựa nh− sau: - Cát sạch, khô : 97,2% - Nhựa 2,0% - Chất xúc tác: 0,8% - (40% nhựa) - Thời gian đủ cứng: 20-30 phút. Để có bề mặt khuôn đẹp, ta sử dụng thêm loại sơn mặt khuôn ( vật liệu graphít, thạch anh, crômít ) - Đối với khuôn đúc cánh liền, đòi hỏi sản phẩm có độ chính xác cao nên vấn đề thoát khí rất quan trọng. Ngoài tính chất −u việt của cát nhựa về khả năng thoát khí tốt, chúng ta vẫn phải tính toán bố trí thêm những lỗ thoát khí, nhất là ở khu vực các lá cánh. Viện khoa học thuỷ lợi 46
52. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Hình 19. Mô hình đúc bánh công tác hoàn chỉnh. - Đặt mẫu vào hòm khuôn, chú ý úp cánh xuống sao cho mặt n−ớc vào cánh nằm d−ới. Nh− vậy lòng cánh có bề mặt đẹp hơn phần l−ng trên. Chọn PP đầm nhẹ và rung hòm khuôn để các hạt cát nhựa đ−ợc lèn vào các ngóc ngách bánh công tác. Bố trí đậu ngót, đậu rót thích hợp, tính toán khả năng liền đầy và thoát khí của chất lỏng đúc. Đậy chặt hòm khuôn. 4. Đúc: Sản phẩm đ−ợc thực hiện tại x−ởng đúc Viện công nghệ - Bộ công nghiệp với lò đúc trung tần. Đôí với vật liệu hợp kim đồng chú ý đến tính chảy loãng, nhiệt độ chảy , thành phần hợp kim cho vào để cải thiện cơ tính. Khối l−ợng sản phẩm khoảng 50 - 60 kg. Sau khi đúc chờ nguộị dỡ hòm khuôn, làm sạch vật đúc. Cát có thể dùng lại đ−ợc. 5. Kiểm tra sản phẩm sau khi đúc. - Sau khi đúc cần kiểm tra để rút kinh nghiệm cho PP đúc hoàn thiện. - Kiểm tra bề mặt sản phẩm về: rỗ khí, khả năng nứt, khả năng liền đầy, độ bóng bề mặt - Kiểm tra hình dạng hình học về cáckích th−ớc cơ bản của cánh. Sử dụng các kích th−ớc đo độ sâu, th−ớc đo góc, d−ỡng chuyên dụng. - Kiểm tra mác của vật liệu cánh. Thử mẫu bằng PP quang phổ để xét các thành phần hoá học vật liệu. Viện khoa học thuỷ lợi 47
53. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Từ các kết qủa kiểm tra, chúng ta chỉnh sửa lại từ mẫu, hoặc khuôn, hoặc thành phần vật liệu Sau đó đúc lại. Tiếp tục các b−ớc nh− trên. 7.2.3.2. Gia công cơ: Các b−ớc tiến hành nh− sau: - Mài sửa ba via cánh. - Gia công cắt gọt đạt các kích th−ớc lắp ráp thiết kế hợp kim đồng đúc có tính gia công cơ tốt hơn đồng nguyên chất: + Tạo lỗ lắp ráp ∅ 50H7, chiều dày cánh H= 93 mm, đ−ờng kính vành cánh ∅ 456 trên máy tiện T630. Hình 20. Gia công tinh trên máy tiện T630. Viện khoa học thuỷ lợi 48
54. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 + Tạo rãnh then B = 16mm trên máy xọc. - Cân bằng cánh: Cánh đ−ợc cân bằng tĩnh - Bằng giá cân bằng, ta lấy đi những khối l−ợng thừa, nhằm đảm bảo cánh làm việc đ−ợc ổn định, tăng độ bền cho ổ. Hình 21. Cân bằng tĩnh bánh công tác. 7.2.3.3. Lắp đồng bộ Tua bin - Kiểm tra chất l−ợng - Hiệu suất thuỷ lực cánh. Sau khi hoàn thiện cánh, để biết đ−ợc cánh làm việc cho hiệu suất cao hay thấp. Chúng ta phải lắp cùng với tua bin. Sau đó cho lên băn thử thuỷ lực. Thủ nghiệm ở các chế dộ Q, H khác nhau kiểm tra đ−ờng đặc tính năng l−ợng của cánhvà rút ra các kết luận cần thiết đánh giá chất l−ợng cánh về mặt thuỷ lực. Đây là kết quả đánh gia cuối cùng về chất l−ợng cánh có đạt hay không. 7.2.3.4. Đánh giá công nghệ chế tạo cánh đúc liền. - Việc đúc chính xác liền cánh công tác tua bin nghiêng nói riêng và các loại tuabin nói chung rất khó và phức tạp. Bằng việc lựa chọn đúng đắn PP đúc tiên tiến cho phép chúng ta giải quyết đ−ợc bài toán nan giải trên. So với PP đúc truyền thống tr−ớc đây, PP mẫu cháy, khuôn cát nhựa cho ta −u điểm của sản phẩm sau: + Vật đúc cân đối, bề mặt đẹp độ bóng đạt yêu cầu. Các khuyết tật đúc giảm hẳn. So với PP truyền thống-tr−ớc đây sau khi đúc khâu làm sạch vất vả, bề mặt gồ ghề và chiều dày cát bám vào mặt đáng kể. + Cánh đúc đạt độ chính xác cao, l−ợng d− gia công cơ ít - Tiết kiệm đ−ợc phôi liệu, giảm thời gian gia công cơ. Đáp ứng yêu cầu đề ra đối với cánh đúc liền mà không thể gia công đ−ợc ở những vị trí khuất, khe hẹp. Viện khoa học thuỷ lợi 49
55. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 - Việc đúc liền bánh công tác thành công cho kết quả tốt, nó mở ra h−ớng công nghệ đúc mới cho chế tạo bánh công tác. Giảm rất nhiều công đoạn. So với cánh đúc rời hoặc gia công áp lực. Nó đánh giá đúng đắn của việc áp dụng công nghệ mới vào chế tạo Tua bin nâng cao chất l−ợng thiết bị và ngày càng cải thiện hiệu suất của tổ máy thuỷ điện. Bên cạnh −u điểm đó thì phải kể đến hạn chế của ph−ơng pháp đúc này. Đó là giá thành sản phẩm cao hơn hẳn các PP đúc thông th−ờng vì vật liệu làm khuôn vẫn phải nhập ngoại, khâu chế tạo mẫu liên quan đến khuôn kim loại nên vấn đắt. Tuy vậy vì −u điểm mà nó mang lại nên chúng ta mạnh dạn áp dụng. Viện khoa học thuỷ lợi 50
56. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 ch−ơng IIX. Công nghệ chế tạo cánh tua bin Cột n−ớc cao D1= 100 và D1= 150 8.1. Quy trình thiết kế. 8.1.1. Quét mẫu. 8.1.1.1. Tham khảo cấu tạo cánh tua bin của hãng Gilkes. - Đ−ờng kính bánh công tác D542 mm . - Vị trí trọng tâm tia phun tại đ−ờng kính D300 mm (12”) - Góc phun 25 0 - Khảo sát biên dạng trên cơ sở quét mẫu 3D một phần bề mặt l−ng và bụng cánh. - Chép ảnh các mép vào và ra của cánh 8.1.1.2. Xây dựng bản vẽ cánh bánh công tác. - B−ớc 1: Quét mẫu nguyên bản + Từ số liệu dò quét mẫu nội suy các lát cắt trụ + Dựng vật mẫu cánh trên các dữ liệu mặt cắt trụ theo ph−ơng pháp truyền thống - B−ớc 2: + Thu tỷ lệ nguyên xây dựng bản vẽ d−ờng cho cánh tia nghêng 14,5/5. Tỷ lệ 1/2. + Lấy x−ơng khuôn làm các cữ chuẩn mài loft tạo suôn biên dạng - Quá trình này tạo ra mẫu , quy −ớc là phiên bản 1 - B−ớc 3: Kiểm tra + Quét và kiểm tra trên máy quét CMM 3D kiểu Scriber → hiệu chỉnh các góc vào góc ra tại các bán kính xác định R75 , R50 , R100. Viện khoa học thuỷ lợi 51
57. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 - Kiểm tra mẫu trên máy quét Mitutoyo nội suy bề mặt danh nghĩa (loại trừ các sai lệch bất th−ờng do mài thủ công) - Đối chứng các tham số mẫu thực với các tham số tính toán cánh. Bảng 3. Ri 54 63 69 Vòi R75 84 90 100 Vành R108 75 β tính 41,97 49 49,47 49,97 55,97 61,47 68 80 β hiện thời 55,21 61,06 64,28 56,95 * * * L−ợng hc (*dim) 1,32 1,2 1,67 1,85 0,53 0,59 1,3 2,56 - B−ớc 4: Xây dựng mô hình số + Xây dựng mô hình số vật thể cánh thống nhất toạ độ với mô hình số bầu và vành. + Nội suy bề mặt l−ng dày đều; Độ dày theo ph−ơng pháp tuyến = 4mm cho ph−ơng án dập cánh mỏng đều (Sử dụng phần mềm Rhinoceross). + Ngoại suy biên dạng chày phần nối dài tạo ph−ơng tr−ờn vật liệu dập (sử dụng các phần mềm CAD và Rhinoceross để nối hình) + Xây dựng bao hình chi tiết cánh cho cắt dây cối thủng + Gán các chuẩn trên mô hình cối 8.1.1.3. Lập trình gia công và gia công cối và đầu chày - Lập trình CAM phay thô trên máy CNC 3 trục để phay biên dạng chày dập theo ph−ơng thức chạy dao Spiral (Xoắn) - Cắt dây tạo hình cơ bản cho cối - Mài tinh chày - Kiểm tra biên dạng chày trên máy số 8.1.2. Chọn ph−ơng án dập. Bề mặt bụng của cánh tua bin tia nghiêng là mặt làm việc chính, các tính toán thông số hình học tại các mặt cắt trụ đảm bảo theo nguyên tắc tia phun vào không va (tiếp tuyến biên dạng) và véc tơ vận tốc ở mép ra ng−ợc chiều chuyển động tuyệt đối của cánh (Lấy góc ra tại từng mặt cắt theo tiêu chuẩn ≤ 15 0). Biên dạng l−ng tạo ra bề dày thay đổi có những ảnh h−ởng nhất định tới khả năng chịu uốn và tính thuỷ động của lớp chảy trong cánh. Có thể gia công cánh theo công nghệ dập nóng trong khuôn kín ; trong tr−ờng Viện khoa học thuỷ lợi 52
58. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 hợp này cần gia công chính xác lòng cối theo biên dạng l−ng; Bề dày trung bình của cánh t−ơng đối nhỏ - Xung lực dập lớn - Hạn chế tuổi bền của khuôn. Từ thực nghiệm gia công các chi tiết có kết cấu đồng dạng lựa chọn nguyên lý gia công dập biên dạng bụng và l−ng theo nguyên lý “cối thủng “. 8.1.2.1. Nguyên lý cấu tạo: 8 1 2 3 4 5 6 7 1 - Chày và lò xo nén 5 -Tấm cối (Thủng) 2 - Tấm chặn lỗ 6 - Đế cối 3 - Trụ dẫn h−ớng tấm kẹp 7 - Chi tiết sau dập 4 - Tấm kẹp 8 - Đầu búa (Piston thuỷ lực ) Hoạt động của hệ thống có thể xem trong ch−ơng trình mô phỏng 8.1.2.2. Nguyên lý biến dạng tạo hình. Biến dạng khi dập xảy ra đồng thời các quá trình : - Uốn tấm do phản lực của vành cối quanh vành tựa của chày - Kéo tấm do ma sát tác dụng ph−ơng tiếp của vành cối - Biến cứng phần kim loại thoát qua vành cối . Các quá trình kéo và uốn có ảnh h−ởng lẫn nhau tuỳ theo ảnh h−ởng của ma sát sinh ra bởi lực kẹp. Các diễn giải nh− sau: Viện khoa học thuỷ lợi 53
59. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 *Sơ đồ dập : Xét 1 phân tố tại điểm biến dạng trong cơ hệ : Khi ch−a có lực kẹp : ở trạng thái cân bằng , các lực tác dụng gồm: - áp lực N - Lực ma sát Fms = f x N Viện khoa học thuỷ lợi 54
60. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Tổng hợp hai thành phần trên là lực F có thành phần phân tích trên đ−ờng trung hoà bb là F’. Chính thành phần F’ gây ứng suất uốn và chuyển vị kim loại theo xu h−ớng bám biên dạng chày . Trong các giả thiết vừa nêu trên: Các thành phần N và Fms thực chất là hợp của các lực phân bố trên cung l−ợn vành cối. Đơn giản hoá uốn tấm theo mô hình uốn thanh, mô men kháng uốn đ−ợc xác định bởi một trong các thành phần là bề dày tấm (khe hở khuôn) theo ph−ơng aa. ứng suất v−ợt giới hạn đàn hồi tạo ra biến dạng dẻo kim loại. Với kết cấu biên dạng liên tục và đối xứng có thể tính toán gần đúng giá trị tới hạn của ứng suất này căn cứ trên tiết diện bxl (trong đó b = độ dày tấm, l = chu vi đ−ờn g bao vành cối) . Trong quá trình dập uốn , thành phần chiếu trên tiếp tuyến đ−ờng bao F1 gây trạng thái kéo nén khác nhau dọc theo chu vi đ−ờng bao tạo nên tình trạng nhăn lớp bề mặt (hình d−ới ) - Có thể quan niệm biến dạng này là biến dạng do ứng suất tiếp . Biến dạng của bề mặt phôi qua vành tr−ợt của cối ngoài trạng thái uốn - kéo - nén bởi F’ và F1 còn gây ảnh h−ởng nhăn của phôi tại vùng phụ cận ch−a ép qua vành cối. Nó gây tập trung ứng suất trên vành tr−ợt (Thực nghiệm cho thấy cối có thể bị phá hỏng do ứng suất tập trung này). Giải pháp kẹp phôi : Để chống lại tác dụng của ứng suất tiếp gây nên các tình trạng trên; cơ hệ dập đ−ợc bổ xung tác dụng của lực kẹp phôi. Thực chất lực kẹp này tạo ra ma sát giữ chống lại các thành phần tr−ợt trên bề mặt phôi . Viện khoa học thuỷ lợi 55
61. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Sơ đồ sau : Không còn khe hở Lực kẹp K tác dụng trên 2 bề mặt trên và d−ới của phôi tạo nên ma sát Fk phân bố thẳng góc với đ−ờng bao vành cối. D−ới tác dụng của lực ma sát này các giá trị Fms1 và Fms2 làm thay đổi ph−ơng chiều của hợp lực tạo khả năng uốn cao hơn, giảm ứng suất tiếp gây nhăn chi tiết. Có hai ph−ơng pháp tạo ra lực kẹp: - Cơ cấu kẹp cố định . - Cơ cấu kẹp động. Viện khoa học thuỷ lợi 56
62. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 + Với cơ cấu kẹp cố định: Đơn giản về mặt kết cấu nh−ng lực kẹp bị giảm p dần trong quá trình dập (do thu nhỏ dần diện tích) - chi tiết bị nhăn cuối quá trình dập . + Với cơ cấu kẹp động - nh− sơ đồ nguyên lý trình bày trên - Lực kẹp tăng dần (tuyến tính) theo hành trình nén của lò xo đến khi kết thúc quá trình dập. Khi chọn cơ cấu kẹp động dùng lò xo, ngoài việc tính toán độ cứng của lò xo còn phải tính đến hành trình dự trữ của nó: Hlx = (n – 1 ) x (t – d ) ≥ Hd Trong đó: Hlx: là khoảng nén của lò xo n: là số vòng của lò xo t : là b−ớc xoắn d: đ−ờng kính lò xo Tổng hợp hai yếu tố độ cứng và hành trình dự trữ đôi khi cho một kết cấu rất cồng kềnh bất hợp lý . Có thể thay thế lò xo bằng loại vật liệu đặc biệt nh− cao su hay vật liệu PU dạng ống (Poly Uréthane). Loại vật liệu này đã trở nên phổ biến, th−ờng dùng cho các cơ cấu giảm chấn. Theo các nghiên cứu của viện công nghệ trên các mẫu chế thử PU dạng ống φ 60 L200 (s = 28cm2 ), khả năng chịu nén có thể đạt 60% mới xuất hiện vế nứt gây phá hỏng. ứng lực tăng với độ dốc rất lớn từ 2 - 700KG/cm2 khi biến dạng 0 - 40%. Trong quá trình thực nghiệm đã sử dụng vật liệu trên: Sử dụng 4 ống PU φ 40 cho đồ gá dập cánh gáo tia nghiêng 14,5/5 cho các kết qủa t−ơng đối tốt: Chỉ sau khá nhiều chu trình dập tấm PU mới bị phá hỏng do tính toán sát giá trị tới hạn Viện khoa học thuỷ lợi 57
63. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 ống PU Để tăng c−ờng độ cứng và hạn chế vết nứt tế vi sinh mỏi trong ống PU đồng thời thu gọn kết cấu theo chiều cao có thể sử dụng PU dạng khối. Viện khoa học thuỷ lợi 58
64. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Giải pháp kẹp phôi trên rất phù hợp với chế tạo bộ khuôn dập cho các chi tiết cánh cỡ d100 và nhỏ hơn vì có thể đệm hoặc xén chiều cao tấm PU với phạm vi hiệu chỉnh rộng để chọn chế độ kẹp tối −u tránh đồng thời 2 khả năng phôi bị đứt khi lực kẹp quá lớn hoặc bị nhăn khi lực kẹp quá nhỏ. Các thống kê thực nghiệm chỉ ra (cho cánh D150): - Dạng phôi phù hợp về tỷ lệ kích th−ớc là dày 4-0.05 hình chỡ nhật 150 x125 vê tròn 4 góc R30 - Vật liệu thép 08KΠ hoặc CT3 loại mới, nhẵn, có láng dầu bảo quản 2 mặt Cho các chi tiết cánh đồng dạng có thể sơ bộ tính toán tỷ lệ: Viện khoa học thuỷ lợi 59
65. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 + Lực dập: 110 tấn x (d danhnghĩa x 1/150 ) x (bdanhnghĩa x 1/4) + Lực kẹp: 40 -70 tấn cho cỡ cánh danh nghĩa d100 - d200 ảnh h−ởng của tốc độ dập : Quá trình thử nghiệm trên máy ép thuỷ lực không có bộ khống chế tốc độ ép (Chỉ có van hồi khống chế công suất) nên ch−a đ−a ra kết quả định l−ợng về độ bám chày và ảnh h−ởng của biến cứng của vật liệu sau khi tr−ờn qua vành cối. Về lý thuyết: tốc độ ép càng cao thì biến dạng dẻo càng thuận lợi, kim loại dễ tr−ờn trên mặt vành cối để tạo biên dạng l−ng; nh−ng thành phần ứng suất tiếp gây nhăn càng khó khống chế do giảm hệ số ma sát động; tuy nhiên có thể làm phồng biên dạng bụng nếu biên dạng chày không thực sự suôn dốc đều do kết cấu hoặc do sai số chế tạo. Th−c tế trong quá trình thực nghiệm : -Khi chế tạo chày dập đã phải gán biên dạng chày để có đ−ờng bao suôn đầy : Vùng gán vùng lòng cánh Phép gán có thể dựa trên sự trợ giúp của phần mềm thiết kế CAD nh− các lệnh nối extend , blend nh−ng nếu phạm vi gán không đủ lớn gây tình trạng bẻ gập . Cắt biên phôi cánh sau dập : Với công nghệ dập cối thủng này có thể gia công các cánh mỏng tới 1 mm nếu vật liệu chọn là 08KΠ; Nó mở ra h−ớng giải quyết thay thế dập thể tích vì với Viện khoa học thuỷ lợi 60
66. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 các kết cấu mỏng xung lực dập khối rất lớn ⊗. Tuy nhiên nguyên công dập ch−a phải là b−ớc cuối của quá trình gia công chi tiết; Các phần biên dạng bị gán trong quá trình chế tạo chày cối cần đ−ợc cắt bỏ. Định vị phôi (là bán thành phẩm sau dập ) có thể căn cứ trên các chuẩn : + Mặt phẳng phôi sau khi dập + Các trục định vị XY trên chi tiết dập + D−ỡng cắt mép vào + D−ỡng cắt mép ra + D−ỡng cắt giao tuyến vành + D−ỡng cắt giao tuyến bầu Trừ d−ỡng cắt mép vào là d−ỡng phẳng có thể dễ dàng chế tạo và định vị, các giao tuyến còn lại đều là các đ−ờng cong 3D để cắt chính xác các d−ỡng 3D này chỉ có thể thực hiện trên các máy CNC 5trục với chi phí công nghệ khá cao. Để đơn giản hoá có thể thiết kế chiếu ng−ợc các giao tuyến 3D trên các hệ toạ độ phẳng định tr−ớc (User Coordinate System - UCS ) và chế tạo các bộ gá cắt song phẳng. Trên thực tế áp dụng các biện pháp gia công đơn giản là lấy dấu cắt trên d−ỡng cối chế tạo thủ công bằng cách đúc bản âm khớp hình 1 cánh mẫu . 8.1.3. Tổng hợp quy trình trình chế tạo. - Chuẩn bị phôi : + Cắt phôi 150 x 125 x 4 vê tròn R30 + Mài ba via + Vạch dấu trục đối xứng phôi + Láng dầu mặt tiếp xúc cối + Gia công cơ vành và bầu - Định vị phôi theo ke gá của cối - Điều chỉnh cữ hành trình của máy ép thuỷ lực - Dập - Hiệu chỉnh dấu trục XY của loạt phôi trên dấu chuẩn của cối ⊗⊗ - Vạch dấu cắt biên mép vào căn cứ trên chuẩn YY và d−ỡng cắt ⊗ Xung lực là đại l−ợng tính bằng lực nhân thời gian tác động – Giá trị tính theo bảo toàn động l−ợng ⊗⊗ Trong quá trình chế tạo dấu trục XY trên mặt cối cần đ−ợc vạch bằng máy xung với độ mảnh 0,1mm Viện khoa học thuỷ lợi 61
67. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 - Kiểm tra vết tiếp xúc l−ng trên cối kiểm l−ng có chuẩn mép vào - Mài sửa vết tiếp xúc l−ng . - Lấy dấu các mép ra , mép vành , mép gia bầu - Mài cắt các mép - Mài các góc l−ợn - Phân nhóm cánh theo trọng l−ợng - Rà gá cánh trên bộ gá chung với vành và bầu - Mài sửa các giao tuyến - Định vị cánh trên bộ gá hàn - Hàn đính - Hàn đính cánh theo thứ tự 1 - 10 - 5 - 16 - Hàn hoàn chỉnh các cánh 1 - 10 - 5 - 16 - Lặp lại trình tự với nhóm 2 - 11- 6 - 17 - Gá hàn với các cánh còn lại - Tảy ba via mài sửa góc l−ợn các mối hàn - Gia công lỗ trục và then ; khoả sửa vành và bầu - Cân bàng tĩnh và lắp cánh Viện khoa học thuỷ lợi 62
68. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 cHƯƠNG IX. CÔNG NGHệ CHế TạO BCT TUABIN HƯớNG TRụC D = 300 9.1. Đặc điểm của sản phẩm. 9.1.1. Vài nét về bánh công tác tua bin h−ớng trục. Bánh công tác (BCT) tua bin h−ớng trục là loại bánh công tác kiểu phản kích. Mô men động l−ợng dòng chất lỏng truyền qua trục tua bin thông qua các lá cánh có kết cấu dạng công sôn dó đó lá cánh vừa phải đủ mỏng phù hợp với điều kiện thuỷ lực dòng chảy để cho hiệu suất cao, vừa đòi hỏi có độ cứng vững để đảm bảo ổn định trong quá trình tua bin làm việc. Cũng giống nh− các loại máy thuỷ lực cánh dẫn khác, BCT tua bin h−ớng trục cũng đòi hỏi có độ nhẵn bề mặt cao, để giảm thiểu ma sát với dòng chất lỏng, đồng thời nó kết hợp với độ cứng bề mặt lá cánh để phòng và chống hiện t−ợng xâm thực để tổ máy đạt hiệu suất cao nhất và có tuổi thọ lâu dài. Nh− ta đã biết, các profile của lá cánh đ−ợc tính toán thiết kế theo điều kiện chảy bao, do vậy chúng phải có biên dạng chính xác theo tính toán, các góc đặt cánh, các mép vào, ra của lá cánh cần phải đ−ợc gia công , chế tạo chính xác mới có thể đạt đ−ợc các yêu cầu kỹ thuật đặt ra. Với các điều kiện trên, BCT tua bin h−ớng trục nếu đ−ợc chế tạo bằng các vật liệu phù hợp, công nghệ gia công hiện đại cho độ chính xác cao sẽ mang lại hiệu quả kinh tế cao trong quá trình vận hành khai thác. 9.1.2. BCT tua bin h−ớng trục có D1 = 300mm. BCT tua bin h−ớng trục 300mm làm việc với cột n−ớc thấp (0,5 - 15m). ở mỗi chế độ cột n−ớc làm vệc nhất định, góc đặt cánh của các lá cánh khác nhau để đạt đuợc khả năng thoát khác nhau để cho hiệu suất của tổ máy cao nhất. Nh−ng về mặt kết cấu chúng vẫn giống nhau. Trong những tr−ờng hợp không yêu cầu quá cao về hiệu suất, chúng có thể làm việc ở một dải cột n−ớc khá rộng. D−ới đây, chúng tôi sẽ trình bày nghiên cứu công nghệ chế tạo một BCT đ−ợc sử dụng khá phổ biến trong các bơm tua bin n−ớc cấp n−ớc cho các vùng đồi núi. Chúng làm việc với cột n−ớc trong khoảng 0,5 - 4m với số vòng quay từ 448 -1266 vòng/phút và công suất từ 0,63 - 14,3HP. Viện khoa học thuỷ lợi 63
69. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 9.1.3. Phân tích kết cấu. BCT tua bin h−ớng trục 300mm có kết cấu giống các BCT tua bin h−ớng trục khác có kết cấu gồm: bầu cánh và lá cánh. Bầu cánh có nhiệm vụ truyền lực từ lá cánh lên trục của tua bin đồng thời nó có tác dụng phân bố đều dòng chảy trong khoảng giữa nó và buồng tua bin. Vì vậy bầu cần phải có sự vững chắc để cho các lá cánh tựa lên nó khi làm việc không bị rung động, trên lỗ moay ơ phải có rãnh then để truyền mô men quay. Bầu đồng thời cũng thuộc hệ thống làm việc trực tiếp với chất lỏng nên nó cũng cần phải có độ bóng nhất định để trong quá trình làm việc nó không tạo ma sát với dòng chất lỏng tạo xoáy làm ảnh h−ởng xấu tới sự làm việc của tua bin và cản trở sự quay của tua bin. Các BCT kiểu mới có xu h−ớng giảm nhỏ đ−ờng kính bầu để giảm bớt các ảnh h−ởng xấu của nó đến dòng chảy và tăng không gian làm việc của các lá cánh nhằm tăng công suất và hiệu suất của BCT. Phần quan trọng nhất của BCT là các lá cánh, nó có tác dụng thu nhận năng l−ợng của dòng chất lỏng. Sự trao đổi năng l−ợng của dòng chất lỏng có thể hoàn toàn hay không là do kích th−ớc, hình dáng, chất l−ợng bề mặt, của các lá cánh quyết định. Bởi vì trong quá trình làm việc, các lá cánh chuyển động quay trong chất lỏng, nếu nó không có một hình dạng, kích th−ớc và chất l−ợng bề mặt thoả mãn các yêu cầu về thuỷ lực sẽ gây ra các hiện t−ợng va đập làm rối dòng ảnh h−ởng xấu tới chất l−ợng làm việc của tua bin. Ngoài ra, giống nh− các tua bin phản kích khác, BCT tua bin h−ớng trục luôn có nguy cơ bị xảy ra xâm thực. Ngoài các nguyên nhân về dòng chảy, cao trình đặt máy một yếu tố nữa ảnh h−ởng tới quá trình ăn mòn này có thể dẫn đến phá huỷ các BCT (chủ yếu là mặt sau của các lá cánh) là do vật liệu chế tạo lá cánh và chất l−ợng bề mặt của nó. Trên đây ta còn ch−a nói tới khả năng truyền lực của lá cánh. Trong quá trình làm việc, lá cánh thực ra là các tay đòn của các mô men quay trên trục. Toàn bộ bề mặt của lá cánh có sự phân bố áp lực nhất định và tổng hợp lại ta đ−ợc một hợp lực tại một vị trí trên lá cánh tạo nên mô men quay. Nh− vậy, về mặt cơ học lá cánh là các dầm công sôn nên khả năng chịu uốn kém, đồng thời dễ bị rung động trong quá trình làm việc. Tóm lại, các lá cánh của BCT tua bin h−ớng trục cần có các yêu cầu kỹ thuật về mặt thuỷ lực và đồng thời nó phải thoả mãn các yêu cầu về kết cấu chịu lực. đây là Viện khoa học thuỷ lợi 64
70. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 những đòi hỏi d−ờng nh− trái ng−ợc nhau. Để thoả mãn đồng thời những đòi hỏi đó, chúng ta cần phải lựa chọn giải pháp công nghệ vật liệu, gia công chế tạo một cách hợp lý, đảm bảo tính kinh tế và kỹ thuật. Hình ảnh, bản vẽ chi tiết và bản vẽ các mặt cắt của BCT tua bin h−ớng trục có D1 = 300mm mà chúng tôi nghiên cứu công nghệ gia công chế tạo xem trang 7, 8, 9, 10 và 11. 9.1.4. Các mặt cắt lá cánh. Nh− đã phân tích kết cấu ở trên, mặt cắt lá cánh ở vị trí sát bầu là mặt cắt nguy hiểm nhất, đồng thời tại mặt cắt này sẽ xuất hiện ứng suất tập trung, do vậy giữa bầu và lá cánh phải có góc l−ợn với bán kính R nào đó để giảm sự tập trung ứng suất. (ở ph−ơng pháp đúc chọn R = 5mm). 9.2. Lựa chọn vật liệu. 9.2.1. Điều kiện làm việc. BCT tua bin huớng trục làm việc với cột n−ớc thấp, với bánh xe công tác 300 mm mà chúng ta nghiên cứu có phạm vi làm việc ở cột n−ớc từ 0,5 - 4m. Với cột n−ớc này, áp lực dòng chảy lên BCT không lớn lắm, số vòng quay t−ơng đối thấp. Vì cột n−ớc tua bin thấp nên về mặt khí thực, BCT cũng không chịu ảnh h−ởng nhiều, để đảm bảo tính kinh tế, vật liệu và công nghệ chế tạo phải lựa chọn sao cho giá thành sản phẩm thấp nhất mà vẫn đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật, độ bền của sản phẩm. Lực tác dụng lên lá cánh BCT tua bin h−ớng trục theo lý thuyết tính toán rất phức tạp, nó gồm 2 thành phần chính là lực quay Pu và lực dọc trục Pz. Hình 22. Sơ đồ chịu lực của BCT tua bin h−ớng trục Viện khoa học thuỷ lợi 65