Nghiên cứu chế tạo bánh công tác tua bin thủy lực Nghiên cứu lựa chọn công nghệ

Nghiên cứu chế tạo bánh công tác tua bin thủy lực Nghiên cứu lựa chọn công nghệ

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 lượng tái tạo trong chế biến nông, lâm, thủy sản, sinh hoạt nông thôn và bảo vệ môi trường”

Trang

Phần I : Báo cáo Tổng Quan……… ……… 1

Chương I Sự cần thiết nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh công tác tua bin thủy lực………. 1

Chương II Đánh giá tình hình sản xuất trong nước và ngoài nước………. 3

Chương IV Nội dung và phạm vi nghiên cứu……… 7

4.1 Các mẩu BCT tua bin nghiên cứu………. 7

4.2 Phương pháp tiếp cận……….… 7

Phần II : Báo cáo công nghệ chế tạo BCT tua bin thủy lực………. 8

Chương V Số hoá vật thể cánh 3D cơ sở xây dựng mô hình hình học số…… 8

5.1 Phương pháp khai triển truyền thống……… 8

5.2 Khai triển với trợ giúp của thiết bị số hoá 3D……… 8

Chương 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 tương 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 bước triển khai nghiên cứu……… 26

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

8.1.2.1 Nguyªn lý cÊu t¹o……… 53

8.1.2.2 Nguyªn lý biÕn d¹ng t¹o h×nh……… 53

8.1.3 Tæng hîp quy tr×nh tr×nh chÕ t¹o……… 61

Ch−¬ng IX C«ng nghÖ chÕ t¹o BCT tua bin h−íng trôc D = 300………. 63

9.1 §Æc ®iÓm cña s¶n phÈm………. 63

9.1.1 Vµi nÐt vÒ b¸nh c«ng t¸c tua bin h−íng trôc……… 63

9.1.2 BCT tua bin h−íng trôc cã D1 = 300mm……… 63

10.1.1.2 ¦u ®iÓm cña c«ng nghÖ luyÖn kim bét……… 83

10.1.1.3 Qui tr×nh c«ng nghÖ luyÖn kim bé……… 84

10.1.2 T×nh h×nh nghiªn cøu øng dông céng nghÖ luyÖn kim bét ë ViÖt Nam……… 85

10.2 Nghiªn cøu chÕ t¹o b¸nh c«ng t¸c tua bin h−íng trung b»ng c«ng nghÖ luyÖn kim bét……… 86

10.2.1 Ph©n tÝch s¶n phÈm……… 86

10.2.2 C¸c b−íc c«ng nghÖ……… 86

Phần I : Báo Cáo tổng quan

Chương 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 nước 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 lường - bảo vệ) đều nhập của nước ngoài

Như vậy tiềm năng sản xuất cung cấp những thiết bị này trong nước 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 nước là có thể và rẻ hơn của nước 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 lượng của dòng nước thành năng lượng của tua bin, thành điện năng Như vậy bánh công tác của tua bin quyết định chủ yếu đến hiệu suất làm việc của tổ máy và qua đó ảnh hưởng 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 được tiêu chuẩn hóa

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 được giá thành rất nhiều Vì đôi khi giá trị của bánh công tác chiếm đến 1/2 giá trị của tuabin

Như vậy công tác nghiên cứu công nghệ chế tạo bánh công tác tuabin thủy lực rất quan trọng nó ảnh hưởng 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 nước có ngành chế tạo thiết bị thủy lực đã quan tâm và đi trước ta trong việc áp dụng các công nghệ cao vào công tác chế tạo BCT

Chương II Đánh giá tình hình sản xuất trong nước và ngoài nước

2.1 Trong nước

Ngành công nghiệp tuabin thủy lực trong nước đã phát triển từ những năm 80 ở các công ty cơ khí như 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 như:

- 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 được đúc liền: Như cánh tuabin hướng trục, tâm trục

Phương pháp đúc gồm: mẫu gỗ, khuôn cát hoặc đất sét phương pháp gia công chủ yếu bằng thủ công Chất lượng đúc cho bề mặt kém, lượng dư lớn, gia công hoàn thiện công phu tốn kém Độ chính xác cuả BCT khó xác định, thường khó đạt được những thông số như cánh mẫu Vì thế thông tua bin thủy lực sản xuất trong nước có hiệu suất không cao

Trong những năm gần đây các thiết bị thủy điện nhỏ được Trung Tâm Thủy Điện HRC) sản xuất và lắp đặt đạt hiệu quả cao hơn, nhưng công suất của tổ máy thường nhỏ do hạn chế về mặt bằng sản xuất và trang thiết bị nên cũng chỉ ở số lượng có hạn

2.2 Công nghệ trong khu vực

Trong khu vực hiện nay Trung Quốc là nước 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 Trước đây ngành sản xuất tua bin thủy điện của Trung Quốc dựa vào nền tảng lý thuyết, công nghệ của Liên Xô cũ, chất lượng chưa đạt yêu cầu.Trung Quốc ngày nay đã sớm gam hóa được rất nhiều loại tuabin ứng với các dải công suất và thông số làm việc khác nhau Chất lượng 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:

- 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 hướng 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 hướng trục, tâm trục

Công nghệ đúc của Trung Quốc tiến bộ hơn trước rất nhiều do áp dụng công nghệ tiên tiến của thế giới Tuy vậy chất lượng vật đúc về độ chính xác, bề mặt so với các nước phát triển vẫn chưa bằng

2.3 Các nước Công nghiệp phát triển

Các nước có ngành công nghiệp thuỷ điện phát triển trên thế giới như: các nước SNG, Nhật, Anh , Na uy, Đức Các nước 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 được áp dụng cho sản xuất BCT tua bin Vì vậy chất lượng BCT rất tốt, độ tin cậy và hiệu suất tua bin thường rất cao từ 90%-95% Công nghệ chế tạo BCT của các nước này là: đúc chính xác, đúc áp lực cao, gia công áp lực nóng, gia công trên máy CNC

Thường thì công nghệ đúc được 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, phương 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

Chương III Các công nghệ chế tạo hiện đại đang được ứng dụng tại Việt Nam

Các công nghệ tiên tiến phù hợp chế tạo BCT tua bin đang được 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 phương pháp:

- Đúc khuôn vỏ mỏng - Đúc mẫu tự thiêu - Đúc mẫu chảy

Công nghệ đúc chính xác đang được 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 Phương pháp này phù hợp cho chế tạo BCT tua bin hướng trục thuỷ điện cực nhỏ Công nghệ này được áp dụng ở rất nhiều nhà máy như: Công ty TNHH Hà phát (Hải dương), công ty T&T (Hưng 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 hướng trục Hiện nay có số ít nhà máy có công nghệ này, như 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 như 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 được lập trình sẵn sản phẩm được 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 công nghệ - Bộ công nghiệp (IMI) Tuy vậy chủ yếu dùng để gia công các loại khuôn mẫu kim loại

Như vậy từ nhu cầu phát triển thuỷ điện trong nước, tham khảo công nghiệp sản xuất thiết bị thuỷ điện khu vực và các nước tiên tiến, căn cứ vào các công nghệ chế tạo hiện đang được 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 bước phát triển ngành công nghiệp chế tạo thiết bị thuỷ điện

Phạm vi nghiên cứu của chúng tôi bước đầu đi sâu vào công nghệ chế tạo BCT cho các loại tua bin nhỏ và cực nhỏ, hiện nhu cầu trong nước rất lớn, mặt khác sẽ là tiền đề cho nghiên cứu sản xuất BCT tua bin công suất lớn

Chương 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 trường trong nước 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 lượng thấp cũng được lắp đặt Thuỷ điện nhỏ và cực nhỏ được phân loại như sau:

- Thuỷ điện nhỏ cột nước thấp - tua bin hướng trục công suất tới 200 kW

- Thuỷ điện nhỏ cột nước cao - tua bin tia nghiêng, tua bin kiểu Cink công suất tới 200 kW

- Thuỷ điện cực nhỏ cột nước thấp - tua bin hướng trục công suất 200w - 1000w - Thuỷ điện cực nhỏ cột nước 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 như sau:

4.1 Các mẫu BCT tua bin nghiên cứu

- Thuỷ điện nhỏ cột nước cao - mẫu cánh tua bin tia nghiêng D1 = 250 - Thuỷ điện nhỏ cột nước thấp - mẫu cánh tua bin hướng trục D1 = 400 - Thuỷ điện cực nhỏ cột nước cao - mẫu cánh tua bin tia nghiêng D1= 100; D1= 150

- Thuỷ điện cực nhỏ cột nước thấp - mẫu cánh tua bin hướng trục D1= 120

Phần II Báo cáo công nghệ chế tạo BCT tua bin thuỷ lực

Chương V Số hoá vật thể cánh 3D Cơ sở xây dựng mô hình hình học số

5.1 Phương pháp khai triển truyền thống

Khai triển phẳng đơn giản cho lắp ráp bộ xương khuôn nhưng thường bỏ qua mô tả biên dạng tại các góc lượn 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 nhưng gặp khó khăn nhất định cho công tác định vị xương khuôn để tạo mẫu

Đặc biệt với các dạng cánh xoắn lớn dạng tâm trục , thường mắc sai số lớn khi chế tạo hộp dưỡng do không đồng thời thoả mãn 2 nhu cầu mô tả trên

Các phương pháp khai triển trên tương 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

Thường 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 nhưng phương pháp này chỉ là tương 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)

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 lưới bề mặt theo chương 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 như thế nào tương thích giao tiếp các chương trình đồ hoạ CAD và CAM để xây dựng chương 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) được các tác động của trọng lượng chi tiết cánh lên bàn máy

+ Hiệu chỉnh các tác động nhiệt của môi trường

+ Có thể cập nhật liên tục số liệu quét phỏng theo nguyên tắc phác tay (Sketch)

+ Có thể nội suy các đường 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 tư

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 như: AutoCAD, Rhino, MDT

Đáp ứng các nhu cầu cỡ tương đối cao có thể chọn trang bị máy CMM dạng bàn máy cố định, quét và nội suy theo chương 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 hướng 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 đưa ra lựa chọn: Kết hợp khai thác sử dụng thiết bị quét tiếp xúc 3D SCRIBER với các ứng dụng nội suy lưới bề mặt cánh tải trong các môi trường thiết kế truyền thống như Auto CAD , Rhinoceross ; Các ứng dụng này được 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 chưa phải là mục tiêu cuối cùng thiết lập chương trình chuẩn bị gia công CAM nhưng 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 được 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

Như nêu ra ở chương mở đầu, cần có một thông tin dặc biệt thay cho bản vẽ kỹ thuật thông thường để mô tả đối tượng cánh , hay nói cách khác là cần một vật mẫu ảo (mô hình số) thay cho thực thể cánh (mẫu thực) thì mới tương 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

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 bước lập trình CAD chuẩn bị gia công

Với quy mô nghiên cứu lớn hơn như tối ưu 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 được sơ bộ giới thiệu ở phần trước, khi tiên lượng về biện pháp chế tạo mẫu theo công nghệ SLA - với công nghệ này sự ưu việt đáng kể là nó có thể tuỳ biến thay đổi nhanh các phiên bản mẫu để đưa vào thực nghiệm Để có được sự thay đổi này người thiết kế dễ dàng thực hiện trên ứng dụng CAD và cũng nhanh chóng truy xuất dữ liệu dưới 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 đưa 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.

chương 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 như 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 nước 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 , lưới điện ) còn nghèo nàn luôn là vấn đề phải quan tâm của ngành thuỷ lợi - thuỷ điện nhỏ trong chiến lược toàn diện phục vụ sản xuất nông nghiệp và sự nghiệp phát triển nông thôn Để đáp ứng linh hoạt về chủng loại, số lượng với chất lượng 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 trước tới nay cánh tua bin, cánh hướng, vòi phun, kim phun một số chi tiết khác cuả máy bơm, máy cánh hoặc các chi tiết hệ thống tưới chỉ được 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 xương khuôn

- Đồng thời chế tạo thủ công (nguội) các mẫu đúc trên cơ sở hộp xương khuôn là chế tạo các dưỡng 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 bước trên chỉ được 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 dưỡng kiểm 3D thì độ chính xác đạt được cũng không cao: chỉ đảm bảo vết

tiếp xúc dưỡng < 70%.

+ 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

(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 tường minh, sau này - khi phân tích trên quan điểm CAD/CAM thì chúng đơn giản được tạo bởi các lưới đường thẳng hoặc đường 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 được 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 thường 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 như thông thường mà bản chất hơn là các tác động điều khiển được 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 chương 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 đường xác định - trong đó xung được giám sát định lượng bởi chương trình số, khách quan, không lệ thuộc vào quán tính chấp hành hay khoảng trễ của quá trình khởi động hay hãm dừng như các động cơ thông thường; Vấn đề này được làm rõ ở phần sau khi so sánh về khả năng chuyển tiếp biên dạng giữa 2 phương 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 vượt trội so với các máy gia công thông thường, tuy nhiên các chương trình gia công vẫn còn bị ấn định bới chỉ được chứa trong các mạch lôgic ghép cứng - chưa linh hoạt đáp ứng các nhu cầu riêng của người dùng

Khái niệm Programmable Control ra đời cùng với bước phát triển vi sử lý trên

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 ưu việt của mình

Trên hệ CNC, tất cả các thông số liên quan đến quá trình gia công đều được số hoá ghi vào bộ nhớ: địa chỉ mâm gá, trục chính, địa chỉ của dao, địa chỉ bộ dao, địa chỉ và chương trình so dao, các chương trình công nghệ như lùi dao, đổi dao, bơm nguội v.v… Người lập trình ngoài việc đưa 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 đưa ra các lệnh công nghệ để hoàn thiện hoá chương trình đảm bảo chính xác kích thước và bóng bề mặt

Nhìn nhận tổng quan về các khả năng thực tế của ngành công nghiệp chế tạo máy trong nước có thể nhận thấy rằng đã có những bước 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 hướng hiện đại hoá công nghệ bằng cách trang bị các dây chuyền sản xuất trên cơ sở công nghệ này Các nhà cung cấp trước khi tư vấn cho khách hàng cách lựa chọn cấu hình máy thường đưa ra các giới thiệu công năng đặc biệt của của chúng như:

- Gia công với năng suất cực cao - Gia công các vật liệu siêu cứng

- Gia công với ảnh hưởng nhiệt cực thấp loại trừ khả năng giảm độ bóng do lẹo dao

- Gia công với các sản phẩm có kích thước và khối lượng 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 như:

- Cắt ren theo nguyên lý phay

- Chế tạo các lỗ lục lăng , không tròn theo nguyên lý tiện

- Gia công tinh xảo như 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 vượt trội đó được đưa ra mang

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 đưa 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 đưa 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 đưa 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

Khuôn khổ của báo cáo này không cho phép liệt kê các quy tắc hay đi vào phân tích các phương thức tạo hình mà chỉ đưa 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 được bằng các bản vẽ kĩ thuật tiêu chuẩn chỉ là trường hợp cá biệt; Nhìn chung nó tích hợp các mặt phức với thành phần là các lưới đường 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 đường bao 3D vùng bề mặt cần tìm; mỗi đa tuyến trong tập hợp đa tuyến [u] và [v] là hình

ảnh gẩn đúng các đường cong không gian 3D (gọi là lưới nội suy )

Hầu hết các biên dạng cánh có dạng đường 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 đường cong trơn nói trên không mô tả được bằng các hàm toán học - vì thế nó được gọi là đường 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 đường mô tả bằng chuỗi các cung Bezier Spline (Non Uniform Rational B - Spline - NURBS ⊗)

Có thể hình dung quy tắc thiết lập đường cong này gồm 2 tập hợp: 1tập hợp gồm một số điểm xác định đường cong đi qua, 1 tập hợp gồm các điểm nội suy từ các điểm trên theo nguyên tắc điểm nội suy được “xác định” nhờ nối 1/3 véc tơ chảy tại

⊗Tham khảo thuật toán Bezier mô tả 3D các đối tượng NURBS trong các giáo trình CAD\CAM\CNC\CAM

điểm đầu với 2/3 véc tơ chảy tại điểm cuối sau đó lấy điểm giữa của đoạn nối này Như vậy, cứ qua 4 điểm nội suy được 1 điểm trung gian - Đường Bezier dạng này có bậc mặc định là bậc 4 - tham số toạ độ điểm nội suy trên hoàn toàn mang tính ước lệ bởi nếu tăng bậc nội suy thì kết quả nhận được 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 được Bezier tham số đồng nhất - đây chỉ là một trường hợp cá biệt; một lưới bề mặt bất kì thường tạo bởi các Bezier không đồng nhất như đã nêu trên

Khi mật độ các điểm cơ sở càng lớn thì lưới nội suy càng gần với bề mặt vật thể cánh Dạng khai triển và nội suy này phổ biến được áp dụng trong nhiều phần mềm thiết kế vật thể trong không gian mô hình và cũng được áp dụng trong phần mềm điều khiển của một số máy đo toạ độ Vấn đề dặt ra là: phép dò quét có tính tương 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 lường 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 trường 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; phương pháp tạo hình cơ bản: Từ profile phẳng, bề mặt được “kéo dãn” (Extrude) theo một đường dẫn (path) thẳng vuông góc với profile Biên dạng bụng và lưng là các spline (dạng đơn giản của B - Spline), một cách gần đúng có thể phân tích thành các cung cong bậc hai tương thích với khả năng sử lý nội suy bậc hai Đường chuyển dao theo phương 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 đường dần xiên hoặc xoắn để gia công tạo hình các mặt cánh dạng hướng trục hoặc tâm trục

Tuy nhiên với cánh hướng trục có độ võng lớn hoặc cánh tâm trục có độ xoắn lớn còn phải xét đến khả năng hiệu chỉnh phương trục dao Hiệu chỉnh sai số này xuất phát từ nguyên nhân: giữa đường 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 được phân tích biến đổi theo 2 phương tương đối với bề mặt cần gia công - Vì thế cần tham số hoá cosin chỉ phương 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 phương X Y Z và quay độc lập Theo các vectơ chỉ phương I J - Lập trình gia công với hệ thống này đòi hỏi các trợ giúp đặc biệt vì không đơn giản định nghĩa các đường dao theo cách offset song song hoặc xoắn ốc thông thường

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

+ Hướng kính (Radial): ví dụ cho cánh hướng trục có độ võng mặt trước 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 đường dao khi gia công theo các đường dòng hoặc các “biên dạng trụ” là phương án lý tưởng nhất vì nhất quán với thiết kế hình học theo các quy tắc tính toán thuỷ động máy cánh nhưng 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 đưa 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 được) lưới bề mặt Sai lệch 3D của các điểm nội suy trung

gian có thể được hiệu chỉnh băng các công cụ làm trơn Cubic Smooth Trong các phiên bản CAD r 2000, 2002

Phân tích biên dạng cánh theo phương 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 lưng, 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 (thường là các góc lượn) được xác định bỏi các phép nối hình (Blending) hoặc vê tròn (Filling) để nhận được các mặt đa hợp; Các phép phân tích bề mặt theo lưới các đường cong NURBS 3D theo quy tắc Loft (uv) thường 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 phương thức nội suy bậc cao từ tập hợp điểm (Share Points ) thay cho từ tập hợp đường (Curver)

Xây dựng mô hình số từ tập hợp điểm thường được 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 phương án này kết hợp gia công trên máy CNC 5 trục( 5 )

Các căn cứ trên ((1 ) - (5 )) là cơ sở cho lựa chọn phương 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 tư trang bị và thiết kế quy trình được 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 phương án dập đúc và gia công cơ trên máy CNC hoặc trung tâm gia công; nhưng 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 bước mô hình để hiệu chỉnh các thông số hình học, vật liệu, cơ tính, biện pháp gia công

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 người ta cũng đã áp dụng các phương 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 người ta vẫn có thể gia công đúc liền theo công nghệ mẫu chảy ⊗ - Tuy không đạt được độ chính xác kích thước và chính xác tương quan cao như gia công điều khiển số nhưng vẫn có thể chấp nhận được trong quấ trình thử nghiệm mô hình

Kết hợp các phương 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 lượng và hạ giá thành

Để vạch ra đề cương cho suốt quá trình , một số tiêu chí về nội dung nghiên cứu đã được định hướng bám sát các vấn đề :

+ Dùng keo silicon (keo dán kính) để tạo vỏ khuôn dẻo nhớ hình cho phép gỡ vỏ từ các dương bản cong vặn như cánh của các loại cánh tâm trục cỡ nhỏ Các phương pháp này không phù hợp với chế độ nhiệt khi gia công mẫu hoá hơi nhưng 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

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 thường có thể thực hiện đơn giản dễ dàng ,bởi đối tượng 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 đường 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 chương trình gia công cần thiết được xác lập trước, lưu trữ bởi các vật mang tin sau đó nạp vào máy, lập trình gia công theo phương án đó được gọi là lập trình gia công DNC (Direct Numerical Control) - có thể hiểu đó là lập trình từ xa; Với biên dạng phức tạp như cánh của hầu hết các bơm tua bin đang lưu hành trên thị trường 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 phương thức này - người ta thường nói về vấn đề này là cần một giao diên DNC - Điểm lưu ý này

sẽ được kể đến trong tổng hợp quá trình nghiên cứu

* Có thể đưa ra những tiêu chí đầu tiên :

+ Lựa chọn máy CNC hoặc trung tâm gia công CNC 5 trục là đối tượng 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 tương đối điểm cắt (thuộc tập hợp biên dạng chi tiết) thông qua địa chỉ tuyệt đối của bàn máy và của dao Như 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 thước chi tiết gia công khi đó được 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 được 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

Những luận cứ trên là cơ sở để nhận thấy: Mô hình hình học số đã thay thế các

chuẩn gia công thông thường - 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 thường (Cũng có nghĩa là không đo kiểm bằng dụng cụ cơ khí và phép đo thông thường 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 chương sau sẽ diễn giải chi tiết các vấn đề này, đưa 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 lưới các cung cong 3D không đồng nhất (Non Uniform Rational B -Spline) như các cánh bánh công tác dạng Pelton, Turgo, cánh hướng 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 phương trục dao do độ cong 3D biến đổi; những phân tích này được đưa 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: Bước 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 thước không lớn lắm có thể thực hiện được tuy số lệnh có thể khá lớn (1000 - 100000 lệnh) Với cánh lớn (đường kính 500 - 2000mm) số đường dao có thể hạn chế với bước tiến tính bằng khoản 0,5 - 5mm cho phép vẫn bao hình tạo ra biên dạng có độ suôn chấp nhận được

Với khả năng gia công với bước mịn như 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 bước trung gian như tạo phôi, mài bóng, nhiệt luyện

Vấn đề được đặt ra ở đây là các nhà cung cấp máy CNC thường hạn chế sản xuất các máy CNC 5 trục và các phần mềm nội suy đi kèm; các nhu cầu đó chỉ được đáp ứng khi có các đơn hàng, đặc biệt cho máy gia công gam công nghiệp Được 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 Trước mắt các nghiên cứu được định hướng 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 ⊗ nhưng ưu điểm vượt trội là nó có thể gia công được các vật liệu rất cứng đã được tôi và ủ hoá già (không còn nguyên nhân dư nội lực gây biến dạng); Ngoài ra với bước xung theo phương 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

Lượng 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

Với máy 5 trục CNC trong bước triển khai dự án chế tạo cánh ứng dụng này được ghi vào chương 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 chương trình con phù hợp đặc thù sản phẩm cánh ⊗⊗ Ví dụ về tiện ích của các chương trình con có thể thấy như: chương trình con gia công bề mặt đối xứng của tua bin gáo – Lệnh gia công 1/2 bề mặt còn lại được đơn giản hoá nhờ các khối lệnh Mirror

Khi trang bị hệ CNC 5 trục thường người ta phải tính tích cực của điều hành DNC (Direct Numerical Control)

AB

Đối với máy phay CNC nói chung và CNC 5 trục nói riêng có nhiều cách bố trí phương dẫn động các trục; khi lập trình chạy dao, quỹ đạo tâm dao luôn khác quỹ đạo điểm cắt (như 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 (lưu giữ các tham số riêng biệt của máy như điểm chuẩn, bước truyền động, dải tốc độ, quán tính ) Chọn máy gia công còn phải căn cứ trên khuôn khổ chi tiết có tương 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 trường nước

+ Có tính hàn khi chế tạo theo công nghệ hàn với vành và bầu + Có tính rèn khi chế tạo theo phương 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 thường vật liệu cánh được chọn là thép 45 là loại phổ biến trên thị trường, có độ bền và độ chịu mòn tương đối cao Nhược điểm là vật liệu này có tính hàn kém (khi hàn tạo các ứng suất micro và macro tạo vùng ảnh hưởng 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 phương 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 tương đối cao như mác thép 08KΠ Tuy nhiên đây là vật liệu không phổ biến trên thị trường và có tính chảy loàng kém nếu tạo phôi bằng phương 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 như 20ΓC… Phôi được tạo từ dạng tấm hoặc đúc

Về vật liệu làm khuôn: Cho các khuôn cánh nhỏ và sản lượng chế tạo không lớn

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 như 5XMH hay SKD11…; gia công khuôn từ cac loại vật liệu có độ cứng cao này phải kết hợp phương pháp xung tia lửa điện

6.2.5 Cụ thể hoá Các bước 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 (Bước này vận dụng thực hành dò mẫu cho một số cánh thông dụng và điển hình như :

+ Cánh hướng trục mini cột nước 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

chương 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

7.1.1.1 Đặc điểm tua bin

Tua bin tia nghiêng là loại tua-bin kiểu xung kích, có kết cấu tương tự tua-bin gáo, kết cấu chính gồm vòi phun, bánh công tác Sự khác nhau ở chỗ: vị trí đặt vòi phun tạo với mặt phẳng cánh một góc α1 (α1 = 22ữ250) và tỉ số giữa đường kính trung bình cánh D1 và đường kính dòng phun nhỏ hơn tua bin gáo nhiều:

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 phương pháp hàn hoặc đúc liền

Các thông số cánh cần liên quan: → góc ra: γ2 = 12ữ150

Hình 1 Sơ đồ dòng chảy vào tua bin tia nghiêng

cu1d0

→ 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 như sau:

- Cột nước : H = 10 m - Lưu lượng : 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 - α1 = 250;

- β1= 400 ữ 800; - γ2 = 120 ữ 150

- Số cánh : Z = 22 cánh

Các biên dạng cánh thể hiện trên hình 3

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…

Vật liệu chúng tôi chọn là thép C45 Thành phần kim loại của nó theo bảng sau Bảng 1 Thành phần các

nguyên tố,%

Cơ tính sau thường hoá - Không nhỏ hơn

Độ cứng HB

Mác thép

C Mn σb N/mm2

σ0.2N/mm2

δ5,%

ψ, %

HB không lớn hơn

không nhỏ hơnC45 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 lượng tốt đáp ứng được yêu cầu đặt ra Đây là mác thép các xưởng đúc hay sử dụng để đúc các sản phẩm chịu lực

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) Như vậy có 2 phương 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 được 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 Phương pháp này chúng tôi phải tính toán để lượng dư gia công mài sau đúc từ 1,5 ữ 2 mm Để có được sản phẩm hoàn hảo, chúng tôi lựa chọn phương pháp đúc mẫu thiêu, khuôn cát - nhựa

7.1.3.1 Đặc điểm công nghệ đúc mẫu thiêu khuôn cát - nhựa

- Mẫu được 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 được 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

Có hai phương 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 Người 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 trường (loại xốp đóng hòm, đóng bảo vệ các linh kiện máy móc) Tuy vật liệu nhựa phải nhập của nước ngoài nhưng phương pháp làm khuôn đơn giản, không làm mặt phân khuôn (2 nửa) như phương pháp đóng rắn nóng

7.1.3.2 Ưu điểm của công nghệ đúc mẫu tự thiêu - khuôn cát nhựa:

Mẫu được tạo ra dễ dàng nhờ: khuôn được làm bằng kim và tháo lấy mẫu (vì mẫu cháy) Mặt khác có tính kinh tế vì cát có thể tái sinh được, 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 ưu điểm trên, việc áp dụng công nghệ này vào chế tạo cánh, nhất là cánh liền là đúng đắn

Hình 5 Ví dụ sơ đồ đúc bằng mẫu cháy

Đậu

Rót kim loạI Tạ

Nắp có

Vật Run

Bô cát

7.1.4 Phân tích công nghệ đúc cánh

7.1.4.1 Khâu chế tạo mẫu

- Việc chế tạo mẫu nhựa xốp được cơ khí hoá, dùng máy thổi nhựa xốp vào khuôn kim loại Trình tự công nghệ như sau:

Có 2 phương pháp:

+ Phương 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) Phương pháp này đòi hỏi việc lập trình chuẩn bị gia công rất công phu hoặc dựa trên các phần mềm trợ giúp đắt tiền

+ Phương pháp thứ 2 - theo truyền thống; dễ làm, chúng tôi chọn phương án này áp dụng trong giai đoạn thử nghiệm

- Bước 1:

Chế tạo mẫu mô hình - các kích thước, 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 được làm bằng gỗ hoặc bằng nhựa ebôxy trộn với xi măng, thực hiện bằng thủ công, có đường kiểm tra độ chính xác Độ bóng đạt ∇4

Hình 6 Khuôn chế tạo mẫu thực

- Bước 2:

Tạo khuôn kim loại Trước 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 Phương pháp gia công này gọi là phương pháp chép hình Khuôn kim loại được gia công rất chính xác và giống hệt khuôn thạch cao Vật liệu khuôn bằng hợp kim nhôm Khuôn kim loại được hoàn thiện với độ bóng rất cao

Hiện nay phương pháp tạo khuôn này rất phổ biến - dễ làm và giá thành chấp nhận được

Hình 7 Mô hình bộ khuôn kim loại

- Bước 3:

Khi chế tạo khuôn kim loại - chú ý phải tạo ra 1 lỗ, kích thước tính toán sao cho phù hợp với máy tạo mẫu xốp - tự thiêu Đưa 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 lượng mẫu được tính bằng số lượng lá cánh cần thiết Tuy vậy phòng khi sự cố khi đúc, người ta thường đúc thêm 3 ữ 4 mẫu

- Bước 4: Sơn phủ bề mặt mẫu xốp

Sau khi có được 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 được 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 như 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 được nhẵn đẹp thì cát lựa chọn phải mịn, đều cỡ hạt nhỏ hơn 0,1 ữ 0,2mm

- Đưa mẫu vào hòm khuôn, tuỳ theo kích thước 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 được 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 được khuyết tật do rỗ khí gây ra Bề mặt vật đúc nhẵn đẹp Đây cũng là ưu điểm của hỗn hợp khuôn cát - nhựa này

Hình 8 Sơ đồ đúc cánh rời tua bin tia nghiêng

Đậu rót

Cánh đúc

Cát nhựa

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