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.
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.
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 phun tạo với mặt phẳng cánh một góc α1 (α1 = 22ữ250) và tỉ số giữa đ−ờng kính trung bình cánh D1 và đ−ờng kính dòng phun nhỏ hơn tua bin gáo nhiều:
9 5 , 3 1 = ữ o d D
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:
→ góc ra: γ2 = 12ữ150
Hình 1. Sơ đồ dòng chảy vào tua bin tia nghiêng
c2 u w2 cu2 α2 β2 β1 α 1 w1 c1 u cu1 d0
→ 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 - α1 = 250;
- β1= 400ữ 800; - γ2 = 120 ữ 150
- Số cánh : Z = 22 cánh.
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 th−ờng hoá - Không nhỏ hơn Độ cứng HB ak kJ/m2 Mác thép C Mn σb N/mm2 σ0.2 N/mm2 δ5, % ψ, % HB không lớn hơn không 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
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.
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 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.
- 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 .
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.
Hình 8. Sơ đồ đúc cánh rời tua bin tia nghiêng.
Đậu rót
Cánh đúc
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
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 lá cánh. Để đảm bảo góc vào và ra của lá cánh đúng nh− thiết kế (β1 = 40 ữ 800; 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