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

trong khuôn kín ; trong tr−ờng Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 53 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: 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: 1 2 3 4 5 6 8 7 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 54 *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 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 55 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 . Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 56 Sơ đồ sau : 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. Không còn khe hở Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 57 + 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 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 58 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. ống PU Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 59 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: Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 60 + 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 : 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 vùng lòng cánh Vùng gán Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 61 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 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 62 - 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 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 63 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. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 64 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 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 65 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 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 66 ở đây ta không đi sâu vào phân tích và tính toán các lực này, ta đ−a ra một số giả thiết để tính bền cho lá cánh ở điều kiện bất lợi nhất. - BCT chịu toàn bộ tác dụng của cột n−ớc tác dụng lên nó: )( 4 . 221 bH DDPP −= π (9.1) PH - áp lực ở cột n−ớc lớn nhất (4m) - Các lá cánh chịu lực đều nhau: 4 PPl = (9.2) - Lá cánh là một dầm công sôn chịu lực Pl tại điểm xa nhất. Hình 23. Sơ đồ chịu lực của lá cánh BCT tua bin h−ớng trục - Giả thiết mặt lá cánh vuông góc với trục bầu, mặt cắt nguy hiểm nhất tại vị trí sát bầu có kích th−ớc là: Hình 24. Sơ đồ mặt cắt chịu lực nguy hiểm nhất của lá cánh BCT tua bin h−ớng trục Trong đó: h: Chiều dày trung bình của tiết diện sát bầu b: Chiều rộng trung bình của tiết diện sát bầu Ta có mô men lớn nhất tại mặt cắt sát bầu: ) 22 .( 1max b l DDPM −= (9.3) Từ đó xác định đ−ợc ứng suất nguy hiểm: ỹn y y JE M . . max max =σ (9.4) ) 22 ( 1 b DD − Pl h b z y Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 67 Trong đó: 12 . 3hbJ y = 2 hyỹn = E: mô đun đàn hồi vật liệu. Nếu biết đ−ợc vật liệu, kết hợp với kích th−ớc của BCT, ta sẽ xác định đ−ợc ứng suất nguy hiểm. Từ đó ta có thể kết luận đ−ợc vật liệu có thích hợp hay không. 9.2.2. Lựa chọn vật liệu: Từ điều kiện làm việc của BCT đã chọn, ta thấy rằng nếu chọn vật liệu là gang xám GX 21 - 40 có: Độ bền kéo cho phép: [σ]k = 21 kg/mm2 Độ bền uốn cho phép: [σ]u = 40 kg/mm2 Thay vào công thức (4.4) ta có : σkmax =9,78 kg/mm2 << [σ]k=21 kg/mm2 σumax =9,78 kg/mm2 << [σ]u=40 kg/mm2 Nh− vậy, về mặt cơ tính vật liệu gang xám GX 21- 40 hoàn toàn phù hợp. Đây là vật liệu rất phổ biến và rẻ tiền nên giá thành của sản phẩm sẽ thấp phù hợp với điều kiện kinh tế hiện tại của chúng ta. Vật liệu GX 21 - 40 có thành phần cơ bản trong bảng sau: Bảng4. Thành phần hoá học của gang xám GX 21-40 Các bon C Si lic Si Măng gan Mn Phốt pho P L−u huỳnh S 2.8 -3,2 1,1-1,8 0,6-1,2 0,35 0,12 Vật liệu GX 21 - 40 có tính công nghệ đúc tốt: Nhiệt độ nóng chảy t−ơng đối thấp. - Độ chảy loãng cao, có thể đúc đ−ợc các sản phẩm có chiều dày thay đổi lớn. - Thích hợp với nhiều ph−ơng pháp đúc khác nhau. Đối với gia công cơ, vật liệu GX 21 - 40 cũng cho phép gia công đơn giản bằng các vật liệu dao cắt thông th−ờng. Có thể gia công trên tất cả các các máy công cụ. Do vậy có thể gia công chế tạo ở bất kỳ x−ởng gia công cơ khí nào. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 68 Tóm lại, trong điều kiện làm việc thông th−ờng của BCT tua bin h−ớng trục cột n−ớc thấp (≤ 4m) có D1 =300mm, vật liệu chế tạo là gang xám GX 21 - 40 là rất phù hợp cả về kinh tế và kỹ thuật. Sau đây chúng tôi đi sâu vào trình bày các nghiên cứu quy trình công nghệ gia công, chế tạo BCT này với vật liệu đã chọn ở trên. 93. Quy trình công nghệ. 9.3.1. Tạo phôi bằng ph−ơng pháp đúc. Tất cả các BCT tua bin nói chung khi tạo phôi liền thì một điều hết sức quan trọng là phải đảm bảo các kích th−ớc hình dạng, sự t−ơng quan, chất l−ợng bề mặt lá cánh cũng nh− toàn bộ các bộ phận dẫn dòng mà sau khi tạo phôi sẽ khó hoặc không thể gia công đ−ợc. Cụ thể, đối với BCT ta đang xét, đ−ờng kính ngoài của bầu, hình dạng các mặt cắt lá cánh, chất l−ợng bề mặt lá cánh đều rất khó gia công (chỉ có thể mài sửa bằng ph−ơng pháp thủ công, năng suất rất thấp, độ chính xác kém). Do đó trong điều kiện công nghệ cho phép, cần phải tạo đ−ợc độ chính xác tối đa khi chế tạo phôi. Điều đó đặt ra vấn đề là phải chọn đ−ợc ph−ơng pháp đúc thích hợp đảm bảo giá thành chấp nhận đ−ợc mà vẫn đảm bảo đ−ợc các yêu cầu đặt ra. Tr−ớc đây các công nghệ đúc hiện đại cho độ chính xác cao ch−a đ−ợc áp dụng vào sản xuất ở n−ớc ta, BCT tua bin th−ờng đ−ợc đúc theo ph−ơng pháp cổ điển trong khuôn cát - đất sét. Ph−ơng pháp đúc này có đặc điểm là: Mẫu (th−ờng chế tạo bằng gỗ) làm bằng ph−ơng pháp thủ công từ bản vẽ các biên dạng lá cánh. Từ bộ mẫu gỗ (giống hệt chi tiết thật) này, tiến hành làm các hộp khuôn và thao bằng hỗn hợp cát đất sét ẩm, bề mặt của khuôn và thao đ−ợc quét một lớp n−ớc thuỷ tinh hoặc sơn bằng bột phấn chì. Sau khi sấy khô chúng đ−ợc ghép với nhau và tiến hành rót kim loại lỏng vào. Ph−ơng pháp trên có −u điểm là đơn giản, dễ áp dụng, giá thành rẻ. Nh−ợc điểm cơ bản của ph−ơng pháp này là không đạt đ−ợc độ chính xác cao về hình dạng và kích th−ớc các bề mặt không gia công (đây lại là các phần làm việc trực tiếp với n−ớc và ảnh h−ởng trực tiếp đến hiệu suất của tua bin). Các sai số gồm rất nhiều yếu tố cấu thành mà chúng rất khó kiểm soát nh−: Sự biến dạng của mẫu theo thời tiết (nhiệt độ và độ ẩm), sự biến dạng của khuôn khi sấy khô, tay nghề của công nhân làm khuôn…. Hiện nay, một số công nghệ đúc tiên tiến đã đ−ợc triển khai sản xuất ở n−ớc ta. Tuy giá thành sản phẩm ch−a đ−ợc rẻ nh−ng các ph−ơng pháp đúc mới này đã khắc Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 69 phục đ−ợc các nh−ợc điểm của ph−ơng pháp cổ điển, cho độ chính xác và chất l−ợng bề mặt khá cao. Một vài ph−ơng pháp đúc đó: Ph−ơng pháp đúc bằng khuôn cát nhựa (Furan), ph−ơng pháp đúc mẫu chảy, ph−ơng pháp đúc bằng mẫu cháy…. Qua nghiên cứu các ph−ơng pháp đúc trên, chúng tôi thấy rằng ph−ơng pháp đúc bằng mẫu cháy là thích hợp hơn cả cho công nghệ chế tạo BCT tua bin h−ớng trục. Ph−ơng pháp này t−ơng đối đơn giản, ít bị ảnh h−ởng của yếu tố tay nghề thợ làm khuôn, do đó cho sản phảm chất l−ợng t−ơng đối tốt và ổn định. Đặc biệt trong sản xuất hàng loạt, ph−ơng pháp này cho giá thành khá thấp phù hợp với tình hình kinh tế hiện tại. Tóm tắt qui trình công nghệ đúc mẫu cháy gồm các công đoạn sau: Chế tạo mẫu bằng nhựa Pôlystirôn hoặc Polyurethan xốp nhẹ, sơn mẫu, đặt mẫu vào hòm khuôn, đổ đầy cát trắng khô, hút chân không hòm khuôn và rót kim loại lỏng. Sau đây, chúng tôi sẽ trình bày chi tiết quy trình công nghệ chế tạo chi tiết cho sản phẩm BCT tua bin h−ớng trục 300 mm. 9.3.1.1. Chế tạo mẫu. Để đơn giản và giảm giá thành sản phẩm, mẫu đ−ợc chia thành hai phần: Bầu và lá cánh. Sau khi chế tạo chúng đ−ợc liên kết với nhau bằng keo dính. - Chế tạo mẫu bầu: Trong tr−ờng hợp sản xuất loại nhỏ, mẫu bầu có thể chế tạo bằng ph−ơng pháp cắt bằng dây đốt để giảm giá thành chế tạo khuôn ép. Vật liệu xốp đ−ợc ép tr−ớc hoặc mua trên thị tr−ờng dạng khối (0,5 hoặc 1m3). Sau đó đ−ợc cắt nhỏ và tạo thành phôi mẫu bầu cánh bằng sợi đốt (nh− hình 26). Hình 25. Kích th−ớc mẫu bầu Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 70 Sợi dây điện trở có đ−ờng kính 0,2 mm đ−ợc nối với một nguồn điện có điện áp 20 ữ 30V và nó đ−ợc đốt nóng đỏ để có thể cắt đ−ợc dễ dàng vật liệu xốp. Sợi đốt này đ−ợc đặt theo một góc nào đó với mâm quay (hoặc bàn cố định). Khi phôi chuyển động thẳng, dây cắt sẽ tạo nên một mặt phẳng, còn khi phôi quay sẽ tạo nên các mặt nón hoặc trụ. Với sản xuất hàng loạt lớn, mẫu bầu cũng có thể dùng ph−ơng pháp ép từ hạt nhựa xốp nh− hình 27. Chi tiết công nghệ ép mẫu bầu giống nh− công nghệ ép mẫu lá cánh (sẽ đ−ợc trình bày trong phần sau). Vì mẫu bầu có hình dạng đơn giản do đó khi ép mẫu bầu chế tạo bằng vật liệu nhôm hợp kim (yêu cầu có độ giãn nở nhiệt thấp) và gia công bằng ph−ơng pháp thông th−ờng. - Chế tạo mẫu lá cánh: Hình 26. Chế tạo mẫu bầu bằng sợi đốt Hình 27. Chế tạo mẫu bầu bằng ph−ơng pháp ép từ hạt nhựa Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 71 Mẫu lá cánh đòi hỏi độ chính xác cao về hình dạng kích th−ớc, do đó bộ mẫu để ép lá cánh cũng cần phải đ−ợc gia công chế tạo chính xác đồng thời qua quá trình đúc mẫu lá cánh cũng phải đạt một độ cứng nhất định để đạt độ bóng bề mặt sản phẩm sau khi đúc đồng thời khi đổ cát vào hòm khuôn nó không bị biến dạng. Ng−ợc lại nếu mẫu đ−ợc ép quá cứng thì quá trình cháy khi sinh nhiều không thoát kịp lại gây khuyết tật đúc. Để tìm độ ép chặt mẫu lá cánh hợp lý, cần dựa vào thực nghiệm, cũng giống nh− khuôn ép mẫu bầu, khuôn ép mẫu cánh phải đ−ợc chế tạo bằng vật liệu hợp kim nhôm có độ giãn nở nhiệt thấp. Khuôn ép mẫu lá cánh có thể đ−ợc sản xuất thủ công để đạt đ−ợc các tiết diện lá cánh theo yêu cầu. Ph−ơng pháp này yêu cầu một bộ d−ỡng kiểm chính xác hoặc dùng một đầu dò mẫu để kiểm tra các toạ độ tại các mặt cắt bằng máy vi tính với phần mềm AUTOCAD (xem hình 10). Hiện nay, với các máy tổ hợp gia công tự động (CNC), chúng ta có thể chế tạo đ−ợc các mẫu ép lá cánh chính xác hơn. Một điều cần chú ý là khi chế tạo các khuôn ép mẫu bầu và mẫu cánh cần phải có kể đến độ co ngót của mẫu cũng nh− của sản phẩm đúc cuối cùng để tăng kích th−ớc của khuôn ép. Điều này có thể xác định dựa trên thực nghiệm hoặc tính theo kinh nghiệm đúc gang xám (độ co ngót của sản phẩm khoảng 1%). Quy trình ép lá cánh đ−ợc tiến hành nh− sau: - Xác định l−ợng vật liệu để ép lá cánh: ở trên, ta đã phân tích về độ ép chặt của mẫu bầu và mẫu lá cánh có ảnh h−ởng đến chất l−ợng sản phẩm đúc. Do đó l−ợng vật liệu (hạt nhựa) để ép mẫu cần phải đ−ợc xác định hợp lý. Mặt khác, để độ chặt của vật liệu xốp đ−ợc đều ở mọi vị trí thì Hình 28. Kiểm tra khuôn ép lá cánh bằng bộ dò mẫu Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 72 l−ợng hạt ban đầu cần phải đầy thể tích khuôn ép. Nh− vậy hạt nhựa cần phải đ−ợc nở sơ bộ để đủ l−ợng vừa đầy khuôn ép tr−ớc khi vào lò ép (nh− hình 29). - Quá trình ép mẫu: Sau khi vật liệu đã cho đầy đủ vào khuôn ép, hai nửa khuôn đ−ợc liên kết chặt chẽ với nhau, lỗ thả hạt nhựa đ−ợc bịt chặt lại. Khuôn ép đ−ợc đ−a vào lò ép có nhiệt độ từ 200 ữ 350oC. Sau khi khuôn ép và hạt nhựa nóng đều, các hạt nhựa sẽ nở bung ra và liên kết chặt lại với nhau. Làm mát khuôn trở lại trạng thái bình th−ờng và lấy mẫu ra khỏi khuôn. Trong sản xuất hàng loạt, khuôn ép đ−ợc gắn liền với máy ép cho năng suất cao. - Hoàn thiện mẫu BXCT. Sau khi đã sản xuất đ−ợc các mẫu bầu và mẫu cánh, cào mẫu cánh sẽ đ−ợc dán lên mẫu bầu để tạo ra một mẫu BCT hoàn chỉnh. Vì mẫu cánh đòi hỏi chính xác vị trí và góc đặt của các lá cánh nên quá trình dán mẫu lá cánh lên mẫu bầu phải có một bộ d−ỡng để định vị trí bầu và các lá cánh. Bộ d−ỡng lá cánh mẫu bao gồm: 01 trục đỡ để định mẫu bầu 04 khối kê lá cánh chia đều quanh trục định vị mẫu bầu, 4 khối kê này có biến dạng mặt trên giống biến dạng của l−ng mẫu lá cánh. Hình 29. ép mẫu lá cánh từ hạt nhựa Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 73 9.3.1.2. Sơn mẫu. Vật liệu sơn mẫu có ảnh h−ởng quyết định đến chất l−ợng bề mặt của sản phẩm. Dung dịch sơn mẫu có dạng bột n−ớc mịn sau khi khô lớp vật liệu này chính là khuôn để tạo ra sản phẩm sau này. Nó có tác dụng chịu nhiệt cao làm cho bề mặt sản phẩm không bị cháy và dính cát, đồng thời có khả năng cho thoát l−ợng khí mà mẫu khi cháy sinh ra. Do đặc điểm trên, độ dày của lớp sơn trên mẫu cần phải đ−ợc xác định và đều trên toàn bộ bề mặt của mẫu để đảm bảo thoát hết l−ợng khí do mẫu cháy gây ra. Hiện nay, loại sơn mẫu Z do Anh sản xuất đ−ợc sử dụng t−ơng đối phổ biến cho chất l−ợng khá cao. 9.1.3.3. Quá trình làm khuôn. Ph−ơng pháp đúc mẫu cháy có thể thực hiện bằng khuôn cát nhựa, khuôn cát th−ờng, tuy nhiên các ph−ơng pháp này đều không kinh tế và có thể ảnh h−ởng xấu đến chất l−ợng sản phẩm vì trong quá trình làm sạch cát (rung) có thể gây sai số do các lá cánh của mẫu bị biến dạng. Hình 30. Dán mẫu lá cánh lên mẫu bầu Hình 31. Sơn mẫu tr−ớc khi đú Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 74 ở đây, ta lựa chọn ph−ơng pháp làm khuôn bằng cát khô mịn. Hòm khuôn có cấu tạo kín để khi đúc có thể hút chân không trong hòm. Quá trình làm khuôn nh− sau: Cát trắng khô (hạt nhỏ mịn) đ−ợc đ−a vào trong hòm khuôn cùng với mẫu và hệ thống đậu rót và đậu ngót. Hiện nay th−ờng sử dụng loại cát trắng đ−ợc khai thác tại Đà Nẵng. Vì hạt cát khô và nhỏ nên chúng đều điền đầy giữa khuôn và mẫu một cách dễ dàng. Sau khi điền đầy, hòm khuôn đ−ợc đậy kín lại để tiến hành quá trình rót gang lỏng. 1 - Mẫu BCT; 2 - Đậu ngót; 3 - Đậu rót; 4 - Nắp hòm khuôn; 5 - Thân hòm khuôn; 6 - Cát trắng khô mịn; 7 - Các lỗ để hút chân không; 8 - Buồng hút chân không; 9 - Đ−ờng dẫn để hút chân không; 10 - Bơm chân không; 11 - Bể n−ớc; 12 - Đồng hồ đo mức chân không; 13 - Van điều chỉnh mức chân không. 9.3.1.4. Quá trình nấu luyện. Tr−ớc đây việc nấu luyện gang lỏng th−ờng thực hiện bằng lò than. Việc điều chỉnh thành phần kim loại và nhiệt độ gang lỏng rất khó khăn. chúng phụ thuộc vào chất l−ợng của than luyện, không thể xác định tr−ớc đ−ợc. Ngoài ra, trong thành phần kim loại lỏng chứa nhiều nguyên tố nh− l−u huỳnh, phốt pho… và xỉ lò làm cho chất l−ợng sản phẩm đúc kém. Hiện nay, việc nấu luyện bằng lò điện (lò trung tần, lò hồ quay…) đã khắc phục đ−ợc các nh−ợc điểm của lò than. Nó cho chất l−ợng sản phẩm tốt và tỷ lệ hỏng Hình 32. Sơ đồ đúc theo ph−ơng pháp mẫu cháy Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 75 thấp. Với ph−ơng pháp đúc bằng mẫu cháy, do chi phí sản xuất mẫu, hòm khuôn và hút chân không khá cao nên cần phải giảm tỷ lệ hỏng xuống tối thiểu nhằm giảm giá thành sản phẩm. Do vậy với công nghệ này cần chọn lò điện để nấu và cần có hệ thống phân tích nhanh để phân tích kết quả nấu luyện nhằm ổn định chất l−ợng sản phẩm. Đối với gang xám GX 21- 40, nhiệt độ hợp lý để rót của gang lỏng đ−ợc tra trong các tài liệu kỹ thuật. - Quá trình rót gang lỏng: Vì hòm khuôn đ−ợc điền đầy bằng cát khô hạt mịn, do đó để nó độ cứng vững khi rót kim loại lỏng vào, cần phải hút chân không trong hòm khuôn. Độ chân không cần thiết xác định theo thực nghiệm. Sau khi hòm khuôn và lò nấu luyện đã sẵn sàng, tiến hành rót kim loại lỏng vào trong khuôn. Tốc độ rót kim loại lỏng phải xác định hợp lý để đạt độ điền đầy và thoát hết khí do mẫu cháy sinh ra. 9.3.1.5. Dỡ khuôn và làm sạnh. Sau khi rót, khi sản phẩm đủ thời gian để nguội thì tiến hành rỡ khuôn. Việc rỡ khuôn rất đơn giản vì cát khô sau khi ngừng hút chân không thì sẽ rời ra. Tháo nắp hòm khuôn và lấy chi tiết ra. Cát sau khi đúc cần đ−ợc sàng, tuyển để đ−a vào sử dụng lại. Sản phẩm đúc sau khi cắt ba via đ−ợc đ−a vào buồng phun bi để làm sạch và cải thiện thêm chất l−ợng bề mặt. Hình 33. Sơ đồ làm sạch bằng ph−ơng pháp phun bi Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 76 Tr−ớc khi gi công cơ khí, phôi đúc có thể đ−ợc ủ để ổnh định tinh thể kim loại khử ứng suất d− trong tr−ờng hợp cần thiết. 9.3.2. Gia công cơ khí. Các kích th−ớc cần gia công cơ khí trên BXCT TB HT 300 mm có thể gia công dễ dàng bằng các máy công cụ thông th−ờng. Sau đây là các nguyên công: 9.3.2.1. Nguyên công 1: - Tiện đ−ờng kính D1 = 300 mm; thực hiện trên máy tiện T630 Theo yêu cầu kỹ thuật của bản vẽ thiết kế, các kích th−ớc sau đây cần có độ đồng tâm cao so với nhau: + Đ−ờng kính BCT (C) D1 = 300 mm + Đ−ờng kính lắp trục(A): φ 35 js6 + Đ−ờng kính lắp chóp(B): φ 90H7 Các mặt phẳng (D) và (E) yêu cầu vuông góc với tâm cao. Do đó, trong nguyên công này cần phải gia công để đạt tất cả các kích th−ớc trên trong cùng một lần gá. d Hình 34. Các kích th−ớc cần gia công Hình 35. Tiện nguyên công 1 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 77 Chuẩn gá và chuẩn gia công thô đ−ợc chọn nh− hình 35. - Tiện thô (tiện phá): Trình tự tiện phá nh− sau: (l−ợng d− sau khi tiện thô của cá kích th−ớc là 0,5 mm) + Tiện KT D1 = 300 mm + Xén mặt đầu (E) + Tạo mặt (D) + Tiện KT φ 90H7 - Tiện tinh: Trình tự tiện tinh cũng giống nh− tiện thô. Hai kích th−ớc φ 35H7 & φ 90H7 cần phải để l−ợng d− để cạo và đánh bóng (khoảng 0,5 mm) để đạt độ bóng theo yêu cầu. Các kích th−ớc φ35H7 & φ90H7 cần phải đo kiểm tra bằng đồng hồ so có sai số cho phép 0,01 mm. Các kích th−ớc khác dùng th−ớc cặp với sai số cho phép 0,02 mm. 9.3.3.2. Nguyên công 2 (tiện mặt sau): Gia công trên máy tiện T630 Sau nguyên công 1, đảo đầu chi tiết định vị t−ơng tự nguyên công 1. Chuẩn rà là các kích th−ớc tinh (C) D1 = 300 mm và(A) φ35H7. Yêu cầu kỹ thuật gia công của các kích th−ớc mặt sau yêu cầu thấp nên có thể rà bằng mũi rà. 9.3.3.3. Nguyên công 3: Xọc rãnh then, thực hiện trên máy xọc đứng 7414 Chuẩn định vị chi tiết trên bàn máy xọc là mặt phẳng E và kích th−ớc φ90H7 (có độ vuông góc và đồng tâm cao). Chi tiết đ−ợc kẹp chặt trên bàn máy xọc và định tâm với tâm trục của trục máy xọc. Quá trình xọc bàn sẽ chuyển động tịnh tiến để đạt đ−ợc kích th−ớc yêu cầu. Hình 36. Tiện nguyên công 2 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 78 9.3.2.4. Nguyên công 4: Khoan, ta rô 2 lỗ M10 trên máy khoan cần 2H55 ∗ B−ớc 1: Khoan lỗ φ 8,5 sâu. Dùng chốt định vị sau khi khoan lỗ 1. ∗ B−ớc 2: Ta rô lỗ M10. 9.3.3. Hoàn thiện BCT. 9.3.3.1. Mài sửa: Trong quá trình đúc, trên các bề mặt không gia công sẽ không tránh khỏi các khuyết tật nhỏ. Sau khi gia công cơ khí cần phải mài sửa lại các khuyết tật này bằng máy mài cầm tay. Dùng loại đá mềm để đánh bóng bề mặt lá cánh sau khi đã mài sửa các khuyết tật. Hình 37. Sơ đồ nguyên công xọc rãnh then Hình 38. Sơ đồ nguyên công khoan, ta rô 2 lỗ M10 Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 79 9.3.3.2. Cân bằng tĩnh: Do BCT TB h−ớng trục có tỷ số L/D nhỏ nếu tr−ớc khi đ−a vào hoạt động chỉ cần cân bằng tĩnh với sai số cho phép 0,5 gr/100 mm. Quá trình cân bằng thể hiện trên hình 15. Nếu BCT mất cân bằng, phần nặng do tác dụng của trọng lực sẽ bị kéo xuống phía d−ới. Để bù lại l−ợng mất cân bằng này, dùng một khối l−ợng phụ đặt lên phía đối diện của BXCT. Quá trình làm nh− vậy với việc tăng hoặc giảm dần khối l−ợng bù đến khi BXCT dừng ở một điểm bất kỳ sẽ dừng việc cân bằng lại và tính toán khối l−ợng bù theo sự cân bằng mômem, để xác định l−ợng kim loại cần phải bớt đi để BXCT đ−ợc cân bằng. L−ợng bớt đi này đ−ợc lấy ở phần bầu. Hình 40. Sơ đồ nguyên công cân bằng tĩnh Hình 39. Mài sửa lá cánh Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 80 9.3.4. Kiểm tra chất l−ợng sản phẩm: 9.3.4.1. Chất l−ợng vật liệu. Chất l−ợng vật liệu chế tạo BCT đ−ợc kiểm tra thử các ứng suất cho phép bằng các mẫu của mỗi mẻ đúc sản phẩm. Thành phần vật liệu đã đ−ợc xác định trong phân tích nhanh tr−ớc khi rót kim loại. Khả năng chịu lực đ−ợc xác định theo mẫu thử. 9.3.4.2. Kiểm tra các kích th−ớc gia công cơ: Các kích th−ớc gia công cơ khí đ−ợc kiểm tra bằng các dụng cụ thông th−ờng nh−: - Th−ớc cặp có độ CX 0,02 mm - Pam me có độ CX 0,005 mm - Đồng hồ so có độ CX 0,005 mm - Mẫu đo độ bóng… Hình dạng hình học của lá cánh có thể kiểm tra bằng d−ỡng kiểm. Trong điều kiện có thể, sẽ kiểm tra sắc xuất các sản phẩm bằng máy dò mẫu ( nh− đã trình bầy trong phần chế tạo khuôn ép mẫu lá cánh ). 9.4. Đánh giá công nghệ. Sau quá trình nghiên chi tiết công nghệ cế tạo BCT tua bin h−ớng trục 300 mm bằng ph−ơng pháp tạo phôi đúc dùng công mẫu cháy, chúng tôi đi đến kết luận: - Đây là quy trình công nghệ hiện đại, phù hợp với điều kiện hiện tại của Việt Nam. Quy trình công nghệ này có thể áp dụng ở nhiều nhà máy cơ khí trên toàn Hình 41. Vị trí khoan lấy đi l−ợng mất cân bằng Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 81 quốc. - Chất l−ợng sản phẩm cao, dễ tiêu chuẩn hoá và ít bị ảnh h−ởng của các yếu tố chủ quan. Do đó sản phẩm có chất l−ợng ổn định, tỷ lệ hỏng thấp, giá thành chế tạo giảm. - Nếu đ−ợc đ−a vào sản xuất hàng loạt , công nghệ này sẽ mang lại năng suất lao động và hiệu quả kinh tế cao. Giá thành tổ máy hạ phù hợp với điều kiện kinh tế của ng−ời dân vùng đồi núi hiện tại. Nó sẽ góp phần phát triển cơ sở hạ tầng, cải thiện đời sống nhân dân, phát triển sản xuất vùng núi góp phần thực hiên công cuộc xoá đói, giảm nghèo mà Đảng và chính phủ đề ra. Ngoài ra sản phẩm còn có thể xuất khẩu ra n−ớc ngoài thu ngoại tệ làm giàu cho đất n−ớc. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 82 Ch−ơng X : Công nghệ chế tạo BCT tuabin h−ớng trục cực nhỏ cột n−ớc thấp 10.1. Tổng quan về công nghệ luyện kim bột và ứng dụng ở Việt nam 10.1.1. Công nghệ luyện kim bột. 10.1.1.1. Tổng quan chung: Bằng ph−ơng pháp luyện kim bột hiện nay có thể nhận đ−ợc các hợp chất, hợp kim, hoặc các hỗn hợp có thành phần phức tạp, có cơ lý tính cao và các hợp chất đặc biệt khác mà bằng ph−ơng pháp luyện kim truyền thống rất khó tạo ra. Ưu điểm nổi bật của công nghệ luyện kim bột là đáp ứng đ−ợc hai mặt đối lập của vật liệu đó là: Khả năng đáp ứng đ−ợc mức độ dị thể cao, đồng thời đảm bảo đ−ợc tính chất đồng thể về mặt cấu trúc và thành phần vật liệu. Sự phát triển của ngành luyện kim bột gắn liền với quá trình phát triển ứng dụng các vật liệu vô cơ mới có tính chất cơ lý hoá đặc biệt. Các quá trình luyện kim bột còn cho phép nhận đ−ợc nhiều sản phẩm rắn ở trạng thái mới có chất l−ợng cao, đáp ứng đ−ợc các yêu cầu về tính chất vật lý, đồng thời giảm đáng kể sự gây ô nhiễm môi tr−ờng do công nghệ xử lý phôi xét về mặt nguyên tắc là rất sạch so với luyện kim truyền thống, vì dùng hiđrô và điện năng làm nguồn năng l−ợng chính cho quy trình đó. Trong 10 - 15 năm gần đây , b−ớc phát triển đột phá của ngành luyện kim bột đ−ợc đánh dấu bằng sự phát triển của côngh nghệ mới để chế tạo chi tiết, kết cấu dùng vật liệu mới dạng bột. Nhờ đó ngành chế tạo máy thật sự tạo ra giá trị mới cho các chi tiết máy mà các ph−ơng pháp công nghệ khác không thể nhận đ−ợc . ở các n−ớc phát triển, có đến 75% công suất của các ngành luyện kim bột là bột sắt, thép chất l−ợng cao. Trong đó 85% tổng sản l−ợng dùng để chế tạo các chi tiết kết cấu, 60% số chi tiết đó đ−ợc dùng trong công nghiệp chế tạo ô tô. Mặc dù khôí l−ợng chi tiết đ−ợc chế tạo bằng công nghệ luyện kim bột chiếm tới tỷ trọng t−ơng đối nhỏ so với khối l−ợng ô tô, nh−ng chúng có chức năng đặc biệt mà các vật liệu khác không thể thay thế đ−ợc . Ví dụ ở Nhật Bản, ng−ời ta đã áp dụng vật liêụ gốm trong các động cơ ô tô .Các chi tiết máy chế tạo theo công nghệ luyện kim bột từ hợp chất của sắt, đặc biệt thép không rỉ, thép hợp kim đặc biệt hiện nay đang d−ợc đ−ợc sử dụng ngày càng tăng về số l−ợng, thể loại trong các máy móc . Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 83 10.1.1.2. Ưu điểm của công nghệ luyện kim bột. Sản xuất các chi tiết máy theo công nghệ luyện kim thông th−ờng cho hệ số sử dụng kim loại rất thấp, chỉ bằng xấp xỉ 0,5. Nhiều tr−ờng hợp khi sử dụng thép hợp kim đặc biệt , hệ số này chỉ còn khoảng 0,05. Với các vật liệu có tính năng sử dụng t−ơng tự, chi tiết máy chế tạo theo công nghệ luyện kim bột cho phép nâng cao hệ số sử dụng lên tới 5 lần. Ngoài ý nghĩa về kinh tế, phải kể đến chất l−ợng các chi tiết máy chế tạo theo công nghệ luyện kim bột, có tuổi thọ th−ờng cao hơn so với các chi tiết đ−ợc chế tạo theo công nghệ đúc từ 2 lần ( đối với các thiết bị thuỷ lực) và 5 lần ( đối với thép gió). Giảm mất mát kim loại d−ới dạng phoi khi gia công cơ khí cũng nh− luyện sản phẩm ở khâu trung gian vì không phải cắt bỏ đầu mẩu nh− khi đúc. Do có thể loại bỏ hoàn toàn hoặc phần lớn các công đoạn trong quy trình trong công nghệ chế tạo chi tiết máy khi gia công cơ khí ( th−ờng chiếm khoảng 60%), làm cho các chi tiết luyện kim bột có thể có giá thành chế tạo rẻ hơn tới 3 lần. Tiết kiệm kim loại màu , kim loaị quí hiếm đáng kể là −u điểm nổi bật cảu công nghệ luyện kim bột. Vì trong các hợp kim đặc biệt, l−ợng kim loại quý bị mất mát trong quá trình nấu luyện và gia công cơ khí chỉ thu hồi đ−ợc ở mức độ rất thấp. Ví dụ khi chuyển 1000 tấn chi tiết máy chế tạo từ thép bằng công nghệ luyện kim truyền thống sang công nghệ luyện kim bột có thể tiết kiệm đến 240.000 USD. Do các −u điểm trên, ngành công nghệ luyện kim bột đang ngày càng phát triển rất nhanh. Theo thống kê của nhiều nhà ngiên cứu Mỹ và Nhât Bản cứ 10 năm, sản l−ợng kim loại bột tăng thêm khoảng 2 lần. Dự báo tổng sản l−ợng kim loại bột đến năm 2000 đạt 15 đến 18 tỷ USD giá trị th−ơng mại. Nh− vậy ngành luyện kim bột đã và đang rất phát triển bên cạnh các ngành luyện kim truyền thống. Ngành luyện kim dạng bột là ngành luyện kim mới của thế kỷ 21. Phạm vi ứng dụng của công nghệ luyện kim bột rất đa dạng: Ngoài việc chế tạo các chi tiết máy trong ngành chế tạo ô tô ( bánh răng hộp số…), nhiều sản phẩm cơ khí làm bằng thép hợp kim, thép các bon, thép gió, hợp kim cứng làm dụng cụ cắt gọt vật liệu chịu mài mòn, vật liệu ma sát, vật liệu dùng trong điện công nghiệp… dựa trên cơ sở bột sắt, bột đồng dạng đơn kim hoặc hợp kim đa nguyên. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 84 10.1.1.3. Qui trình công nghệ luyện kim bộ. Việc áp dụng công nghệ luyện kim bột chế tạo các chi tiết máy từ bột sắt và hợp kim đ−ợc tiến hành theo 2 h−ớng: - Tạo bột sắt và hợp kim của nó ặ Nghiền trộn phối liệu tạo hỗn hợp bột sắt với các bột hợp kim hoá khác ặ ép tạo phôi chi tiết ặThiêu kết vật ép ặ ép nóng tinh chỉnh ặ Gia công hoá - nhiệt (nếu cần) ặKiểm tra bao gói sản phẩm. - Tạo bột sắt và hợp kim của nó ặ Nghiền trộn phối liệu tạo hỗn hợp bột sắt với các bột hợp kim hoá khác ặ ép đồng thời thiêu kết tạo chi tiết máy ặ Gia công hoá - nhiệt (nếu cần) ặ Kiểm tra bao gói sản phẩm. Sau đây là các yêu cầu chính của một số công đoạn trong quy trình công nghệ luyện kim bột (theo h−ớng thứ 1). a. Ph−ơng pháp tạo bột kim loại, hợp kim: Yêu cầu chung của vật liệu bột trong chế tạo chi tiết máy: - Mật độ t−ơng đối cao để giảm chiều cao khuôn ép và tăng độ chảy của bột (môi tr−ờng không liên tục) đảm bảo điền đầy khuôn tạo hình dáng sản phẩm. - Có tính chịu ép cao để tăng độ bền của phôi ép tạo hình ở trạng thái nguội. - Có thành phần hoá học thích hợp và ổn định để đảm bảo thiêu kết tốt đạt các tính chất cơ hoá cuối cùng cần thiết đề ra. Hiện nay có 2 ph−ơng pháp tạo vật liệu bột kim loại là hoàn nguyên trực tiếp bằng Manhêtíc và phun sắt hoặc tjhép hợp kim chảy lỏng. Các ph−ơng pháp khác nh− điện phân, cácbonil … th−ờng chỉ dùng cho một số tr−ơng hợp đặc biệt. ở n−ớc ta bột sắt, bột hợp kim th−ờng đ−ợc nhập từ n−ớc ngoài. b. ép tạo hình chi tiết máy: Ph−ơng pháp đơn giản và hiệu qủa nhất để tạo thành hình chi tiết trong luyện kim bột là ép nguội định hình rồi mới thiêu kết. Công nghệ này đ−ợc ứng dụng rộng rãi và th−ơng xuyên vì dễ thiết kế chế tạo khuôn mẫu, thiết bị ép đơn giản, nh−ng chất l−ợng sản phẩm không cao. Nguyên nhan chính là mật độ chi tiết sau khi ép định hình đạt đ−ợc t−ơng đối thấp so với lý thuyết và các ph−ơng pháp tiên tiến khác. Hạn chế khác của ph−ơng pháp này là cần có lực ép hỗn hợp kim loại bột tr−ớc thiêu kết đủ lớn, đảm bảo đạt đ−ợc mật độ tối thiểu của chi tiết đã đ−ợc định hình. Để cải thiện sản phẩm sau thiêu kết phải qua gia công biến dạng dẻo (cán, ép ) và gia công hoá - nhiệt. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 85 Để khắc phục hạn chế của công nghệ trên ng−ời ta sử dụng ph−ơng pháp ép nóng vật liệu, ép nóng đẳng tĩnh. c. Thiêu kết chi tiết sau ép định hình: Cùng với chất l−ợng phôi ép, quy trình thiêu kết ảnh h−ởng rất lớn và quyết định đến chất l−ợng sản phẩm luyện kim bột cuối cùng. Quá trình thiêu kết vật liệu bột sau ép định hình phổ biến là nung ở nhiệt độ đ−ợc tính gần bằng 75 -:- 85% nhiệt độ nóng chảy của vật liệu đó. Tuỳ theo dạng sản phẩm cần có một số thông số kỹ thuật nằm trong các miền giá trị nào đó đảm bảo vật liệu hỗn hợp bột có sự thiêu kết nh−ng tránh đ−ợc các hiện t−ợng gây phế phẩm nh−: cong vênh, nứt, thất thoát nguyên tố hợp kim hoá… Hiện nay trên thế giới ng−ời ta đann nghiên cứu các công nghệ thiêu kết có hàm l−ợng khoa học kỹ thuật cao nh− : thiêu kết bột kim loại ở pha bán lỏng hoặc pha lỏng hoàn toàn; thiêu kết d−ới áp lực; thiêu kết d−ới áp lực trong môi tr−ờng chân không. 10.1.2. Tình hình nghiên cứu ứng dụng cộng nghệ luyện kim bột ở Việt Nam. ở Việt Nam từ thập kỷ 60 đã bắt đầu hình thành các nghiên cứu về luyện kim bột với quy mô rất nhỏ, hạn hẹp. Tập trung chủ yếu vào các dạng sản phẩm cụ thể nh− sau: - Hợp kim cứng -Viện luyện kim đen và Viện công nghệ, Bộ công nghiệp; Viện công nghệ Bộ quốc phòng. - Vật liệu từ - Viện vật lý; Đại học bách khoa Hà Nọi. - Bạc đồng và bạc sắt xốp -Viện nghiên cứu cơ khí Bộ công nghiệp. - Các loại tiếp điểm giả hợp kim và chổi than - Viện nghiên cứu máy mỏ; Viện công nghệ. - Vòng găng từ bột -Viện công nghệ; Đại học bách khoa Hà nội. - Vật liệu vô định hình, vật liệu tổ hợp trên cơ sở dính kết kim loại - Compozit, vật liệu dùng cho hàng tự động và phun phủ bề mặt (đang nghiên cứu để b−ớc đầu áp dụng tại Viện nghiên cứu cơ khí; Viện công nghệ Bộ quốc phòng). Nhìn chung đó là các sản phẩm bằng vật liệu đặc biệt, có kích th−ớc hình học nhỏ. Hiện nay việc áp dụng công nghệ luyện kim bột vào sản xuất các sản phẩm, chi tiết máy thông dụng đang đ−ợc nghiên cứu phát triển. Trung tâm Thuỷ điện đang có Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 86 kế hoạch phối hợp với Viện nghiên cứu cơ khí Bộ công nghiệp, chế tạo bánh công tác tuabin thuỷ lực, cụ thể là bánh công tác tuabin h−ớng trục đ−ờng kính <= 150mm bằng ph−ơng pháp công nghệ luyện kim bột vật liệu là hợp kim nhôm. Đây là một trong những công nghệ tiên tiến mà Trung tâm Thuỷ điện - Viện khoa học Thuỷ lợi nghiên cứu áp dụng vào chế tạo các loại bánh công tác của tuabin thuỷ lực nhằm: nâng cao chất l−ợng bánh công tác nâng cao hiệu suất của tuabin, tiến tới sản xuất hàng loạt phục vụ cho th−ơng mại hoá sản phẩm thiết bị… 10.2. Nghiên cứu chế tạo bánh công tác tua bin h−ớng trung bằng công nghệ luyện kim bột. 10.2.1. Phân tích sản phẩm. Viện nghiên cứu cơ khí Bộ công nghiệp là đơn vị nghiên cứu chuyên sâu về công nghệ luyện kim bột với những thiết bị khá hiện đại. Trung tâm Thuỷ điện đã lựa chọn bánh công tác tuabin h−ớng trục loại nhỏ D1=150mm làm đối t−ợng nghiên cứu áp dụng công nghệ luyện kim bột. Chúng tôi đang xúc tiến phối hợp cùng với Viện nghiên cứu cơ khí tiến hành đề tài này. Mẫu cánh tuabin h−ớng trục đ−ợc dùng có công suất 500w, loại cho các hộ gia đình. Thiết bị này sẽ đ−ợc sản xuất với loạt lớn. Cánh công tác tuabin có dạng cánh quạt gồm 3 lá cánh mỏng gắn chặt với thân bầu. Biên dạng lá cánh có độ xoắn không gian từ mép ngoài vào đến thân cánh. Tiết diện lá cánh thay đổi: mép ngoài cùng mỏng nhất (1,5 - 2mm), tiết diện gần chỗ thân bầu dầy nhất (5 - 6 mm). Vật liệu cánh đ−ợc lựa chọn bằng hợp kim nhôm. 10.2.2. Các b−ớc công nghệ. Đ−ợc nghiên cứu và thiết lập nh− sau: - Lựa chọn vật liệu bột hợp kim nhôm và hỗn hợp khác: Phân tích mẫu hợp kim nhôm với thành phần t−ơng thích. Dự tính mua của n−ớc ngoài. - Tính toán thiết kế khuôn, chày ép định hình. + Tính toán cơ tính của vật liệu bột sau khi ép và tính chất của sản phẩm khi làm việc. + Lừa chọn áp lực ép thích hợp, từ đó tính toán kết cấu và vật liệu khuôn. + Thiết kế và chế tạo khuôn theo mẫu mô hình bánh công tác trên máy CNC. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi 87 - ép tạo hình: + Để tạo hình sản phẩm theo thiết bị sẵn có, chúng tôi lựa chọn ph−ơng pháp ép nguội định hình rồi mới thiêu kết. + Tính toán lực ép thích hợp để đạt đ−ợc mật độ chi tiết sau ép, độ điền đầy của sản phẩm… + Chuẩn bị thiết bị ép, khuôn - chày ép và tính toán l−ợng vật liệu kim loại bột phù hợp với mỗi lần ép. - Thiêu kết sau khi ép: + Tính toán nhiệt độ thiêu kết phù hợp với vật liệu hợp kim nhôm, nhiệt độ nung th−ờng = 75-:-85% nhiệt độ nóng chảy của hợp kim nhôm. Có thể tính toán chọn nhiệt độ thích hợp sau đó thiêu kết thử vài lần để chọn lại. + Công nghệ thiêu kết đ−ợc tiến hành trong môi tr−ờng có khí bảo vệ hoặc môi tr−ờng chân không. - Kiểm tra sản phẩm và sửa về mặt hình dạng: + Kiểm tra sản phẩm sau khi thiêu kết: độ cong vênh, chất l−ợng bề mặt, khả năng nứt… + Nắn sửa theo d−ỡng nếu công vênh nhẹ. Gia công tinh để dạt đ−ợc cánh hoàn thiện (gia công lỗ lắp trục, xén mặt và đ−ờng kính cánh…). - Kiểm tra cơ tính, cấu trúc vật liệu của sản phảm: + Để có sản phẩm ổn định, đáp ứng cơ tính dã trọn tr−ớc phải đem đi thử về độ biến dạng cho phép, độ kéo nén tới hạn, khả năng nứt tế vi… + Nếu ch−a đạt yêu cầu các thông số kỹ thuật của công nghệ lựa chọn lại các thông số công nghệ chế tạo lại để chọn ra các chỉ tiêu công nghệ thích hợp. Báo cáo nghiên cứu công nghệ chế tạo cánh công tác tua bin thủy lực Đề tài KC07 – 04 Viện khoa học thuỷ lợi phụ lục