一种大型组合可调节模压叶片模具及其制备方法

摘要

本发明提供了一种新型的可用于大型水轮机叶片模压的组合可调节模具及其制备方法。采用单体加工，再组合安装的方式制造组合可调节模具，利用该模具压制的水轮机叶片型线精度高，压制效率高，采用该模具制备大型水轮机叶片具有制造成本低，制作周期短，压制的叶片完全满足或超过技术要求等优点，该模压模具具有结构强度高，结构尺寸精度高，结构制造和组装方便，以及结构可标准化，型体易更换，节省制造成本等优点。

权利要求

1.一种大型组合可调节模压叶片模具，其特征在于：所述模具为组合式模具，由上下模具组成，其中模具包括底板、T型连接筋板、底部连接筋板、横向筋板、纵向筋板、导向机构、限位装置、定位孔、板坯定位点、可旋转式板坯支撑杆；

其中，底板上设有与横向筋板、纵向筋板配合的筋板槽，组合时，将横向筋板、纵向筋板配合到筋板槽中，再用螺纹连接；底部连接筋板与底板也为槽配合，用于防止筋板受力时底部失稳变形造成整体结构倒塌；横向筋板的侧面设有T型槽，不同的横向筋板之间通过T型连接筋板相连，所述T型连接筋板的两端为T型结构，使用时，将该T型结构插入横向筋板侧面的T型槽中；

所述导向机构由导柱和导套组成，导套设置于下模具上，导柱设置于上模具上，最少设置3套导向机构；

所述限位装置设置于板坯向下压制运动时易于滑出模具的方向，其高度和板坯定位点所处位置等高，只起到限位作用；

所述定位孔设置于压力机的压力中心和叶片板坯的几何展开中心位置，即定位孔中心要与这两个中心重合；所述板坯定位点设置于下模具最高点处；

所述可旋转式板坯支撑杆作用为放置板坯时起到支撑作用，压制过程中可随着板坯向下绕着支撑杆的安装轴做1/4圆周运动，运动中依然起支撑作用，防止该位置无支撑发生滑移；放置位置在限位装置的反方向，处于压制时易于发生滑移的方向。

2.按照权利要求1所述大型组合可调节模压叶片模具，其特征在于：所述横向筋板、纵向筋板采用115mm-120mm厚的板材制造。

3.按照权利要求1所述大型组合可调节模压叶片模具，其特征在于：所述纵向板筋的侧面设有T型槽，横向筋板的一端为T型结构，使用时，将该T型结构插入纵向筋板侧面的T型槽中。

4.按照权利要求1所述大型组合可调节模压叶片模具，其特征在于：所述T型连接筋板的竖直高度低于横向筋板和纵向筋板的竖直高度，使用时，T型连接筋板位于横向筋板和纵向筋板的上部，在T型连接筋板下方形成通风空间，用于对模具进行风冷却。

5.按照权利要求1所述大型组合可调节模压叶片模具，其特征在于：所述板坯定位点为“v”形结构。

6.一种权利要求1所述大型组合可调节模压叶片模具的制备方法，其特征在于，采用单件板材加工，再通过组合装配形式制成大型分体组合可调节模压叶片模具，具体步骤如下：(1)、确定模具采用的材质、板厚及网格结构：

采用115mm-120mm厚的板材制备模具；利用UG软件生成数模，确定分体组合结构的模具筋板排布图；

(2)、定位、导向及限位的确定：

上、下模具安装定位：模具安装位置要保证模具的中心与压力中心及叶片板坯的展开中心重合；

叶片板坯定位：在下模具的最高点位置处设有板坯定位点，定位点采用“v”形结构；

上、下模具压制时的导向：在模具的两侧板上设置导向机构，导向机构由相互配合的导柱和导套组成，导套设置于下模具上，导柱设置于上模具上，导向定位点不低于3点；

叶片板坯压制时的限位：在上下位置移动大，横向移动小的点位处设置限位柱；

(3)、模具筋板连接形式确定：

横向筋板和纵向筋板连接形式：采用T型连接筋板连接横向筋板和纵向筋板，并用螺纹固定T型连接筋板；

横向筋板、纵向筋板与底板装配结构：横向筋板、纵向筋板与底板间通过槽配合来定位，螺栓固定。

7.按照权利要求6所述大型组合可调节模压叶片模具的制备方法，其特征在于：T型连接筋板的高度低于横向筋板、纵向筋板，使T型连接筋板下方形成通风空间，增加散热通道，便于模具及时快速的冷却。

8.按照权利要求6所述大型组合可调节模压叶片模具的制备方法，其特征在于：步骤(1)中模具筋板排布图上的网格分布为450*450mm的排列。

9.按照权利要求6所述大型组合可调节模压叶片模具的制备方法，其特征在于：所述导套直径尺寸不低于180mm，导柱直径尺寸不低于140mm；所述限位柱的直径大于180mm，高度不高于放置后的板坯；所述T型连接筋板最宽处为120mm，最窄处为80mm。

说明书

一种大型组合可调节模压叶片模具及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明提供一种大型模压制造用模具，特别涉及一种模压制造大型水轮机叶片毛坯的模具，即模压叶片模具。

背景技术

[0002] 水轮机叶片是水轮发电机的核心部件之一，其内部质量的优劣，外部型线的精确度都直接影响到水轮机的寿命和发电量，所以市场上对高品质，高精度的水轮机叶片的需求一直未间断。

[0003] 受水轮机叶片形状及结构影响，目前水轮机叶片的制造技术主要以砂型铸造技术和锻造加机械加工成型技术为主。其中采用砂型铸造技术制造水轮机叶片几乎是整个水轮机部件制造厂家的通用技术。

[0004] 砂型铸造的水轮机叶片内部质量不高，一般都在3级以下，内部缺陷较多，产品型线精度低，金属利用率低，后期修复及加工周期长。如果砂型铸造水轮机叶片内部质量要求在2级以上，那产品废品率非常高，折算到叶片价值上就非常高，很难被市场接受。所以行业上对高品质低成本的水轮机叶片的技术研究一直进行。直到上世纪八十年代初期，模压叶片技术产生。模压叶片产品由于材质纯净，成分均匀，内部质量优良，性能高，成型率高，加工量小而受到各个水轮发电机制造厂的追捧。

[0005] 模压叶片模具是整个模压叶片压制成型的一个关键，它既是一个承载容纳叶片板坯的容器，又是一个能塑造叶片外形，提高叶片内部质量的一个技术工具。所以在整个模压叶片制造过程中，模具制造质量直接决定叶片的模压质量。

[0006] 叶片压制时大约在1100℃的高温下进行，模具所处的工作环境相当恶劣，要求模具能耐高温，耐高压且受热抗变形性能良好。叶片压制时，其空间跨度很大，压制行程大。压制过程中模具受正向压力与侧向扭矩，正面压力和侧向分力的影响，受力复杂，造成模压叶片很难一次成型达到叶片设计要求，对于大型水轮机叶片模压更困难。在使用中不是反复修整模具表面的型线就是多投产几组模压模具来完成模压过程。造成整个模压叶片过程繁琐和耗费周期过长，大幅增加了制作单位的生产成本。所以多年来一直制约了该项技术的发展。

发明内容

[0007] 针对上述问题，本发明提供了一种新型的可用于大型水轮机叶片模压的组合可调节模具及其制备方法。利用该模具压制的水轮机叶片型线精度高，压制效率高，采用该模具制备大型水轮机叶片具有制造成本低，制作周期短，压制的叶片完全满足或超过技术要求等优点，该模压模具具有结构强度高，结构尺寸精度高，结构制造和组装方便，以及结构可标准化，型体易更换，节省制造成本等优点。

[0008] 采用的技术方案是：

[0009] 一种大型组合可调节模压叶片模具，其特征在于：所述模具为组合式模具，替代传统的铸造方式和焊接方式制造的模具，由上下模具组成，其中模具包括底板、T型连接筋板、底部连接筋板、横向筋板、纵向筋板、导向机构、限位装置、定位孔、板坯定位点、可旋转式板坯支撑杆；

[0010] 其中，底板上设有与横向筋板、纵向筋板配合的筋板槽，组合时，将横向筋板、纵向筋板配合到筋板槽中，再用螺纹连接；底部连接筋板与底板也为槽配合，用于防止筋板受力时底部失稳变形造成整体结构倒塌；横向筋板的侧面设有T型槽，不同的横向筋板之间通过T型连接筋板相连，所述T型连接筋板的两端为T型结构，使用时，将该T型结构插入横向筋板侧面的T型槽中；

[0011] 所述导向机构由导柱和导套组成，导套设置于下模具上，导柱设置于上模具上，最少设置3套导向机构；

[0012] 所述限位装置设置于板坯向下压制运动时易于滑出模具的方向(位置选在压制时上下移动距离大，横向移动距离很小的位置)，其高度和板坯定位点所处位置等高，只起到限位作用；

[0013] 所述定位孔设置于压力机的压力中心和叶片板坯的几何展开中心位置，即定位孔中心要与这两个中心重合；其作用不仅用于实现上、下模具的定位，还能保证压制过程平稳，减小压制时发生叶片滑移损伤模具倾向，又可保证压制后叶片的成型精度，避免型线偏移；

[0014] 所述板坯定位点为“v”形结构，设置于下模具最高点处；

[0015] 所述可旋转式板坯支撑杆作用为放置板坯时起到支撑作用，压制过程中可随着板坯向下绕着支撑杆的安装轴做1/4圆周运动，运动中依然起支撑作用，防止该位置无支撑发生滑移。其放置位置在限位装置的反方向，同样处于压制时易于发生滑移的方向。

[0016] 本发明所述大型组合可调节模压叶片模具，其特征在于：所述横向筋板、纵向筋板采用115mm-120mm厚的板材制造；所述纵向板筋的侧面设有T型槽，横向筋板的一端为T型结构，使用时，将该T型结构插入纵向筋板侧面的T型槽中。

[0017] 本发明所述大型组合可调节模压叶片模具，其特征在于：所述T型连接筋板的竖直高度低于横向筋板和纵向筋板的竖直高度，使用时，T型连接筋板位于横向筋板和纵向筋板的上部，在T型连接筋板下方形成通风空间，用于对模具进行风冷却。

[0018] 大型水轮机模压叶片用组合可调节模具的制造，第一要根据计算对比分析，确定模压模具采用的材质和板厚度；第二根据强度计算确定采用分体加工再组合结构；第三根据结构受力计算分析确定网格构造；第四根据强度计算及受力分析确定定位、导向及限位结构；第五根据强度计算确定筋板连接结构；第六确定模具冷却结构。

[0019] 本发明所述大型组合可调节模压叶片模具的制备方法，其特征在于，采用单件板材加工，再通过组合装配形式制成大型分体组合可调节模压叶片模具，具体步骤如下：

[0020] (1)、确定模具采用的材质、板厚及网格结构：

[0021] 采用115mm-120mm厚的板材制备模具；利用UG软件生成数模，确定分体组合结构的模具筋板排布图；

[0022] (2)、定位、导向及限位的确定：

[0023] 上、下模具安装定位：模具安装位置要保证模具的中心与压力中心及叶片板坯的展开中心重合；

[0024] 叶片板坯定位：在下模具的最高点位置处设有板坯定位点，定位点采用“v”形结构；

[0025] 上、下模具压制时的导向：在模具的两侧板上设置导向机构，导向机构由相互配合的导柱和导套组成，导套设置于下模具上，导柱设置于上模具上，导向定位点不低于3点；

[0026] 叶片板坯压制时的限位：在上下位置移动大，横向移动小的点位处设置限位柱；

[0027] (3)、模具筋板连接形式确定：

[0028] 横向筋板和纵向筋板连接形式：采用T型连接筋板连接横向筋板和纵向筋板，并用螺纹固定T型连接筋板；

[0029] 横向筋板、纵向筋板与底板装配结构：横向筋板、纵向筋板与底板间通过槽配合来定位，螺栓固定。

[0030] 本发明所述大型组合可调节模压叶片模具的制备方法，其特征在于：T型连接筋板的高度低于横向筋板、纵向筋板，使T型连接筋板下方形成通风空间，增加散热通道，便于模具及时快速的冷却。

[0031] 本发明所述大型组合可调节模压叶片模具的制备方法，其特征在于：步骤(1)中模具筋板排布图上的网格分布为450*450mm的排列。其中T型连接筋板的排布一定要相互交错排布，即可增强结构稳定性，又不减弱横向筋板的强度。

[0032] 本发明所述大型组合可调节模压叶片模具的制备方法，其特征在于：所述导套直径尺寸不低于180mm，导柱直径尺寸不低于140mm；所述限位柱的直径大于180mm，高度不高于放置后的板坯；所述T型连接筋板最宽处为120mm，最窄处为80mm。

[0033] 本发明所述模具中所有板材均通过横向筋板、纵向筋板或T型连接筋板实现连接，且所有板材的连接方式都采用“T”型连接(即T型槽与T型结构的配合)，连接精度高，连接强度大，连接稳定。

[0034] 本发明采用低成本的原材料，通过机械连接结构实现大型复杂重载荷模压模具的使用功能，极大的降低了对大型精密设备的要求，制造成本低，周期短；通过增强对单体结构零件的制造要求来保证组合后模具的整体精度和强度，模具组装方便，易于实现标准化生产和型体更换。

[0035] 本发明采用分体组合可调节模具有如下优点：

[0036] (1)、分体后各组件加工灵活，组装方便，降低对加工设备的要求；

[0037] (2)、分体组合后便于对模具的局部进行修整和调节，焊接和铸造无法实现；

[0038] (3)、分体组合后强度薄弱区仍可采用焊接方式进行加固；

[0039] (4)、分体组合减少了焊接量，结构变形小，结构稳定；

[0040] (5)、分体组合可实现分体零件的型体更换，减少原材料的消耗，节省制造成本；

[0041] (6)、分体组合制造也易形成日后的标准化制作模式，缩短制作周期。

附图说明

[0042] 图1是网格筋板排布图；

[0043] 图2是模压模具下模结构图；

[0044] 图3是模压模具下模限位柱；

[0045] 图4是模压模具“T”型槽和键结构图；

[0046] 图5是筋板在槽内受力状态分析；

[0047] 图6是模压模具底板结构图；

[0048] 图7是模压模具的冷却散热结构。

[0049] 附图标记：1、定位导向筒，2、底座法兰，3、定位点，4、限位柱，5、连接螺孔，6、T型连接筋板，7、底部连接筋板，8、纵向筋板，9、横向筋板，10、可旋转式板坯支撑杆，11、底板，12、散热通道。

具体实施方式

[0050] 实施例1

[0051] 本实施例所制大型组合可调节模压叶片模具为组合式模具，由上下模具组成，其中下模具包括底板11、T型连接筋板6、底部连接筋板7、纵向筋板8、横向筋板9、导向机构、限位装置、定位孔、板坯定位点3、可旋转式板坯支撑杆10；

[0052] 其中，底板11上设有与横向筋板9、纵向筋板8配合的筋板槽，组合时，将横向筋板9、纵向筋板8配合到筋板槽中，再用螺纹连接；底部连接筋板7与底板11也为槽配合，用于防止筋板受力时底部失稳变形造成整体结构倒塌；横向筋板9的侧面设有T型槽，不同的横向筋板9之间通过T型连接筋板6相连，所述T型连接筋板6的两端为T型结构，使用时，将该T型结构插入横向筋板9侧面的T型槽中；纵向板筋8的侧面设有T型槽，横向筋板9的一端为T型结构，使用时，将该T型结构插入纵向筋板8侧面的T型槽中。所述T型连接筋板6的竖直高度低于横向筋板9和纵向筋板8的竖直高度，使用时，T型连接筋板6位于横向筋板9和纵向筋板
8的上部，在T型连接筋板6下方形成通风空间，用于对模具进行风冷却。

[0053] 所述导向机构由导柱和导套组成，导套设置于下模具上，导柱设置于上模具上。所述限位装置设置于板坯向下压制运动时易于滑出模具的方向，位置选在压制时上下移动距离大，横向移动距离很小的位置，其高度和板坯定位点所处位置等高，只起到限位作用。所述定位孔设置于压力机的压力中心和叶片板坯的几何展开中心位置，即定位孔中心要与这两个中心重合，其作用不仅用于实现上、下模具的定位，还能保证压制过程平稳，减小压制时发生叶片滑移损伤模具倾向，又可保证压制后叶片的成型精度，避免型线偏移。所述板坯定位点为“v”形结构，设置于下模具最高点处。所述可旋转式板坯支撑杆10作用为放置板坯时起到支撑作用，压制过程中可随着板坯向下绕着支撑杆的安装轴做1/4圆周运动，运动中依然起支撑作用，防止该位置无支撑发生滑移；放置位置在限位装置的反方向，处于压制时易于发生滑移的方向。

[0054] 1、板厚及网格结构的确定

[0055] 由于热模压模具受力是在高温下，所以计算板厚及强度都要在高温下进行，然后再考虑安全系数确定出模具最终的板厚。

[0056] 根据模压叶片可行性试验的实测温度测试数据，得到模具表面的实际压应力要小于20Mpa，模具表面才不会在高温下压变形。另外，每次压制不可能只压制一片叶片，考虑多叶片压制的温度累计及压制疲劳，取安全系数为2，即表面的平均压应力确定在10Mpa左右，这样根据公式：

[0057] F＝p*S,

[0058] 式中F为压制力，p为平均压应力，S为受压模具面积，计算出模具的受压面积。

[0059] 再根据水轮机叶片型面计算公式：

[0060]

[0061] 积分中，E、F、G分别为

[0062]

[0063]

[0064]

[0065] S曲面面积

[0066] ∑为曲面在某一正交曲线坐标(u，v)面上的投影面积，曲面用(u，v)表示的方程为：

[0067] x＝X(u，v),y＝Y(u，v)，z＝Z(u，v)

[0068] 可推算出板厚应该在113.6mm，考虑板厚的规格及加工保证，确定模具采用120mm的厚板制造。

[0069] 再利用UG软件生成数模，可确定分体组合结构如图1的模具筋板排布图，理论上网格分布为450*450mm的排列，另根据实际结构特点，网格结构可微调。T型连接筋板的排布一定要相互交错排布，即可增强结构稳定性，又不减弱横向筋板的强度。

[0070] 2、定位、导向及限位的确定

[0071] (1)、上、下模具安装定位

[0072] 模具安装位置必须要准确，要保证模具的中心与压力中心及叶片板坯的展开中心重合，既保证压制平稳，减小压制时发生叶片滑移和模具损伤倾向，又可保证压制后叶片的成型精度，避免后续处理。为此模具的安装定位很关键。

[0073] 压力机在制造时为方便定位，要在其上、下工作台上设置两组定位块，即压力机的压力中心点位置。定位块外形尺寸可设计为：600(h9)x600(h9)x100mm。上述数字中的h9为尺寸公差，上差为0mm，下差为-0.175mm，即6000-0.175对于大型叶片的模压设备的工作平台面来说，该定位块的精度非常高。模压设备设计理念是下工作台可前后移动，当下工作台移动到压机内的限位极限点时，上、下工作台的定位块中心点重合，所以模具往工作台安装时无需再增加定位，利用工作台原有定位块足够，只需要将模具的定位孔配合到工作台的定位块上就能实现上、下模具的定位。

[0074] (2)、叶片板坯定位

[0075] 叶片板坯在放置到下模具上时必须有定位点，否则放置不正确压制的叶片会有很大偏差，为后序处理带来麻烦。板坯的下表面为平面，所以放置时先接触下模具的最高点。为此，板坯定位点必须在模具的最高点位置处，定位点要采用“v”形结构，定位准确，还不受板坯受热膨胀变大约束，方便放置和定位。“v”形结构要考虑板坯受热膨胀1.2％以及板坯为毛坯状态，可适当放大。

[0076] (3)、上、下模具压制时的导向

[0077] 上模具向下压制板坯时，下工作台运行位置是否到位，模具压制时受力是否发生偏移等都需要有装置进行反馈，便于操作者观察，因为模具尺寸过大，稍微有一点移动很难发现，为此该模具在压制过程中必须增加导向定位，实现压制过程中模具位置可监控，保护设备和模具。该模具的导向定位必须安置在叶片模具的两侧板上，侧板高度高，组合厚度厚，抗压强度也高，还便于安装和观察。导向定位由相互配合的导柱和导套组成，导套为带孔轴套，设置于下模具上，导柱为和轴套配合的圆轴，设置于上模具上。本实施例所述模具只设置3处导向定位点。轴套直径尺寸不低于180mm，圆轴直径尺寸不低于140mm，位置和结构见图2。

[0078] (4)、叶片板坯压制时限位

[0079] 叶片板坯在压制时受力复杂，径向力、横向力及扭转力都存在，为此板坯受压时位置在不停发生变化，如果不在型线关键位置设立限位点，压制的叶片很可能“走形”型线出现很大偏差，造成废品。所以压制时叶片板坯的限位点必须设立。设立原则为限位点处的上下位置移动大，横向移动小的点位，另外限位点的高度要和板坯定位点等高，既起到限位作用还起到板坯放置时的支撑作用。该限位柱直径大于180mm，组合后高度不可高于放置后的板坯。由于板坯为毛坯状态，尺寸及结构会与理论值有偏差，为此限位点可在毛坯铸出后根据实际情况现场调节，保证限位合适与有效，结构见图3。

[0080] 3、模具筋板连接形式确定

[0081] (1)、横向筋板和纵向筋板连接形式

[0082] 模具采用分体组合结构，在终压时承受最大的正压力及侧向力，在7000吨压力下采用螺纹连接，根据强度计算，螺栓要采用M50以上，采用螺纹连接在压制过程中螺栓受到强大的拉力易变形，或高温接触受热后强度减低也易出现变形，造成连接松动，出现间隙或螺栓断裂造成压制失败。发明人经过充分分析模具结构后确定采用T型连接筋板连接，见图4，T型连接筋板连接强度大，连接精度高，压制时T型连接筋板的底端面受力，主要受正压力和剪切应力，利用公式：F＝p*S，σs＝235N/mm2,σb＝375N/mm2τb＝0.6σb，F侧许≤Fτ，F正许≤Fs可确定其各项尺寸。

[0083] 横向筋板和纵向筋板间采用T型连接筋板连接，然后用螺纹固定T型连接筋板，T型连接筋板的最宽处为120mm，最窄处为80mm。

[0084] (2)、连接筋板与底板装配结构

[0085] 大型热模压模具在压制时由于存在侧向力，所以根据杠杆定律，筋板底端所承受的扭力非常巨大，要是单独依靠螺栓连接，根据强度计算螺栓要选取M80以上，对于该模具很不适用，一旦连接螺栓出现问题，很容易形成“多米诺骨牌倒塌”形式的损坏，形成严重质量事故和安全事故，所以连接筋板与底板间必须通过槽配合来抵消压制时侧向力的影响。

[0086] 公式：F1*L1＝F2*L2(杠杆定律)

[0087] F3＝F1+F2(受力平衡)

[0088] F3max＝S*τb

[0089] S＝120*lf

[0090] 式中：lf为筋板长度

[0091] 根据上述公式可计算出L2＝28.4mm，为方便加工及更好的保护模具不变形，将L2取整定为30mm，见图5。

[0092] 底板上加工出宽120mm，深度为30mm的筋板槽，然后将横向筋板9和纵向筋板8都配合到槽中，再用螺纹连接，保证横向筋板9和纵向筋板8在受力时底部稳定不倾斜和滑动。

[0093] 4、模具冷却结构

[0094] 在模具设计时要考虑模具内部的通风性，将T型连接筋板都设计成400mm高，这样在筋板下方形成通风空间，增加散热通道12，便于模具及时快速的冷却，保护模具并提高压制成型率，在实际压制时还可增加高压风对模具进行冷却。具体结构见图7。

[0095] 上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。