大型水輪機(jī)葉片零件的動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng)

0熱處理過程中的變形葉片pg-worm的正確安裝是影響機(jī)器效率、產(chǎn)量、縮短和運(yùn)營的重要因素，也是機(jī)器制造水平的重要標(biāo)志。實(shí)際生產(chǎn)中為了保證葉片型線的準(zhǔn)確,在鑄造工藝設(shè)計(jì)中通過加大反變形量,在熱處理后對(duì)葉片型線進(jìn)行測(cè)量,最后根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)葉片進(jìn)行校正、打磨、補(bǔ)焊和機(jī)械加工等,變形太大的葉片甚至報(bào)廢,這往往增加了成本和生產(chǎn)周期。在過去三峽水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的制造中,由于沒有很好掌握鑄件變形規(guī)律,鑄造的毛坯加工余量很大,造成工藝出品率低、加工周期長;有時(shí)還出現(xiàn)殘缺(加工余量不足),造成焊補(bǔ)量大。云南大朝山水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片在熱處理過程中發(fā)生嚴(yán)重的翹曲變形,需要大量補(bǔ)焊,給后續(xù)的校正和修整增加了難度和大量的工作。目前對(duì)葉片類鑄鍛件熱處理工藝的研究工作多集中在工藝試驗(yàn)、制定合適的熱處理制度以滿足材料使用性能要求[5,6,7,8,9,10,11,12],缺少對(duì)熱處理過程中葉片變形機(jī)理的系統(tǒng)研究。而葉片熱處理時(shí)的變形是熱處理過程的主要缺陷之一。張然等采用數(shù)值計(jì)算的手段分別對(duì)葉片和葉輪的熱處理過程的變形進(jìn)行預(yù)測(cè)分析,給出了變形趨勢(shì)。而實(shí)際生產(chǎn)中影響葉片熱處理過程變形的因素比較復(fù)雜,它與材料、原始組織、殘余應(yīng)力分布、熱處理?xiàng)l件及葉片本身幾何形狀等都有關(guān)系。如果能通過測(cè)量葉片在實(shí)際熱處理過程中的溫度變化和變形,從而采取合理的工藝措施和反變形手段,使葉片變形盡可能減到最小程度,這將有助于實(shí)現(xiàn)葉片近凈成形。紅外熱成像技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用,李明等使用紅外熱成像技術(shù)對(duì)常壓加熱爐管表面溫度場進(jìn)行了在線檢測(cè);全燕鳴等使用紅外熱像儀對(duì)切削加工過程刀具、工件表面溫度場進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于鑄件熱處理過程中的變形測(cè)量采用傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量也十分困難。蔡志鵬等采用高性能位移傳感器建立了焊接變形實(shí)時(shí)測(cè)量系統(tǒng),并測(cè)量出焊縫高溫區(qū)一點(diǎn)的位移和運(yùn)動(dòng)軌跡。為此,提出了葉片溫度場和變形的動(dòng)態(tài)測(cè)量方法,并對(duì)某工廠實(shí)際生產(chǎn)葉片的熱處理正火和回火冷卻過程的溫度場和變形進(jìn)行了測(cè)量和分析。1爐外冷卻過程的測(cè)量和顯示采用熱電偶等接觸式測(cè)量方法測(cè)量鑄件熱處理過程中的溫度變化只能反映測(cè)量點(diǎn)的溫度變化,不能反映整個(gè)鑄件溫度分布情況,而且需要焊接或預(yù)埋熱電偶。建立了便攜式非接觸式溫度場和變形動(dòng)態(tài)測(cè)量系統(tǒng),該系統(tǒng)可以對(duì)鑄件落砂后空冷和熱處理過程爐外冷卻過程中溫度場和變形情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)連續(xù)測(cè)量。該系統(tǒng)采用紅外熱像儀測(cè)量溫度場,采用非接觸式測(cè)量方法測(cè)量鑄件的變形,其測(cè)量原理如圖1所示。紅外熱像儀可以連續(xù)測(cè)量整個(gè)視野內(nèi)鑄件的溫度場,測(cè)量范圍內(nèi)的每個(gè)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)該點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù),每個(gè)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化;采用變形測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鑄件上選定的點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線的變形測(cè)量;數(shù)據(jù)采集儀實(shí)時(shí)采集測(cè)量的數(shù)據(jù),測(cè)量結(jié)果通過控制器和后處理程序以溫度場云圖和位移曲線的方式實(shí)時(shí)顯示在計(jì)算機(jī)上。也可根據(jù)具體測(cè)量要求采用多臺(tái)變形測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量鑄件多部位的動(dòng)態(tài)變形。本系統(tǒng)選用FlirT250紅外熱像儀進(jìn)行溫度場的測(cè)量,其測(cè)溫范圍上限為1200℃,精度為±2℃;變形測(cè)量系統(tǒng)精度為1.0~2.0mm。2出采用在線熱處理工藝時(shí),對(duì)葉片進(jìn)行熱壓并注意其試驗(yàn)所測(cè)量的葉片鑄件CAD模型和實(shí)際裝爐方式如圖2所示。葉片材質(zhì)為ZG0Cr13Ni4Mo,其Ms和Mf點(diǎn)分別為280℃和75℃,其各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見下表。ZG0Cr13Ni4Mo屬于低碳“位錯(cuò)型”馬氏體不銹鋼,具有很高的淬透性,但是熱導(dǎo)率小、熱膨脹系數(shù)大,加熱冷卻時(shí)應(yīng)力大。因此,在制定熱處理工藝時(shí)應(yīng)著重考慮避免產(chǎn)生裂紋和防止變形。葉片鑄件最大輪廓尺寸為4720mm×3340mm×200mm,鑄件毛重17000kg,消耗鋼液26000kg,葉片出水邊厚度為40mm,進(jìn)水邊厚度為200mm,厚薄懸殊特別大,且型線呈X形,屬于三維扭曲變斷面結(jié)構(gòu)的大型板狀不銹鋼鑄件,在熱處理過程中極易發(fā)生翹曲變形。熱處理時(shí)采用進(jìn)水邊在下,出水邊在上的立式裝爐方式,葉片放置在專用的隨形卡槽墊鐵上,如圖2a所示;同時(shí)為了節(jié)省能源和提高效率,一般采用一爐多件的方式,如圖2b所示。實(shí)際測(cè)量中對(duì)葉片鑄件薄的易變形的出水邊的反面A點(diǎn)及中間B點(diǎn)的變形情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量,同時(shí)對(duì)反面表面溫度變化進(jìn)行了實(shí)時(shí)測(cè)量,如圖2a所示。定義:葉片反面朝其法線正方向的變形值為負(fù)值,葉片變形大小由定位點(diǎn)(測(cè)量儀器所在位置)與葉片上點(diǎn)(被測(cè)點(diǎn)A、B、C)之間的動(dòng)態(tài)距離和初始距離值的差來表示。2.1試驗(yàn)結(jié)果和討論正火工藝為加熱到1020℃保溫后出爐吹風(fēng)強(qiáng)制冷卻。葉片正火目的是進(jìn)行重結(jié)晶,改變鑄態(tài)組織和晶粒度,減少枝晶偏析;更重要的是通過空冷避免某些新相的析出,得到足量的馬氏體。圖3所示為測(cè)量的葉片正火冷卻過程中溫度分布變化情況,其中圖3a為出爐后開始測(cè)量時(shí)刻的葉片溫度場分布,圖3b、圖3c和圖3d分別為120min、240min、300min時(shí)的溫度場分布。可以看出葉片截面薄的出水邊在出爐后溫度下降很快,300min后基本在100℃左右,如圖3d所示。截面厚的進(jìn)水邊溫度下降較慢。由此得到葉片不同部位的冷卻曲線及采用專用變形測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量的葉片的變形情況如圖4所示。圖4為測(cè)量得到的葉片鑄件正火冷卻階段反面A、B和C點(diǎn)的表面溫度變化曲線和出水邊A點(diǎn)、中間B點(diǎn)的變形變化曲線。從圖4中A、B和C點(diǎn)溫度變化曲線可以看出:出爐后從葉片出水邊到進(jìn)水邊呈現(xiàn)上低下高的溫度分布,溫度差在80℃左右。截面薄的出水邊A點(diǎn)溫度下降很快,在出爐后開始測(cè)量的5min內(nèi)從473℃降到445℃以下,冷卻速度約為5.6℃/min;截面厚的進(jìn)水邊C點(diǎn)從614℃降到594℃以下,冷卻速度為約為4.2℃/min;中間B點(diǎn)的溫度從553℃降到527℃以下,冷卻速度約為5.1℃/min。A點(diǎn)溫度在測(cè)量的48min即到達(dá)Ms點(diǎn),260min到達(dá)Mf點(diǎn);C點(diǎn)溫度在測(cè)量的149min到達(dá)Ms點(diǎn),591min到達(dá)Mf點(diǎn)。由A點(diǎn)和C點(diǎn)冷卻曲線可以得到出水邊和進(jìn)水邊內(nèi)部各部分將分別在48min和149min后的某一時(shí)刻冷卻到達(dá)Ms點(diǎn),260min和591min后某一時(shí)刻到達(dá)Mf點(diǎn)。各點(diǎn)溫度處于Mf點(diǎn)以下后,冷卻曲線變化比較平緩,冷卻速度都很小。從圖4中A和B點(diǎn)變形曲線可以看出,出水邊(A點(diǎn))變形情況不是單一的向正面或反面連續(xù)變化,而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的急劇變化過程;變形隨著冷卻過程進(jìn)行呈現(xiàn)波浪形,有兩個(gè)極值點(diǎn)(一個(gè)波峰一個(gè)波谷),葉片出水邊變形先朝法線負(fù)方向不斷增加而后逐漸回復(fù)原狀再朝反向變形不斷增加而后又緩慢回復(fù)最終保持不變,即為葉片正火的殘余變形;葉片出水邊變形的兩個(gè)極值點(diǎn)分別出現(xiàn)在出爐后測(cè)量的200min和465min左右。相比于截面薄的出水邊,截面厚的B點(diǎn)變形比較緩和,隨著冷卻過程的進(jìn)行變形先朝法線負(fù)方向不斷增加后又緩慢回復(fù),最終保持不變;B點(diǎn)變形極值出現(xiàn)在出爐后測(cè)量的260~385min之間。對(duì)比圖4中溫度變化曲線和變形變化曲線可以看出:葉片的變形在出爐后隨著溫度的降低而增加,但是變形的大小不是簡單地與溫度和時(shí)間成正比關(guān)系;當(dāng)葉片所測(cè)量部分溫度處于Ms和Mf之間時(shí)由于相變和溫差的共同作用,葉片變形比較劇烈,分別出現(xiàn)極值點(diǎn)。為了更好地研究葉片鑄件變形與各部分溫差和相變發(fā)生的關(guān)系。如圖5所示為A、B點(diǎn)變形變化曲線及上中下表面A、B和C點(diǎn)的溫差變化曲線。如圖5所示在葉片正火出爐冷卻初期,葉片薄的出水邊A與厚的進(jìn)水邊C和中部B溫差迅速增大,A點(diǎn)與B點(diǎn)溫差在測(cè)量的40min左右達(dá)第一個(gè)極大值點(diǎn),約175℃左右,此時(shí)A點(diǎn)與C點(diǎn)溫差也達(dá)90℃極大值點(diǎn)。隨后A點(diǎn)溫度到達(dá)Ms點(diǎn),A點(diǎn)冷卻變慢(如圖4中A點(diǎn)40min后冷卻曲線),因此溫差又緩慢減小,在100min左右達(dá)到極小值后由于A點(diǎn)冷卻變快(如圖4中A點(diǎn)100min后冷卻曲線),溫差繼續(xù)增加,在200min左右達(dá)到第二個(gè)溫差極大值點(diǎn)后一直減小。對(duì)比變形變化曲線可看出A點(diǎn)在200min左右葉片的變形也達(dá)極大值點(diǎn),200min之前受葉片溫差較大和馬氏體相變未大量發(fā)生影響,溫差引起的葉片變形起主導(dǎo)作用,因此,A點(diǎn)變形朝向其反面法線負(fù)方向不斷增加。200min后溫差逐漸減小,而此時(shí)葉片出水邊表面溫度仍然處在Ms和Mf之間,此時(shí)出水邊內(nèi)部馬氏體相變大量發(fā)生,伴隨葉片鑄件出水邊體積膨脹,在葉片中造成很大的內(nèi)應(yīng)力,而高溫材料強(qiáng)度較低,致使葉片發(fā)生塑性伸長,此時(shí)葉片溫差引起的葉片的變形不起主導(dǎo)作用,從而導(dǎo)致葉片朝向其反面法線正方向變形,即葉片變形從極大值點(diǎn)開始逐漸減小。截面厚的B點(diǎn)受溫差和出水邊A點(diǎn)的影響,變形一直增加并在260~385min之間保持峰值,此后B點(diǎn)溫度在Ms和Mf之間,B點(diǎn)和其葉片內(nèi)部馬氏體大量轉(zhuǎn)變,體積膨脹,葉片朝向其反面法線正方向變形,變形又緩慢減小直到保持不變。受B點(diǎn)發(fā)生馬氏體相變而變形的影響(B點(diǎn)變形在260~385min達(dá)到極值后開始減小),葉片出水邊A點(diǎn)在465min左右出現(xiàn)極小值后,又朝向其反面法線負(fù)方向變化,葉片變形又開始增加。葉片鑄件正火變形與溫差和相變關(guān)系總結(jié):葉片厚薄溫差隨著冷卻的進(jìn)行和相變的發(fā)生出現(xiàn)了3個(gè)極值點(diǎn),在第3個(gè)極值點(diǎn)(200min)之前,出水邊(反面)的變形受溫差較大和相變未大量發(fā)生影響,溫差引起的變形起主導(dǎo)作用的影響而一直朝向其法線負(fù)方向一直增加并達(dá)到極大值點(diǎn),此后出水邊溫度值在Ms和Mf之間,馬氏體大量轉(zhuǎn)變并對(duì)葉片的變形起主導(dǎo)作用,葉片朝向其反面法線正方向變化,即葉片的變形開始回復(fù),變形值開始變小。受葉片截面厚大部分(B點(diǎn)和C點(diǎn))發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的影響,出水邊在465min左右出現(xiàn)極小值后又開始朝向其反面法線負(fù)方向變化,變形又增加。葉片B點(diǎn)變形隨著溫差的起伏一直朝向其反面法線負(fù)方向增加,在260~385min左右保持峰值基本不變,隨后由于發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變變形開始逐漸減小。高溫階段葉片出水邊的變形比較大,出水邊的變形在一定程度上影響著B點(diǎn)的變形的趨勢(shì),低溫階段B點(diǎn)和C點(diǎn)的變形(馬氏體轉(zhuǎn)變)也影響了出水邊A點(diǎn)的變形。2.2冷卻過程中葉片出水邊的殘余變形葉片一次回火工藝為加熱到620℃保溫后出爐空冷。圖6所示為測(cè)量的葉片回火冷卻過程中溫度分布變化情況,其中圖6a為出爐后開始測(cè)量時(shí)刻的葉片溫度分布,圖6b~6d分別為120min、240min、300min時(shí)的溫度場分布?？梢钥闯鋈~片截面薄的出水邊在出爐后溫度下降較快,截面厚的進(jìn)水邊溫度下降較慢。從進(jìn)水邊到出水邊呈現(xiàn)上低下高的溫度分布。由此可得到葉片不同部位的冷卻曲線及采用專用變形測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量葉片的變形情況如圖7所示。圖7為測(cè)量的葉片鑄件回火冷卻階段反面A、B和C點(diǎn)的表面溫度變化曲線和出水邊A點(diǎn)、中間B點(diǎn)的變形變化曲線。從圖7中A、B和C點(diǎn)溫度變化曲線可以看出:出爐后從葉片出水邊到進(jìn)水邊呈現(xiàn)上低下高的溫度分布,但是溫度差較小在20℃左右。由于沒有風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制冷卻,中間B點(diǎn)和進(jìn)水邊C點(diǎn)冷卻曲線基本一致,而截面薄的出水邊A點(diǎn)與B、C點(diǎn)的溫度差異明顯。A點(diǎn)的溫度在冷卻過程中下降快,在出爐后測(cè)量的5min內(nèi)從560℃降到521℃,冷卻速度約為7.8℃/min,截面厚的進(jìn)水邊C點(diǎn)則從590℃降到561℃,冷卻速度約為5.8℃/min;中間B點(diǎn)的溫度則從580℃降到550℃,冷卻速度為6.0℃/min。從圖7中A和B點(diǎn)變形曲線可以看出:出水邊(A點(diǎn))變形情況也不是單一的向正面或反面連續(xù)變化,而是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化過程;出水邊變形隨著冷卻過程進(jìn)行呈現(xiàn)波浪形,出現(xiàn)一個(gè)極大值點(diǎn),葉片出水邊變形先朝反面法線正方向不斷增加而后逐漸回復(fù)原狀再向反面法線負(fù)方向變形不斷增加,最后保持不變,即為葉片回火的殘余變形,葉片出水邊變形極值出現(xiàn)在出爐后測(cè)量的46~116min之間。相比于截面薄的出水邊,截面厚的B點(diǎn)變形隨著冷卻的進(jìn)行呈現(xiàn)一個(gè)逐漸增加的過程,在201~411min時(shí)變形處于比較平緩的階段,此后葉片變形又緩慢增加,但增加不明顯。對(duì)比圖7中溫度變化曲線和變形變化曲線可以看出,葉片出水邊的變形在出爐后隨著溫度的降低先增加后減小,變形的大小不是簡單地與溫度和時(shí)間成正比關(guān)系;截面厚的B點(diǎn)變形隨著溫度的降低一直增加,在201~411min增加緩慢。為了更好地研究葉片鑄件變形與各部分溫差的關(guān)系。如圖8所示為A、B點(diǎn)變形及上中下表面A、B和C點(diǎn)的溫差。如圖8所示在葉片回火出爐冷卻初期,沒有風(fēng)機(jī)的強(qiáng)制冷卻,葉片A點(diǎn)與B和C點(diǎn)溫差較小在20℃以內(nèi),高溫時(shí)截面薄的出水邊A點(diǎn)冷卻較快,而截面厚大的B、C點(diǎn)冷卻較慢,因此溫差迅速增加,在120min左右溫差分別達(dá)到最大值,最大值分別在140℃和120℃左右;葉片出水邊A點(diǎn)變形隨著溫差的增加而增加,在46~116min保持一極值,隨后A點(diǎn)溫度下降,冷卻速度也減小,溫差開始緩慢減小,A點(diǎn)變形朝向其反面法線負(fù)方向變化,變形開始回復(fù)。截面厚的B點(diǎn)與進(jìn)水邊C點(diǎn)溫差較小,受與A點(diǎn)溫差增加的影響變形一直增加,120min后變形增加比較緩慢,在201~411min變形處于比較平緩的階段。葉片鑄件回火變形與溫差關(guān)系總結(jié):葉片厚薄溫差隨著冷卻的進(jìn)行在120min左右出現(xiàn)極大值后緩慢減小。薄的出水邊A點(diǎn),隨著厚薄溫差的增加,朝某方向的變形逐漸增加,在46~116min保持一峰值不變,此后溫差減小,葉片朝反方向變化。截面厚的B點(diǎn)的變形受到與出水邊溫差較大