冲击式水轮机转轮水斗3D堆焊装置设计及运动分析

摘要

转轮是冲击式水轮机的核心部件，转轮制造水平关系着水轮机工作效率、寿命和企业的经济效益。现阶段，整体锻造配合数控加工是转轮制造的主流方式，但此种方式材料利用率低，通常毛坯的3/4需要去除，造成了大量的材料浪费。寻求转轮制造的新思路，研制相应的装备，减小材料的浪费、提高生产效率，提升转轮的制造水平很有必要。　　本文针对转轮水斗的制造问题，把堆焊技术与3D打印技术融合在一起，用于转轮水斗毛坯的制造，实现转轮水斗的近净成型加工。结合3D堆焊技术研制适合于转轮水斗堆焊制造和修复的专用堆焊装置，本文的主要研究内容如下：　　首先，论述了3D堆焊工艺的原理、特点及其用于转轮制造的合理性。结合转轮待焊位置分析研究了适合转轮材料堆焊的常用堆焊工艺，确定了转轮水斗的堆焊方法。研究了堆焊工艺参数对焊丝熔化速度、堆焊成形、飞溅的影响，制定了转轮水斗的堆焊工艺。　　其次，根据企业的技术要求，对堆焊装置进行设计，主要进行了堆焊装置总体方案设计，焊枪水平移动模块设计，焊枪上下移动模块设计，焊枪角度调整模块设计，转轮变位机构设计，并对关键部件进行静刚度、强度分析，通过堆焊装置装配体干涉检查进一步优化结构设计。根据堆焊装置的实际运动情况，制定堆焊装置的控制方案，对控制系统主要硬件进行了简单介绍。　　再次，确定了堆焊路径规划的整体思路，分析比较了数控铣削刀具路径和堆焊路径的差异，通过Creo对转轮进行三维建模并进行模型处理。采用Creo CAM模块对水斗的每一层进行加工，采用以焊丝直径为直径的铣刀进行堆焊过程模拟，并在Vericut中利用以堆焊熔宽为直径的刀具进行单层材料移除模拟，阐述了采用刀具路径代替堆焊时焊丝末端轨迹的合理性。创建后置处理器对CL文件进行编译转换成数控系统能识别的MCD文件。　　最后，根据堆焊装置的实际运动情况，通过Creo的机构分析模块，创建机构连接定义，添加伺服电机，创建分析定义，创建测量，进行运动碰撞干涉检查，检验焊枪与相邻水斗可能出现干涉的位置是否会产生干涉，通过调整焊枪角度使焊枪与相邻水斗处于临界干涉状态，测得焊枪不干涉的角度范围，为其他角度的堆焊提供了一个参考。

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1 绪论

1.1 冲击式水轮机转轮概述

1.2 冲击式水轮机转轮水斗的制造方法

1.3 3D堆焊技术概述

1.4 自动堆焊工艺装备现状

1.5 课题的提出及研究意义

1.6 本文研究内容

2 冲击式水轮机转轮水斗堆焊工艺研究

2.1 转轮堆焊的要求

2.2 堆焊工艺方法的选择

2.3 MAG堆焊工艺分析研究

2.4 焊接电源的选择

2.5 堆焊工艺的制定

2.6 本章小结

3 冲击式水轮机转轮水斗堆焊装置设计

3.1 堆焊装置要满足的技术要求和设计方案

3.2 焊枪水平移动模块的设计

3.3 焊枪上下移动模块的设计

3.4 焊枪角度调整模块的设计

3.5 转轮变位机构模块的设计

3.6 虚拟装配

3.7 堆焊装置控制系统方案介绍

3.8 本章小结

4 冲击式水轮机转轮水斗堆焊路径规划

4.1 堆焊路径规划概述

4.2 冲击式水轮机转轮三维建模

4.3 转轮水斗堆焊分析

4.4 Creo 3.0 CAM铣削轨迹的生成

4.5 铣削路径文件的后置处理

4.6 本章小结

5 堆焊装置运动仿真分析

5.1 Creo运动仿真概述

5.2 堆焊装置机构连接定义

5.3 堆焊装置运动仿真动力的添加

5.4 运动仿真分析

5.5 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果