Pelton turbinalapát fröccsöntő szerszámának tervezése – gyártása – reverse engineering technológiával

Annak ellenére, hogy pályájuk elején vannak még, számos szakmai és tudományos szempontból is kiemelkedő dolgozat születik főiskolai, egyetemi hallgatók tollából. Azonban ritkán van arra lehetőség, hogy szélesebb közönség is megismerhesse ezeket a  munkákat. A későbbiekben igyekszünk röviden bemutatni néhány, a hazai műszaki felsőoktatásban született tudományos dolgozatot Olvasóinknak. A tapasztalt mérnököknek, de minden iparban tevékenykedőnek érdekes és tanulságos lehet ezeknek a fiatal, elhívatott hallgatóknak a munkájáról olvasni, akár csak szakmai kíváncsiságból, akár gondolatébresztés miatt. Reméljük, a dolgozatok szerzőinek is megelégedésükre szolgál, hogy nagyobb nyilvánosságot kaphatnak az általuk elért eredmények.

Az első dolgozat az Országos Tudományos Diákköri Tanács által szervezett Tudományos Diákköri Konferencián szerepelt sikeresen.
A szerzők Huss Dániel, Kelemen Norbert, Kovács Vince, Mátrai Róbert.
Konzulensek: Gyurika István – tanszéki mérnök, Dr. Markos Sándor – adjunktus

Pelton turbina lapát szkennelése

Pelton turbina lapát szkennelése

A TDK (Tudományos Diákköri Konferencia) dolgozatunk a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gyártástudomány és –technológia tanszékén született egy négyfős csapat együttműködésében. A Hidrodinamikai Rendszerek Tanszéktől érkezett a felkérés egy valós Pelton turbina lapátból kiindulva egy olyan fröccsöntő szerszám tervezésére, amely az eredeti méret harmadával és eltérő rögzítési lehetőséggel rendelkező polimer lapát gyártására képes.

A feladathoz a fizikai darabon és néhány szóban definiált követelményen kívül nem állt rendelkezésre semmilyen műszaki dokumentáció, ezért esett a választás a modellalkotás egy speciális lehetőségére, a reverse engineering módszerre. Munkánk során megismerkedtünk a folyamat lépéseivel és a fröccsöntő szerszámok tervezésével is.

Pelton turbina lapát felületek illesztése

Pelton turbina lapát felületek illesztése

Először pontlézeres szkenneléssel tapogattuk le a lapát felületét, majd a pontokra Rapidform XOR reverese engineering, remodelling feladatok ellátására alkalmas programmal felületeket illesztettünk és így született meg a hidrodinamikailag fontos geometria.

Ez a modell lett a következő lépesek kiindulási alapja. Megtervezésre került a szár geometria, amely a homlokfelületeivel biztosítja a lapátok megfelelő szöghelyzetét. Másrészt egy alakkal záró radiális rögzítés, amely segítségével két homlokbeszúrással rendelkező tárcsa közé fogva a járókerék egyszerűen komponálható. Majd a geometriáját szerelhetőségi, fröccsönthetőségi szempontok alapján változtattuk, amellyel megszületett a véglegesnek szánt geometria.

A szerszámtervezés megkezdése előtt néhány analízisnek vetettük alá a modellt. VEM szimulációs (AutoDesk Moldflow 2009 Insight) módszerekkel vizsgáltuk a fröccsöntési folyamatot, ebből számos információt gyűjtöttünk a szerszámkialakítás és fröccsöntési paraméterek beállításához. Vizsgáltuk a két fészek közötti gát és elosztó rendszer kialakításának lehetőségeit, valamint ellenőriztük, hogy milyen mértékű beszívódásokkal és deformációkkal számolhatunk a változó falvastagság következtében.

Pelton turbina lapát ömledékfront hőmérséklete

Pelton turbina lapát ömledékfront hőmérséklete

A szimulációs eredmények alapján világossá vált, hogy a geometria nem a legoptimálisabb a fröccsöntési szempontokat figyelembe véve, de az egyéb követelményeket figyelembe véve a geometriát elfogadható kompromisszumnak tekintettük A lapátot alávetetettük szilárdságtani szimulációs vizsgálatoknak is. Első lépésként impulzus tétel segítségével meghatároztuk a terhelő erőt. A vizsgálatot egy szélső terhelés értékre építettük fel. Azt feltételeztük, hogy valamilyen okból kiindulva a járókerék csapágyazása megsérül és nem teszi lehetővé annak forgását. Ekkor a vízsugár teljes impulzusa az álló lapátot terheli. Amennyiben a lapát ezt az extrém terhelési esetet is képes elviselni, akkor szilárdságilag megfelelőnek minősíthető. A darabot VEM analízis alapján szilárdságilag is megfelelőnek ítéltük.

Pelton turbina lapát fröccsszerszám

Pelton turbina lapát fröccsszerszám

Miután kialakult a turbinalapát végleges geometriája nekiállhattunk a szerszám megtervezésének. A szerszám elemeinek egy részét szabványos elemként katalógusból választottuk, másik részének megmunkálását pedig mi terveztük meg. A kiválasztott mérettartományt a Polimertechnika Tanszék Arburg 370 H 600-290-es fröccsöntőgép méretei határozták meg, így két fészek megtervezésére volt lehetőségünk, ahogyan azt a fröccsöntés szimuláció során már megfigyelhettük. A gyártástechnológiai lehetőségeink figyelembevételével különféle betétek kialakítása volt szükséges. Elhelyeztünk a formalapokban a szabványos összevezetőket, oszlopokat és temperáló közeg számára furatokat is. A kilökő rendszeren egy alámetszés került kialakításra, hogy biztosítható legyen a darab helyzete a „mag” oldalon a szerszámnyitáskor.

Pelton turbina lapát szerszámpálya

Pelton turbina lapát szerszámpálya

A végleges szerszám-geometria kialakítása után megkezdtük az egyedi alkatrészek gyártástervének kidolgozását. A gyártástechnológiát illetően azt a filozófiát követtük, ami a szerszámgyártásban, egyedi gyártásban jellemző. Nevezetesen, hogy nincs minden műveleti utasítás és műveletelem részletesen, mélységében kidolgozva, hiszen a gyártást is mi fogjuk végezni. Így ehhez elegendő a darabok geometria modellje is. A szerszámok és készülékek kiválasztásán túl Unigraphix NX6 szoftver segítségével létrehoztuk a szerszám mozgáspályáit.

Jelenleg a gyártás előkészítés fázisában vagyunk. A kilökő rendszerhez méretre vágtuk a lapokat, a szabványos alkatrészek beszerzése is megtörtént. A formalapokhoz az előgyártmánnyal is rendelkezünk, a szükséges szerszámok megrendelése is megtörtént. Az elemek legyártása után a formaüregek felpolírozása, majd a szerszám összeszerelés következik. A lapátok fröccsöntése a Polimertechnika Tanszéken fog történni. A Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék legyártja a lapátokat összefogó tárcsákat és beépítik a turbina kereket a laborjukba. Az oktatásban fogják alkalmazni, a hallgatói mérések egyik eszközeként.

A TDK munka elkészítése során az alkalmazott technológiák széles repertoárjának köszönhetőn nagyon sok hasznos tapasztalatra tettünk szert. Sikeresen oldottuk meg a feladatok során felmerülő problémákat. A TDK dolgozatunkban törekedtünk a lehető legteljesebben leírni az általunk elvégzett feladatokat. Az érthetőség és a lépések könnyű követhetőségének érdekében a folyamatokat számos ábrával illusztráltuk.