軸流泵葉輪外圓的機(jī)械加工

■廣東省韶關(guān)市技師學(xué)院 （512023） 張彩珠■上海東方泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司 （201906） 張永泉

軸流泵葉輪外圓的機(jī)械加工

■廣東省韶關(guān)市技師學(xué)院 （512023） 張彩珠
■上海東方泵業(yè)（集團(tuán)）有限公司 （201906） 張永泉

摘要：對(duì)傳統(tǒng)的軸流泵葉輪外圓的機(jī)械加工工藝進(jìn)行研究分析，指出目前加工方法存在的問(wèn)題，提出改進(jìn)措施，并對(duì)各種加工方法可能產(chǎn)生的加工誤差進(jìn)行了分析和計(jì)算，對(duì)提高現(xiàn)場(chǎng)的葉輪加工效率和加工質(zhì)量有參考和借鑒價(jià)值。

1. 葉輪外圓形狀

軸流泵葉輪是軸流泵的關(guān)鍵件，它決定著泵的運(yùn)行狀態(tài)和性能參數(shù)，并對(duì)泵的制造成本影響很大。因此在軸流泵的生產(chǎn)中都對(duì)它特別關(guān)注。軸流泵的葉輪由輪轂、葉片和其他零件組成，每個(gè)零件都有一整套加工工藝規(guī)程，本文只對(duì)葉輪輪轂和葉片組裝后，對(duì)葉輪外圓的加工工藝進(jìn)行分析和探討。

葉輪部件如圖1所示。

軸流泵葉輪外圓的加工目前都在立車(chē)上進(jìn)行。將葉片和輪轂按照葉片的工作位置組裝后，以輪轂的中心在立車(chē)的工作臺(tái)上定位，對(duì)葉輪外圓進(jìn)行加工。為了滿足用戶對(duì)同一臺(tái)泵有不同的流量和揚(yáng)程要求時(shí)，往往把葉輪的葉片安裝角度設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)的，在這種情況下，葉輪的外圓形狀就設(shè)計(jì)成球面形，與葉輪室的內(nèi)球面配合運(yùn)行，如圖2左側(cè)所示。當(dāng)泵的運(yùn)行工況比較穩(wěn)定，運(yùn)行參數(shù)不需要改變時(shí)，葉輪的外圓就設(shè)計(jì)成圓柱形，與葉輪室的內(nèi)圓柱面配合運(yùn)行，如圖2右側(cè)所示。

葉輪兩種不同的外圓表面有不同的加工工藝方案，現(xiàn)分別對(duì)其進(jìn)行分析。

圖1

圖2

2. 葉輪球形外圓的加工

目前加工葉輪的球形表面大多采用數(shù)控立車(chē)，加工刀具的軌跡為圓弧，圓弧的中心為葉片的回轉(zhuǎn)中心，加工編程簡(jiǎn)單方便，加工精度高。從圖1可以看到，葉片安裝成工作位置，與水平面一般有20°～30°的夾角，加工時(shí)，車(chē)刀要從A點(diǎn)走到B點(diǎn)（見(jiàn)圖3）。以1950ZWB葉輪為例計(jì)算，此走刀距離為320mm。由于葉片是薄壁件，在此狀態(tài)下葉輪為懸臂安裝，葉輪的剛度很差，加上斷續(xù)切削狀態(tài)，工件很容易產(chǎn)生振動(dòng)，因此吃刀量和進(jìn)給量都不能太大，極大地影響了加工效率，加工一個(gè)葉輪往往需要幾十個(gè)小時(shí)的時(shí)間。對(duì)于能否提高加工效率進(jìn)行了如下分析。

將葉片旋轉(zhuǎn)成水平狀態(tài)，加工程序依然按球面編制加工，加工完成后再旋轉(zhuǎn)成工作角度進(jìn)行裝配，加工狀態(tài)如圖4所示。

這樣加工有以下幾方面的好處：①提高了工件的剛性，可以加大吃刀量和進(jìn)給量。②縮短了走刀行程，由原來(lái)的320mm縮短為葉片厚度40mm，可以大

幅度提高加工效率。③改善了斷續(xù)切削狀況，避免了振動(dòng)。但這樣加工出的球面，能否保證旋轉(zhuǎn)后，葉輪的外球面依然在同一球面上，與葉輪室的間隙保持不變呢？

圖3

圖4

從理論上講，球面上的任何一點(diǎn)，只要繞自己的球心轉(zhuǎn)動(dòng)，它就永遠(yuǎn)在這個(gè)球面上。所以葉輪上的葉片外表面，只要是按照球面進(jìn)行加工，無(wú)論繞自己的球心轉(zhuǎn)動(dòng)任何角度，它都不會(huì)離開(kāi)這個(gè)球面。也就是說(shuō)，葉片轉(zhuǎn)到水平位置加工成的外球面后，再轉(zhuǎn)到安裝位置時(shí)，它與葉輪室的間隙保持不變。如果此間隙發(fā)生變化，只有一種可能，就是葉片的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)中心與加工葉片外表面時(shí)的編程設(shè)定中心沒(méi)有重合。如果數(shù)控加工時(shí)設(shè)定的球心與葉片的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)球心不重合，加工出的葉輪外表面仍然是一個(gè)等直徑的球面，如果葉片固定不再轉(zhuǎn)動(dòng)，可以和葉輪室的內(nèi)球面相吻合，只是在軸向上相對(duì)位置發(fā)生了變化，如果還要繞葉片的回轉(zhuǎn)中心轉(zhuǎn)動(dòng)，則破壞了葉輪外表面的球面形狀，無(wú)法和葉輪室的內(nèi)球面相配合使用。

從圖1可以看出，葉片的回轉(zhuǎn)中心可以通過(guò)測(cè)量輪轂的葉片安裝孔的中心得到，只要測(cè)量精度足夠，葉片外球面的加工誤差是能夠控制的。由于葉片和葉輪室的間隙一般在0.8mm左右，所以由此產(chǎn)生的誤差與設(shè)計(jì)間隙相比很小，是完全可以接受的。

大型數(shù)控立車(chē)價(jià)格昂貴，有些企業(yè)沒(méi)有這種設(shè)備，那么能否用普通的立車(chē)加工出葉輪的外球面呢？從普通立式車(chē)床的功能來(lái)看，其不具備這種功能，但通過(guò)其他途徑，是有可能加工出葉輪的外球面的。例如：①可以通過(guò)設(shè)計(jì)專(zhuān)用工裝加工。②可以將葉片轉(zhuǎn)到水平位置，按照?qǐng)A柱形進(jìn)行球面的近似加工。在普通立式車(chē)床上加工球面工裝在許多期刊上均有介紹，故不再贅述，現(xiàn)對(duì)第2種方法進(jìn)行分析。

如圖4所示，將葉片轉(zhuǎn)到水平位置按圓柱完成加工后，葉輪與葉輪室會(huì)形成如圖5所示的狀態(tài)。

從圖5可以看出，由于葉片有一定的厚度，葉片與葉輪室配合部分受葉片厚度的影響，葉片實(shí)際的作用尺寸已經(jīng)不是葉片的直徑尺寸，而是比葉片的直徑略大，大的多少與葉片的厚度有關(guān)。圖5中o是葉輪（也是葉片）的回轉(zhuǎn)中心，oa是葉片的半徑，ob是葉輪室的半徑，ac是葉片厚度的一半（葉片回轉(zhuǎn)中心線通過(guò)葉片厚度中心線）。假設(shè)葉輪的半徑oa為1 000mm，葉輪室的半徑ob為1 000.8mm（一般葉輪與葉輪室之間的設(shè)計(jì)間隙為0.8mm左右），葉片厚度為40mm，應(yīng)用勾股定理，可計(jì)算出oc近似等于1 000.2mm，因此葉片與葉輪室之間的間隙變?yōu)?.6mm。通過(guò)綜合分析，確定此間隙減小后能否保證裝配后正常運(yùn)行，如果可以保證，這種加工方法是可行的，如果不能保證，則不能采用這種加工方法，應(yīng)考慮采取其他措施是否可能，比如適當(dāng)減小葉輪的加工直徑尺寸。影響這種加工方法的關(guān)鍵因素是葉片的厚度，如果葉片很薄，則對(duì)間隙的影響很小，可以忽略不計(jì)?？傊@種加工方法會(huì)使葉片與葉輪室的間隙減小，有利于提高泵的運(yùn)行效率和加工效率，但容易造成葉片與葉輪室的摩擦，影響正常運(yùn)行。

應(yīng)該注意的是，有時(shí)葉片的厚度中心并不在葉片的回轉(zhuǎn)中心線上，如圖6所示，ac大于葉片厚度的一半，或者葉片轉(zhuǎn)到水平位置后，葉片上任何一點(diǎn)向其中心線的投影超出了葉片厚度（見(jiàn)圖4），此時(shí)在計(jì)算加工產(chǎn)生的誤差時(shí)，應(yīng)取回轉(zhuǎn)中心到壁厚邊沿（或垂足）的最大值，而不是取壁厚的1/2。

圖5

3. 葉輪圓柱形外圓的加工

無(wú)論對(duì)于葉輪還是葉輪室，在數(shù)控立車(chē)或是在普通立車(chē)上，圓柱表面加工都是比較簡(jiǎn)單的，

但此時(shí)必須注意到，把葉片安裝成工作位置加工，葉片剛度差，走刀距離長(zhǎng)，功效慢，但加工出的葉輪安裝后與葉輪室的間隙不變，可保證泵的運(yùn)行效率。如果把葉片旋轉(zhuǎn)到水平位置加工，雖然能夠克服葉片剛度差、走刀距離長(zhǎng)的缺點(diǎn)，但卻會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，加大葉片和葉輪室之間的配合間隙，影響泵的水力性能，因此不能盲目地采用，必須經(jīng)過(guò)計(jì)算，對(duì)泵的性能影響進(jìn)行評(píng)估后再做決定。葉片旋轉(zhuǎn)到水平位置加工，裝配后葉片和葉輪室的間隙如圖6右側(cè)所示。

葉片安裝成工作位置按圓柱形加工，葉輪與葉輪室安裝后彼此之間的間隙不變（圓柱配圓柱），如果將葉片旋轉(zhuǎn)到水平位置加工，安裝后間隙則產(chǎn)生變化，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)中心附近的間隙沒(méi)有多大變化，隨著向葉片兩端延伸，葉片和葉輪室的間隙逐漸加大，離中心越遠(yuǎn)，間隙越大。葉片轉(zhuǎn)角越大，間隙越大（轉(zhuǎn)角一般≥30°）。

假設(shè)葉輪的半徑為1 090mm，葉片的最大寬度點(diǎn)到葉片回轉(zhuǎn)中心的距離為350mm，葉片安裝后與水平夾角為30°，如圖7所示，葉片與通過(guò)回轉(zhuǎn)中心的水平面的最大距離為175mm（見(jiàn)圖7a）；安裝后，通過(guò)近似計(jì)算，葉片與葉輪室之間的間隙最大增大了14.12mm（見(jiàn)圖7b）。

間隙增大將會(huì)使泵運(yùn)行時(shí)泄漏量增大，效率降低。所以采用這種方法加工時(shí)，要考慮葉片的尺寸大小，葉片安裝角度的大小，對(duì)泵運(yùn)行效率要求的高低，綜合考慮后再?zèng)Q定是否采納?？傊@種加工方法會(huì)使葉片與葉輪室的間隙加大，降低泵的運(yùn)行效率。

任何零件的加工方案都不是唯一的，葉輪的加工工藝方案也不例外，開(kāi)闊思路，根據(jù)企業(yè)的設(shè)備情況、整機(jī)的運(yùn)行要求、交貨期等因素，優(yōu)化出一種最佳方案，就能得到最理想的效果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2] 孟少農(nóng).機(jī)械工藝手冊(cè)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

圖6

圖7

專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

文章對(duì)軸流泵葉輪外圓球面和圓柱面的加工進(jìn)行了分析和探討，為提高葉輪的加工效率和泵的運(yùn)行可靠性，給出了幾種加工方案，實(shí)踐中可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。并可作為其他類(lèi)似形狀的工件加工時(shí)的參考。

收稿日期：（20150417）