解析葉輪零件制造工藝設(shè)計(jì)

吳松建

（成都天翔環(huán)境股份有限公司 四川成都 610300）

解析葉輪零件制造工藝設(shè)計(jì)

吳松建

（成都天翔環(huán)境股份有限公司 四川成都 610300）

葉輪作為動(dòng)力機(jī)械的主要部件應(yīng)用在很多方面，其整體的加工質(zhì)量直接影響著機(jī)械的整體性能，是這些動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件。因此，葉輪的加工制造技術(shù)是動(dòng)力機(jī)械生產(chǎn)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文主要介紹了葉輪零件的加工制造工藝方面的內(nèi)容，希望對(duì)有關(guān)的專業(yè)人士能有所幫助。

葉輪；制造工藝；設(shè)計(jì)

引言

葉輪是動(dòng)力機(jī)械的最主要部件，在很多的領(lǐng)域都有所應(yīng)用，例如：航天航空、水泵、離心機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等，其加工制造質(zhì)量直接影響著機(jī)械的整體性能。根據(jù)葉輪的幾何結(jié)構(gòu)以及相關(guān)工藝內(nèi)容來(lái)看，加工葉輪時(shí)加工軌跡受到的約束的情況很多，由于兩相鄰葉片空間距離較小，加工過(guò)程中較易產(chǎn)生干涉的情況，因此，想要自動(dòng)生成沒(méi)有干涉的加工軌跡還是比較困難的。所以在葉輪的加工過(guò)程中除了要確保加工時(shí)葉片的加工軌跡準(zhǔn)確性外，還要注意的是在加工過(guò)程中軌跡的規(guī)劃要準(zhǔn)確以保證加工的質(zhì)量（受到葉片厚度限制）。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械的速度以及推重等要求越來(lái)越高，在很多的新型發(fā)動(dòng)機(jī)中已廣泛的采用整體式結(jié)構(gòu)葉輪，這就要求我們要采用先進(jìn)的數(shù)控加工仿真技術(shù)，可以滿足加工種類多、加工難度較大的整體葉輪，從而降低葉輪的加工成本。

1 葉輪零件的結(jié)構(gòu)分析

1.1 葉輪結(jié)構(gòu)介紹

整體式葉輪作為發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力機(jī)械的關(guān)鍵部件對(duì)機(jī)械的整體性能有巨大的影響，葉輪的加工質(zhì)量直接決定了動(dòng)力機(jī)械的性能高低。整體式葉輪的大體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體葉輪基本結(jié)構(gòu)圖

其結(jié)構(gòu)主要包括葉片和輪轂。其中的輪轂曲面主要是流線曲線圍繞著旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)而得到的。葉片曲面是由葉片曲線沿著旋轉(zhuǎn)軸垂直的方向拉伸之后通過(guò)片體的增厚來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在葉片上部的曲面是可以通過(guò)裁剪得出的。

整體式葉輪都是根據(jù)復(fù)雜的空間流體動(dòng)力學(xué)理論進(jìn)行設(shè)計(jì)得到的，其葉片是均勻分布在輪轂上的，葉片的形狀也都與流體流動(dòng)的規(guī)律相符合。整體式葉輪的葉片形狀比較復(fù)雜，同時(shí)對(duì)其精度要求也比較高。整體式葉輪想要進(jìn)行加工首先要按照葉輪的三維模型來(lái)進(jìn)行編程，只有這樣加工出的葉輪才能與設(shè)計(jì)的要求相符，才能符合機(jī)械整體性能要求。

1.2 葉輪幾何結(jié)構(gòu)特點(diǎn)介紹

對(duì)于整體式葉輪來(lái)說(shuō)，為了達(dá)到最好的葉輪性能，在設(shè)計(jì)時(shí)常常是將葉輪的葉片設(shè)計(jì)成為一長(zhǎng)一短的形式。但是葉輪的此種結(jié)構(gòu)也大大增加了編程處理的難度，尤其是對(duì)于短葉片的處理，這就需要相關(guān)的編程人員合理解決刀具的軌跡問(wèn)題。

葉輪葉片的正反兩個(gè)面雖然是曲面，但是又是直紋面，這兩個(gè)面分別被稱為壓力面以及吸力面。在此兩個(gè)面的中間屬于過(guò)度面，采用的是圓角形式。此過(guò)度圓角可以采用不同的形式來(lái)處理，例如圓弧、多段小圓弧以及橢圓形等等，曲率大小不一，根據(jù)設(shè)計(jì)不同可以適當(dāng)調(diào)整。為了符合流體動(dòng)力學(xué)方面的規(guī)律，在葉片的根部常常采用的是變圓角的處理方式。從葉輪的進(jìn)口處算起葉片的根部圓角逐漸增大。之所以在葉輪進(jìn)口處選擇較小的圓角半徑主要是為了降低阻塞損失，而在葉輪的中間位置采用較大的圓角主要是為了增加葉片承受應(yīng)力的能力。

整體葉輪的葉片表面之所以存在不可展開的直紋面主要是由于曲面的扭曲較大造成的，就是指直線與葉輪蓋和輪轂交點(diǎn)的法向方向是不同的。所以在進(jìn)行程序編制時(shí)，如采用直線元方式對(duì)刀軸進(jìn)行定義的話就很容易造成刀具切入到葉片，就會(huì)造成過(guò)切現(xiàn)象，所以整體式葉輪在采用此種方法加工時(shí)往往會(huì)存在一定的缺陷，主要表現(xiàn)在葉片的中間薄，兩面的中間凹。

2 葉輪加工方法的選擇

（1）現(xiàn)階段在國(guó)際市場(chǎng)上來(lái)看，在德國(guó)、美國(guó)等制造業(yè)強(qiáng)國(guó)大都研制出了專業(yè)的葉輪設(shè)計(jì)加工編程軟件，這就使得整體葉輪的編程比較容易操作，編程人員只需輸入葉輪的設(shè)計(jì)參數(shù)即可完成。這些軟件對(duì)整體葉輪的加工來(lái)說(shuō)比較方便，同時(shí)也使得整體葉輪的加工變得比較簡(jiǎn)單，同時(shí)加工成本也有一定的降低，加工周期也會(huì)大大縮短。但是開發(fā)此種軟件需要較高的費(fèi)用以及較長(zhǎng)的時(shí)間，所以很多國(guó)家沒(méi)有采用此種軟件。我國(guó)對(duì)于整體葉輪加工往往都是采用通過(guò)CAD軟件進(jìn)行編程，通過(guò)五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床進(jìn)行加工的方式進(jìn)行。

（2）葉輪之所以加工復(fù)雜就在于葉片的復(fù)雜曲面造型，所以能否較為準(zhǔn)確的加工出形狀復(fù)雜的葉輪已經(jīng)成為衡量機(jī)床性能的重要標(biāo)準(zhǔn)。由于形成的原理不同，曲面可以分為直紋曲面以及非直紋曲面，直紋曲面又可以進(jìn)一步分為可展開的直紋面以及不可展開直紋面。對(duì)于可展開的直紋面來(lái)說(shuō)完全可采用非數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，而對(duì)于不可展開的直紋面以及自由曲面葉片的葉輪來(lái)說(shuō)，必須要采用四軸以上聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床才可能準(zhǔn)確的將葉輪曲面加工出來(lái)。

（3）高檔數(shù)控機(jī)床具有四軸或五軸的聯(lián)動(dòng)功能，所以用此機(jī)床加工葉輪除了可以確保刀具球頭對(duì)工件的準(zhǔn)確切削外，還可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)軸的工作使刀體或者刀桿等部分避免對(duì)工件造成刮碰，避免發(fā)生干涉的情況?，F(xiàn)階段，我國(guó)已大量采用鍛造毛坯之后通過(guò)多坐標(biāo)的數(shù)控機(jī)床加工的方式來(lái)進(jìn)行葉輪的制造，國(guó)內(nèi)所采用的機(jī)床也都是具有國(guó)際水準(zhǔn)的高檔四軸或五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床。

3 葉輪加工工藝分析

3.1 葉輪材料的選擇

由于對(duì)動(dòng)力機(jī)械要求越來(lái)越高，所以對(duì)作為重要部件的葉輪要求也較高。葉輪所用的材料要具有較好的綜合性能，對(duì)于材料的耐溫性能、強(qiáng)度、塑性以及韌性等都有較高的要求。葉輪的材料要滿足如下的要求：

①要具有較高的組織穩(wěn)定性；②要具有足夠的高溫力學(xué)性能；③要具有較高的抗振動(dòng)衰減性能；④要具有良好的耐腐蝕及抗沖蝕性能；⑤要具有良好的工藝性能。

對(duì)于五軸數(shù)控加工中心來(lái)說(shuō)，可以一次加工完成輪轂和葉片。五軸數(shù)控加工技術(shù)的逐漸發(fā)展使得葉輪等復(fù)雜形狀的部件可以整體加工出來(lái)，所以最好的毛坯是采用鍛壓件，這樣的毛坯可以滿足葉輪對(duì)于產(chǎn)品強(qiáng)度方面的要求，同時(shí)其曲面的誤差較小，做動(dòng)平衡時(shí)所要去掉的質(zhì)量相對(duì)較小。除此之外，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于葉輪材料來(lái)說(shuō)，除了要保證零件具有足夠的強(qiáng)度之外還要盡可能的降低零件的重量。對(duì)于此種應(yīng)用的葉輪來(lái)說(shuō)，綜合考慮使用性能以及工藝性等方面可以采用鋁合金、鈦合金以及不銹鋼等。

3.2 加工工藝路線的制定

（1）一般來(lái)說(shuō)整體葉輪的曲面部分精度較高，實(shí)際工作中進(jìn)行高速的旋轉(zhuǎn)，因此對(duì)動(dòng)平衡等方面的要求較高。根據(jù)葉輪的形狀、材料以及結(jié)構(gòu)等方面的特點(diǎn)來(lái)看：

①葉輪上的葉片長(zhǎng)度是不同的，同時(shí)葉片為空間曲面，其扭曲程度較高，同時(shí)具有一定的仰角，因此加工時(shí)刀具的相對(duì)擺動(dòng)比較容易造成相鄰葉片切削干涉，所以要重點(diǎn)考慮刀具的切削方向。同時(shí)，曲面加工是采用分段的形式進(jìn)行的，所以應(yīng)注意確保加工表面的一致性；

②由于葉片之間的空間較窄，加工空間有限，所以不能采用強(qiáng)度和剛度都較好的大直徑刀具進(jìn)行加工；

③在葉片的壓力面和吸力面邊緣曲率半徑變化比較大，這就使得刀具以及夾具的角度變化都比較大；

④由于強(qiáng)度的需要，在葉輪輪轂以及葉片之間是通過(guò)倒圓角的方式進(jìn)行過(guò)度的，此位置應(yīng)該注意刀具的選擇情況；

⑤由于葉片的厚度有限，整體上來(lái)說(shuō)屬于薄壁件加工，其剛性較差，所以在加工工藝設(shè)計(jì)上要充分考慮多工步反復(fù)加工葉片的方式，減小加工殘余應(yīng)力所造成的形變；

⑥由于葉輪的材料大多采用鋁合金、鈦合金以及不銹鋼等，所以在設(shè)計(jì)加工工藝時(shí)要考慮提升整體葉輪的強(qiáng)度，因此葉輪的毛坯大多采用鍛壓件，之后進(jìn)行基準(zhǔn)面的加工。

（2）加工的刀具工藝設(shè)計(jì)如下：

車外圓—銑端面—鉆中心孔—鏜孔—插鍵槽—粗加工葉輪輪廓—粗加工葉片—粗加工流道面—精加工葉片—精加工流道面—磨棱角去毛刺。

在進(jìn)行整體葉輪加工時(shí)，由于葉輪為葉片均勻分布的回轉(zhuǎn)體零件，所以應(yīng)該選擇葉輪的底面圓心為工件的原點(diǎn)，這樣可以大大簡(jiǎn)化工件的找正以及后處理的相關(guān)過(guò)程。加工之前根據(jù)葉輪整體的參數(shù)特征，基本可以確定相關(guān)的加工設(shè)備類型及型號(hào)，例如機(jī)床的型號(hào)、刀具的參數(shù)、夾具以及裝夾方式等。在刀具的選擇方面，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心優(yōu)先要采用平底刀進(jìn)行加工，這樣可以很好的降低由刀具原因造成過(guò)切以及干涉的情況。當(dāng)需要對(duì)流道等空間較窄的位置進(jìn)行加工時(shí)可選擇錐度較小的平底銑刀，這樣可以提升刀具方面的剛性。由于葉輪的流道加工余量并不是隨著葉輪的型線均勻分布的，并且其切削的深度也是時(shí)時(shí)變化的，這樣就使得刀具的受力比較劇烈，很大程度上降低了刀具的使用壽命，降低了加工的質(zhì)量，這需要編程人員對(duì)加工軌跡進(jìn)行合理規(guī)劃。對(duì)于流道的粗加工來(lái)說(shuō)，需要分成不同的層次逐漸進(jìn)行，沿著流道面的方向進(jìn)行分割流道區(qū)域，可以使流道粗加工時(shí)不同層的厚度比較均勻，確保加工過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

葉輪作為動(dòng)力機(jī)械的最主要部件，其加工制造質(zhì)量直接決定著機(jī)械的整體性能。我國(guó)較為常見(jiàn)的葉輪加工方式是通過(guò)CAD軟件編制程序，通過(guò)五軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，這就需要相關(guān)的編程人員在充分熟悉葉輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上編制合理的加工程序，通過(guò)數(shù)控機(jī)床的輔助加工出高精度的整體葉輪，進(jìn)而提升動(dòng)力機(jī)械的整體性能。

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TG659

A

1004-7344（2016）09-0216-02

2016-3-10

吳松建（1984-），男，漢族，工程師，本科，主要從事機(jī)械設(shè)備制造工作。