三元閉式葉輪流道粗糙度提升工藝方法研究

范海宇，白俊峰，劉姝鑫，柳 鵬，富永亮

（沈陽鼓風機集團股份有限公司 透平工藝部，遼寧 沈陽 110869）

1 葉輪概述

葉輪是石油化工機組項目中必不可缺的核心部件，在壓縮機以及泵閥等主要設(shè)備中起著關(guān)鍵的作用。隨著國家能源戰(zhàn)略的調(diào)整，高效低耗的離心壓縮機將逐步大型化；葉輪也將更多地選擇高效率的三元閉式整體銑制葉輪。如圖1所示，此類葉輪具有流道出口寬度窄，葉片扭曲嚴重，流道粗糙度要求高，葉根圓角小等特點。為防止因葉輪制造誤差造成機組效率損失，人們對此類葉輪的制造精度又提出了更高的要求。

圖1 三元閉式葉輪

本文以某型離心式壓縮機三元整體閉式葉輪為例，采用自主創(chuàng)新的加工工藝方法，完成了三元閉式整體銑制葉輪的粗加工、精加工；并在精加工后通過對葉輪的超精加工，改善葉輪流道表面光潔度質(zhì)量，從而提高葉輪工作效率及使用壽命。通過檢驗得出的結(jié)論驗證了此項工藝研究是合理的、正確的。

2 葉輪傳統(tǒng)加工方法

根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點，可以將葉輪劃分成開式葉輪、半開式葉輪、閉式葉輪。同時也可以將葉輪分為兩元葉輪和三元葉輪；并可通過如下方法加工制作而成。（1）板材或者鍛件葉片沖壓后焊接；（2）數(shù)控加工中心銑制后焊接；（3）精密鍛造、鑄造；（4）數(shù)控電火花加工。

用以上工藝方法制造葉輪周期長、成本高、流道表面光潔度不高，需人工修磨，修磨后葉輪流道內(nèi)表面粗糙度可達Ra 1.6。目前，隨著離心壓縮機組的型號越來越大，葉輪的尺寸也隨著逐漸增大。

3 整體銑制加工技術(shù)

3.1 工裝夾具的設(shè)計

加工三元整體銑制閉式葉輪采用設(shè)備為數(shù)控五軸加工中心，為保證整體加工，不僅要在葉輪的輪盤背部制作出合適的夾頭，還需要制作一套工裝夾具，作用主要有兩個：（1）將葉輪和機床工作臺連接起來以便于葉輪的安裝、調(diào)試、打表找正裝夾，工裝的設(shè)計精度需等同于葉輪的設(shè)計精度，內(nèi)外定位尺寸及位置公差都要求控制在0.01 mm以內(nèi)，同時工裝的整體強度也要有相應(yīng)要求。（2）工裝夾具在粗、精銑制葉輪時不僅起到連接轉(zhuǎn)換的作用，還能充分有效地吸收切削里造成的震動，減少了對機床的沖擊，保證了葉輪的加工粗糙度。

工裝夾具明細如下：（1）定位連接盤。與機床工作臺相連接，定位作用。（2）墊鐵。承重固定。（3）側(cè)壓塊。在葉輪夾頭部分從外圓向內(nèi)加緊葉輪，類似于四爪卡盤作用。（4）連接盤。將承重固定的墊鐵與葉輪直接定位連接。（5）上壓板。從葉輪的頂部向下把合葉輪壓緊、固定。裝夾后葉輪如圖2所示。

3.2 粗精銑三元閉式葉輪葉片

粗銑葉片依靠機床五軸聯(lián)動功能，根據(jù)葉輪型線進行等參數(shù)均分層，同時根據(jù)各種刀具來控制每次加工的深度及寬度，直至將葉輪的每個葉片間的流道部分余量全部去除，但要給葉片的精加工預留足夠余量。

粗銑后對葉片厚度進行逐個測量，并且依據(jù)葉片設(shè)計厚度以及預留余量的情況，檢驗各葉片的加工尺寸；粗加工后對葉輪進行半精銑加工，半精銑是利用專用刀具按照整個葉片展開的方向進行加工，同時模擬出葉片走刀的路線，并給精銑葉片留出一定余量。

圖2 葉輪裝夾后整體示意

精銑葉片為三元整體閉式葉輪的加工難點，當利用五軸加工中心精銑時，需要五軸加工中心的X，Y，Z軸及機床中心的刀具附件頭A軸和旋轉(zhuǎn)工作臺B軸聯(lián)動，依靠刀具的形狀尺寸擬合出整個葉片加工后的型線。由于刀具具有一定的韌性和脆性，故在精銑葉片的過程中，會產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，因此在銑削過程中需要排刀加工。粗精銑葉輪后粗糙度可達Ra 3.2。

4 磨料流精加工技術(shù)

4.1 磨料流工作原理

葉輪磨料流工藝是利用工裝夾具及磨料機床的活塞缸，擠壓磨料在整個葉輪的腔體內(nèi)作往復式的活塞運動，使磨料反復經(jīng)過葉輪葉片加工部位，磨料中的高密度硬質(zhì)合金顆粒在工件表面進行多次的刮、磨、研運動，達到一個組合切削的過程。此工藝方法可以根據(jù)葉輪葉片的不同技術(shù)要求，經(jīng)過多次擠壓來提高葉片表面粗糙度或者去除葉片上余量。

4.2 磨料流工裝

當對葉輪流道進行磨料流加工時，須特殊制作密封容器工裝。利用該工裝將葉輪密封在內(nèi)，并盡可能多地將葉輪流道的旋轉(zhuǎn)方向作為流通方向，這樣就可以引導磨料在葉輪流道內(nèi)流動嗎，同時流道也形成了一個往復腔體，如圖3所示。

4.3 磨削加工

工作時，磨料受壓后對流道腔體內(nèi)表面往復做功，磨料中的金屬顆粒受擠壓，并做不規(guī)則的往復運動，切除金屬表面層上的高點，從而達到對金屬表面的超精加工，流道區(qū)域如圖4所示。

圖3 磨料流工裝示意

圖4 流道區(qū)域示意

5 流道粗糙度的檢驗

5.1 銑制后的葉輪流道表面

在葉輪經(jīng)過多次反復承壓式的磨料流加工后，葉輪流道內(nèi)的表面呈現(xiàn)出鏡面式粗糙度，與之前對比，流道表面粗糙度有了顯著的變化（見圖5），再經(jīng)過粗糙度檢測儀的檢驗后得出了權(quán)威的結(jié)論，葉輪流道內(nèi)原表面粗糙度Ra 6.3提高到Ra 0.4，從而證明了，磨料流加工葉輪內(nèi)表面是非常有用的。

5.2 粗糙度檢測結(jié)果

利用粗糙度檢測儀分別對磨料流加工前后的葉輪葉片處進行粗糙度檢測，分別為Ra 3.494，Ra 0.23，數(shù)據(jù)顯示經(jīng)過磨料流的超精加工后，葉輪流道表面粗糙度提高了15倍。

6 結(jié)語

通過利用磨料流設(shè)備對三元整體閉式葉輪流道內(nèi)表面進行超精加工，提高了其表面粗糙度，從而可以為確定葉輪疲勞極限及工作效率提供理論依據(jù)。葉輪作為壓縮機核心部件，直接影響轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性以及壓縮機組的工作效率，所以本文對葉輪進行加工對比，為今后加工過程中提高離心式壓縮機葉輪加工精度，保證加工質(zhì)量，細化加工參數(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

圖5 應(yīng)用磨料流前后葉輪流道對比

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