低溫氮氣壓縮機一二段首級葉輪加工工藝方法研究

富巖巖

摘 要：針對低溫氮氣壓縮機一二段首級葉輪電火花加工效率低，銑削加工干涉等問題，采用優(yōu)化整體銑制加工工藝盡可能的去除葉輪流道大部分余量，再用電火花方法去除剩余的幾何干涉區(qū)域和過窄區(qū)域的加工工藝方法，最終完成葉輪的整體加工制造。通過對葉輪檢測結(jié)果分析，對1Ni9材料電火花加工后表面形成的再鑄層進行分析并進行了磨料流處理。結(jié)合機械加工和電加工，可有效提高該類葉輪加工效率，保證加工質(zhì)量，并滿足使用要求。

關(guān)鍵詞：葉輪；復(fù)合加工工藝；銑制和電火花；銑制仿真；整體加工；磨料流處理

中圖分類號：TG659 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）04-0108-03

Abstract： In order to solve the problems of low efficiency of EDM and interference in milling process of the first stage impeller in the first and second stage of low temperature nitrogen compressor， the optimized integral milling process was adopted to remove most of the residual flow passage of impeller as much as possible. Then using the EDM method to remove the remaining geometric interference zone and too narrow area of the machining process method， and finally complete the overall manufacturing of the impeller. Through the analysis of the impeller inspection results， the surface of 1Ni9 material formed by EDM is analyzed and the abrasive flow treatment is carried out. Combined with mechanical and electrical machining， it can effectively improve the machining efficiency of this kind of impeller， ensure the machining quality， and meet the requirements of use.

Keywords： impeller； composite machining technology； milling and EDM； milling simulation； integral machining； abrasive flow treatment

引言

LNG冷能空分裝置是一種低能耗、低排放、高效率的空氣分離裝置，其中的低溫氮氣壓縮機是整套裝置的核心動力設(shè)備之一，由于LNG（液化天然氣）溫度約為-162℃，因此壓縮機葉輪材料需要選擇低溫用鋼1Ni9，受該種材料焊縫強度與熱影響區(qū)低溫韌性限制，一、二段首級葉輪不能采用焊接結(jié)構(gòu)，我們已經(jīng)完成單獨電火花加工及單獨整體銑方式的葉輪整體加工，然而電火花加工的效率和機械加工相差甚遠，而銑制加工由于受葉輪幾何干涉限制，無法滿足窄流道葉輪的通流部分的全部銑制，因此必須尋找適合該葉輪的整體加工工藝方法和手段。

本文采用機械加工和電加工復(fù)合加工技術(shù)，利用二者各自優(yōu)勢，對低溫氮氣壓縮機一、二段首級葉輪進行工藝分析，解決電加工效率低，銑削加工有干涉等問題。實現(xiàn)這類葉輪的整體組合加工，提高葉輪加工效率，保證加工質(zhì)量。

1 低溫氮氣壓縮機一、二段首級葉輪加工工藝分析與刀具選擇

1.1 低溫氮氣壓縮機的結(jié)構(gòu)形式

該機組是BCL垂直剖分筒形壓縮機，布置方式為背靠背結(jié)構(gòu)，左側(cè)為一段進氣端，右側(cè)為二段進氣端，中間為出氣端。為方便區(qū)分，我們將左側(cè)一段首級的三元閉式葉輪稱為A型葉輪，右側(cè)二段首級的二元閉式葉輪稱為B型葉輪。

1.2 A型葉輪的加工工藝分析

A型葉輪屬于三元閉式葉輪，外徑為Φ370mm，葉片數(shù)為21個。

經(jīng)過nrec編程計算，A型葉輪流道幾何數(shù)據(jù)如圖3所示。葉輪流道各部位，理論上銑刀都能到達，但計算出的刀具過長、過細，現(xiàn)實中沒有這種銑刀。因此，需要選擇先銑制，后電火花的工藝方法進行整體加工。

1.3 B型葉輪的加工工藝分析

B型葉輪屬于二元閉式葉輪，外徑為Φ400mm，葉片數(shù)為13個。

經(jīng)過nrec編程計算，B型葉輪流道幾何數(shù)據(jù)如圖5所示。該葉輪的葉片彎曲很大，包角達到了85度，造成入口大約2/3區(qū)域銑刀無法到達，因此，對于葉輪出口部分，可以在五軸加工中心上進行鉆、銑粗加工。對于葉輪入口銑刀無法達到的區(qū)域，可以采用電火花加工方法，按照流道形狀設(shè)計相應(yīng)的電極，分粗、精電加工，完成整個葉輪流道的電火花加工。

1.4 葉輪加工刀具選擇

B型葉輪是兩元葉輪，葉片彎曲程度很大且出口很窄，可使用的鉆頭直徑較小，常規(guī)的由淺到深，由外向內(nèi)的加工思路并不適合該葉輪。因此我們選用了ISCAR公司的DCN 140-168-16R-12D束魔變色龍鉆，首先加工最深的孔，然后再用DR鉆頭逐步向外擴孔。A型葉輪銑削時，因為不需要進行完整的銑削精加工，所以選用了經(jīng)濟性較好的可換頭標準球頭銑刀。

2 A、B型葉輪的銑制Vericut仿真（如圖6、圖7）

3 A、B型葉輪的實際加工與檢測

3.1 葉輪的銑制加工

按照兩個葉輪的初步幾何計算，根據(jù)銑制時所需的機床B軸旋轉(zhuǎn)角度，驗證了現(xiàn)有工裝夾具可以直接使用。刀具全部選用標準刀具。

B葉輪的銑制時，DCN束魔變色龍鉆頭在加工過程中非常穩(wěn)定，雖然鉆孔深度很大，但排屑比較順暢，一個刀頭加工完13個流道，只有刀片涂層磨損一些，還可以繼續(xù)加工。擴孔的DR鉆使用了10片刀片，因此如何提高加工穩(wěn)定性是我們必須要深入研究的問題。

A型葉輪是三元葉輪，與B型葉輪相比出口稍寬一些，采用鉆+銑的方式，鉆削的工藝方法兩葉輪基本相似，不再贅述，鉆、擴孔一共6個程序。

兩個葉輪在機械加工完成后，都直接在五軸加工中心上銑制了定位基準，確保了電火花加工與機械加工坐標系一致。共設(shè)計了三種基準方式，經(jīng)試件的實驗驗證，最后使用了在蓋盤外側(cè)銑制寬10mm、深6mm基準槽的方式進行X軸方向的定位。

3.2 葉輪電火花加工

電火花加工工藝過程：（1）電極設(shè)計，根據(jù)葉輪形狀，利用三維軟件拆出電極整體形狀，再進行運動軌跡設(shè)計，根據(jù)電極運動需要，再對電極進行減薄處理，如有必要再進行剖分處理，本次兩葉輪，均進行了剖分處理，兩元輪分成了兩個電極，三元輪分成了四個電極。（2）電極材料選擇，本次加工，根據(jù)前期試驗結(jié)果，粗加工選用了銅電極，精加工選用了石墨電極。因為針對葉輪這種深腔工件，用銅電極可以提高電火花粗加工效率。（3）運動軌跡確定，首先在計算機上利用三維軟件的運動仿真功能，設(shè)計出一條無干涉的運動軌跡，然后在試驗件上進行加工驗證并優(yōu)化修改，最后得出可供正式工件加工的電火花數(shù)控程序。

4 葉輪加工結(jié)果

4.1 葉輪的公差及粗超度檢測

葉輪電火花加工完成后，經(jīng)過機床在線檢測，葉片型線以及子午型線均滿足公差要求，粗糙度經(jīng)與標準樣片對比，

4.2 電火花表面變質(zhì)層的檢測與去除分析

電火花加工過程中，在火花放電局部的瞬時高溫高壓下電火花油中分解出的碳微粒滲入工件表層，又在工作液的快速冷卻作用下、使工件加工表面形成變質(zhì)層。為驗證變質(zhì)層厚度，我們用與葉輪加工相同的電加工參數(shù)，在試塊上進行了放電試驗，并進行顯微分析，結(jié)論是試樣表面未發(fā)現(xiàn)微裂紋，變質(zhì)層厚度約為0.01mm。

采用磨料流方式去除再鑄層。根據(jù)電火花行業(yè)的經(jīng)驗，及相關(guān)文獻，采用磨料流加工去除EDM和激光加工后的表面再鑄層。磨料流可以去除約0.02～0.03mm的表面加工量，因此完全可以去除該葉輪的0.01mm再鑄層。因葉輪形狀限制無法做金相檢驗，我們采用檢測磨料流前后葉片粗糙度及葉片厚度的方法，確保磨料流方法對流道表面再鑄層的去除。

4.3 單獨用電火花加工工藝與銑制和電火花的復(fù)合加工工藝對比

方案一：用未經(jīng)過銑削預(yù)加工的實心毛坯單獨用電火花加工；方案二：銑制和電火花的復(fù)合加工。兩種方案加工時間進行對比，如表1和表2。

5 結(jié)論

（1）通過對電火花表面再鑄層的厚度的測量，分析出可以采用磨料流方式進行有效去除再鑄層。

（2）對于三元葉輪，可節(jié)約60%的電火花加工時間，兩元葉輪可節(jié)約22%的電火花加工時間。

（3）對于形狀相似的葉輪，都可以按該工藝路線進行組合加工。

參考文獻：

[1]彭晨.開式葉輪工藝分析和數(shù)控加工仿真技術(shù)[J].金屬加工（冷加工），2017（05）：50-53.

[2]詹友仁.離心葉輪五軸加工刀軌與工藝參數(shù)優(yōu)化方法與實驗研究[D].湘潭大學(xué)，2012.

[3]趙慧.無人機薄壁葉輪五軸高效數(shù)控加工技術(shù)研究[D].天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，2015.

[4]侯培紅，洪張，趙桐和.葉輪加工工藝及其裝夾解決方案[J].現(xiàn)代制造工程，2016（01）：110-113.

[5]楊冰.葉輪五軸聯(lián)動加工工藝技術(shù)的研究[D].西安建筑科技大學(xué)，2015.

[6]呂程輝.整體葉輪的五軸高速銑削加工工藝優(yōu)化[D].同濟大學(xué)，2007.

[7]曾巧蕓.整體葉輪五軸數(shù)控加工刀具軌跡規(guī)劃與仿真[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[8]張劍.整體葉輪五軸數(shù)控銑削技術(shù)研究[D].湖南大學(xué)，2012.

[9]高睿杰，高崇，顧濤.整體葉輪的數(shù)控加工工藝研究與實施[J].機械工程師，2018（01）：69-71.

[10]陳亮亮.某渦輪增壓發(fā)動機葉輪加工工藝的研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2015，12（36）：150-152.