閉式葉輪整體加工技術(shù)在商用空調(diào)上的研究與應(yīng)用

唐華敏 黃澤堅(jiān)

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

近年來(lái)，隨著商用空調(diào)的快速發(fā)展，離心式中央空調(diào)已廣泛運(yùn)用于大型工業(yè)、建筑樓宇、數(shù)據(jù)中心、機(jī)場(chǎng)等多個(gè)領(lǐng)域，對(duì)空調(diào)能效要求日益提高[1]，使得企業(yè)在產(chǎn)品品質(zhì)和可靠性管控方面面臨巨大挑戰(zhàn)。

壓縮機(jī)是空調(diào)的核心部件，葉輪又是離心壓縮機(jī)的心臟零件。常見(jiàn)焊接制造工藝為：機(jī)加、釬焊。將葉輪分為輪轂與輪蓋兩部分，葉片在輪轂上由五軸銑削而成，采用釬焊技術(shù)與輪蓋焊接成型。焊接完成后做著色探傷、動(dòng)平衡、超轉(zhuǎn)速、二次著色、三坐標(biāo)復(fù)檢等一系列檢測(cè)試驗(yàn)，合格后才能使用。全流程多達(dá)13道工序，工序復(fù)雜、周期長(zhǎng)；其中焊接工藝對(duì)焊工技術(shù)要求高，耗時(shí)長(zhǎng)，很容易產(chǎn)生質(zhì)量問(wèn)題造成葉輪報(bào)廢，成本高昂。

一方面，因?yàn)橹圃熘芷陂L(zhǎng)、工序復(fù)雜及焊接工藝人為依賴，導(dǎo)致葉輪動(dòng)平衡合格率非常低，一次動(dòng)平衡合格率不到30 %，其中：初始不平衡量大于5 g占比62.79 %，大于10 g占比13.95 %，葉輪直徑越大，一次合格率越低。

另一方面，動(dòng)平衡超差的葉輪需要人工去重進(jìn)行配平（要求在100 mg以下），人工打磨一個(gè)超5 g的葉輪需要2 h，效率低下；容易出現(xiàn)人工打磨失誤造成葉輪報(bào)廢事故，重新加工又將面臨冗長(zhǎng)的制造周期，對(duì)于核心零件，存在極大的質(zhì)量安全隱患及客戶訂單延誤隱患。

為提高離心壓縮機(jī)葉輪制造效率與質(zhì)量水平，特開(kāi)發(fā)閉式葉輪整體加工技術(shù)：一次成型，取消焊接。

1 理論分析

1.1 加工可行性分析

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，對(duì)于葉輪葉盤整體加工已有成功應(yīng)用案例，但在商用空調(diào)行業(yè)尚屬第一次。整體加工方案技術(shù)難點(diǎn)分析如下：

1.1.1 典型案例分析

以450 RT一級(jí)葉輪為例：葉片數(shù)量15，進(jìn)氣口處最小間距約10.1 mm，葉片曲線曲率大，刀具無(wú)法一次到位，如圖1所示。

圖1 450 RT葉輪三維模型分析

1.1.2 刀具應(yīng)用分析

刀具無(wú)完整加工空間；為保證加工到位，需設(shè)計(jì)加長(zhǎng)刀具，剛性差，容易產(chǎn)生震刀紋，且效率低下；以D6刀具為例，伸出長(zhǎng)度達(dá)80 mm，長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度/直徑）大于13，剛性不足。如圖2所示。

圖2 刀具長(zhǎng)度、刀具路徑仿真

常規(guī)刀具無(wú)完整加工空間，需設(shè)計(jì)專用非標(biāo)刀具。

1.1.3 設(shè)備參數(shù)分析

出氣側(cè)葉片后彎角較大，對(duì)機(jī)床A軸角度有較高要求，A軸角度要求接近-110 °（現(xiàn)有HSC55機(jī)床A軸角度行程+10 °～-110 °），容易造成設(shè)備超程甚至機(jī)床干涉、撞機(jī)事故；如圖3所示。

圖3 機(jī)床干涉碰撞模擬仿真

1.1.4 夾具分析

刀具從進(jìn)氣口進(jìn)入時(shí)，容易與鎖緊工裝螺栓干涉；從出氣口進(jìn)入時(shí)，容易與工裝干涉；工裝過(guò)高時(shí)，又容易導(dǎo)致設(shè)備Z軸行程超程；對(duì)于工裝設(shè)計(jì)、零件定位裝夾方式有較高要求。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 加工方案設(shè)計(jì)

原焊接葉輪工藝流程（如圖4）：主要五道工序，輪轂、輪蓋分開(kāi)加工，整體焊接成型。

圖4 原焊接工藝流程圖

整體加工葉輪工藝設(shè)計(jì)流程圖（如圖5）：主要三道工序，取消輪蓋加工，取消焊接工序，整體加工成型。

圖5 整體加工葉輪工藝設(shè)計(jì)流程圖

2.2 夾具設(shè)計(jì)

2.2.1 夾具高度定義（H）：

現(xiàn)有HSC55機(jī)床Z軸行程460 mm大于（工裝高度+工件高度+刀具長(zhǎng)度+刀柄長(zhǎng)度）之和，所以工裝高度小于（460 mm-工件高度-刀具長(zhǎng)度-刀柄長(zhǎng)度）之差。

2.2.2 夾具極限直徑定義（D）：

為保證刀具從出氣口進(jìn)入加工時(shí)不產(chǎn)生干涉，工裝最大直徑D小于工件外徑。

2.2.3 工件定位、裝夾方式設(shè)計(jì)：

輪轂底面D20銷釘槽防旋轉(zhuǎn)定位；為保證刀具從進(jìn)氣口進(jìn)入時(shí)不產(chǎn)生干涉，銷柱鎖緊方式調(diào)整為“嵌入式”鎖緊，輪轂內(nèi)孔增加沉臺(tái)，使用M12或M16螺栓連接工裝；夾具整體效果如圖6。

第四次中國(guó)城鄉(xiāng)老年人生活狀況抽樣調(diào)查結(jié)果顯示，中國(guó)失能和半失能老年人約4063萬(wàn)人，占老年人口總數(shù)的18.3%。北京師范大學(xué)中國(guó)公益研究院院長(zhǎng)王振耀認(rèn)為，這個(gè)數(shù)據(jù)是制定宏觀政策的基本依據(jù)，但是這些人的具體信息，如住在哪個(gè)社區(qū)、失能半失能程度如何等，社區(qū)并沒(méi)有掌握，導(dǎo)致在社區(qū)中如何解決這類人員的生活困難還不可能有具體措施。

圖6 葉輪夾具示意圖

2.3 刀具設(shè)計(jì)

加工刀具設(shè)計(jì)：為保證切削效果及足夠的避讓空間，設(shè)計(jì)專用刀具“棒棒糖”進(jìn)行整體式加工，刀具組成結(jié)構(gòu)及效果如圖7所示。

圖7 棒棒糖刀具設(shè)計(jì)圖

刀柄夾持段：Φ6，主要起連接機(jī)床刀柄作用。

刀具避讓段：Φ3.6-Φ6，長(zhǎng)度60 mm，主要起避讓、減重作用。

球形切削段：Φ6（0，-0.01），主要起切削作用。

同時(shí)為提高開(kāi)粗效率，使用平底刀具進(jìn)行第一輪開(kāi)粗，最終梳理、確定刀具方案：

開(kāi)粗刀具：采用Φ8、Φ10整硬平刀進(jìn)行；

半精、精加工刀具：采用Φ6、Φ8棒棒糖刀具進(jìn)行，如圖8所示。

圖8 整體加工刀具方案清單

2.4 編程軟件及策略設(shè)計(jì)

編程軟件選擇了行業(yè)內(nèi)著名的葉輪葉盤CAM軟件：美國(guó)CONCEPTS NREC公司MAX-SI閉式葉輪加工專用模塊，最終解決了機(jī)床A軸角度限制問(wèn)題，完成了整體式葉輪加工，加工過(guò)程圖如圖9。

圖9 閉式葉輪整體加工過(guò)程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 葉輪加工尺寸精度檢測(cè)

徑向尺寸Φ42（0，+0.025），實(shí)際測(cè)量結(jié)果Φ42.014 5 mm；

同心度要求0.015 mm，實(shí)際測(cè)量結(jié)果在0.000 6～0.011 9 mm之間；

符合圖紙尺寸公差要求，如圖10所示。

圖10 三坐標(biāo)尺寸檢驗(yàn)報(bào)告

3.2 葉輪性能檢測(cè)

為進(jìn)一步確定整體加工葉輪效果，我們將葉輪換上了成品機(jī)組，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，整體加工葉輪性能優(yōu)于焊接葉輪，效果良好。如圖11所示，裝上整體加工葉輪后，在同樣運(yùn)行工況下（如名義制冷、最大制冷），性能系數(shù)提升2 %以上。

3.3 首次動(dòng)平衡精度檢測(cè)

整體加工葉輪較焊接葉輪首次不平衡量，吸氣側(cè)下降29.3 %，排氣測(cè)下降42.2 %，精度明顯提升。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)圖12。

圖12 整體加工葉輪與焊接葉輪首次動(dòng)不平衡數(shù)據(jù)對(duì)比

3.4 制造周期對(duì)比

3.4.1 制造工序精簡(jiǎn)

整體加工葉輪工序減少至6道，較焊接葉輪工序減少53.8 %。

3.4.2 等待時(shí)間縮短

假設(shè)理論工序等待時(shí)間平均為2 h（以商用大型壓縮機(jī)實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍計(jì)算），則焊接葉輪制造周期=（74.9+12*2）=98.9 h；整體加工葉輪制造周期=（70.6+5*2）=80.6 h，提效18.5 %；工序越多，等待時(shí)間越多，制造周期越長(zhǎng)。

3.5 制造成本對(duì)比

分別從材料、機(jī)加工、焊接、檢驗(yàn)等方面逐項(xiàng)細(xì)化對(duì)比：

3.5.1 材料成本

材料成本：?jiǎn)蝹€(gè)節(jié)約780 元，材料成本下降43.8 %；按年產(chǎn)1 200 臺(tái)計(jì)算，年度可節(jié)約加工材料成本約187.2萬(wàn)元（780*2*1 200=187.2萬(wàn)）。

3.5.2 機(jī)加工成本

焊接葉輪單件機(jī)加工成本1 420.8元，整體加工葉輪機(jī)加工時(shí)長(zhǎng)，單件機(jī)加工成本5 251.2元，較焊接葉輪高270 %。如圖13所示。

圖13 整體加工葉輪與焊接葉輪機(jī)加工成本對(duì)比

3.5.3 焊接成本

單件焊接成本1 428.78 元，整體加工可省去此項(xiàng)。

3.5.4 檢驗(yàn)成本

整體加工葉輪較焊接葉輪，每件節(jié)省14.8 %成本。如圖14所示。

圖14 整體加工葉輪與焊接葉輪檢驗(yàn)成本對(duì)比

3.5.5 綜合成本

綜合材料、機(jī)加工、焊接、檢驗(yàn)等各項(xiàng)成本，焊接葉輪單件5 345.38元，整體加工葉輪單件6 861元，成本高于焊接成本（高28.4 %），主要體現(xiàn)在機(jī)加工成本上。如圖15所示。

圖15 整體加工葉輪與焊接葉輪綜合成本對(duì)比

4 結(jié)論

本文驗(yàn)證了閉式葉輪的整體加工方案，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看，在動(dòng)平衡精度、葉輪性能、制造周期方面，較常規(guī)制造方案均有明顯優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證效果良好，主要有以下兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：

1）關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)一：整體加工方案設(shè)計(jì)

整體加工葉輪在商用空調(diào)領(lǐng)域?qū)儆谑讋?chuàng)，對(duì)于工藝技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，是一次全新的挑戰(zhàn)與創(chuàng)新。與焊接葉輪制造過(guò)程不同，整體加工工序更少，對(duì)于工藝方案要求更清晰、更嚴(yán)格。

2）關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)二：棒棒糖刀具設(shè)計(jì)

根據(jù)葉輪結(jié)構(gòu)及模擬仿真結(jié)果，刀具長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度/直徑）高達(dá)13倍，如何保證刀具剛性及葉輪加工效果？為解決這個(gè)問(wèn)題，只能通過(guò)尋找“刀具避讓段”最大臨界尺寸，來(lái)保證刀具的最佳使用效果；我們利用MAX-SI軟件，多次計(jì)算刀具參數(shù)，最終得到“刀具避讓段”最大臨界值，確定了刀具設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)以上關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)攻關(guān)及該項(xiàng)目的研究與應(yīng)用，成功開(kāi)發(fā)了新一代商用空調(diào)離心葉輪加工技術(shù)，整體加工葉輪較焊接葉輪首次動(dòng)平衡精度明顯提升，制造工序精簡(jiǎn)53.8 %，制造精度、效率均有明顯提升，進(jìn)一步增加了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。