葉輪加工技術(shù)研究

1、引 言

葉輪作為透平(turbine)機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、制冷等領(lǐng)域，其質(zhì)量直接決定著空氣動(dòng)力性能和機(jī)械效率，其加工技術(shù)一直是透平制造業(yè)中的一個(gè)重要課題。

2、葉輪分類

葉輪(impeller)，又稱工作輪，離心式壓縮機(jī)中唯一對氣流做功的元件，轉(zhuǎn)子軸上的最主要部件，一般由輪盤、輪蓋和葉片等零件組成，氣體在葉輪葉片的作用下，隨著葉輪做高速旋轉(zhuǎn)，氣體受旋轉(zhuǎn)離心力的作用以及在葉輪里的擴(kuò)壓流動(dòng)，使它通過葉輪后的壓力得到提高。

對葉輪的要求有:①能給出較大的能量。②氣體流過葉輪的損失要小，即氣體流經(jīng)葉輪的效率要高。③氣體流出葉輪時(shí)各參數(shù)適宜，使氣體流過后面固定元件時(shí)的流動(dòng)損失要小。④葉輪型式能使整機(jī)性能曲線的穩(wěn)定工況區(qū)及高效區(qū)范圍較寬，減少喘振發(fā)生的機(jī)會(huì)。

葉輪按結(jié)構(gòu)形式分為開式葉輪、半開式葉輪和閉式葉輪三種，開式葉輪如圖1所示，僅由輪轂和徑向葉片組成，葉片槽道兩個(gè)側(cè)面都是敞開的，此種結(jié)構(gòu)氣體流動(dòng)損失大、效率最低，在壓縮機(jī)中很少采用;半開式葉輪的一側(cè)由輪盤封死，另一例敞開，此種結(jié)構(gòu)的葉輪氣體流動(dòng)損失仍然較大;閉式葉輪如圖2所示，它由輪蓋、葉片、輪盤組成，其他被密閉于葉輪流道內(nèi)流動(dòng)，流動(dòng)損失較小，效率較高，因此在壓縮機(jī)中得到了廣泛應(yīng)用。

按葉片出口角的大小，葉輪可分為出口角大于90℃的前彎葉輪，等于90℃的徑向葉輪和小于90℃的后彎葉輪，前彎葉輪作功能量頭高，但效率低，后彎葉輪作功能量頭小，但效率高，徑向葉輪介于兩者之間。由于后彎葉輪的效率較高，因此在壓縮機(jī)中使用較多。

葉輪按葉形又分為離心葉輪、軸流葉輪，軸流葉輪的葉型一般為自由曲面構(gòu)成，而離心葉輪的葉型一般為直紋面，同時(shí)離心葉輪分單組葉片組成和大小葉片組成兩種類型，具有大小葉片的離心葉輪的加工難度更大。

3、葉輪加工方法

3.1 葉輪常用制造工藝方法

葉輪按制造工藝可分為鉚接葉輪、焊接葉輪、整體鑄造葉輪和整體加工葉輪。

鉚接葉輪是將葉片、輪蓋和輪盤用鉚接的方法組裝在一起，此種結(jié)構(gòu)加工技術(shù)成熟，但鉚釘處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，強(qiáng)度低，并且流動(dòng)損失大。

焊接葉輪是將葉片、輪蓋和輪盤用焊接的方法組裝在一起，或者是將輪蓋和帶葉片的輪盤釬焊，此種葉輪強(qiáng)度高，流動(dòng)損失小，一般利用五軸加工中心加工開式葉輪和車削輪蓋，再進(jìn)行整體釬焊、熱處理、精加工、探傷、動(dòng)平衡和超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，其中的釬焊工藝要求非常高。

整體鑄造葉片是用精密鑄造的方法將葉輪整體一次性鑄造出來，省工省料，但鑄模加工工藝要求高，技術(shù)難度大，一般采用石膏型低壓、真空鑄件工藝，成型后樣件進(jìn)行理化試驗(yàn)、探傷、精加工、動(dòng)平衡和超轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，國內(nèi)有溧陽福思寶等廠家生產(chǎn)。

整體加工葉輪直接利用五軸加工中心進(jìn)行閉式葉輪的加工，加工示意圖如圖3所示，一次加工成型，葉片精度高，一致性好，平衡性高，但對機(jī)床、產(chǎn)品型線和加工刀具有一定的要求和限制。

3.2 軟件編程加工方法

目前在透平機(jī)械葉輪加工中采用的專業(yè)軟件有Concepts NREC，包含了從設(shè)計(jì)、分析到加工的壘流程模塊，由于專業(yè)性強(qiáng)，操作簡單易學(xué)，在航空航天和制冷領(lǐng)域應(yīng)用較廣，但價(jià)格昂貴，其中加工模塊MAX-5，MAX-AB，MAx-SI應(yīng)用于不同結(jié)構(gòu)葉輪的加工。而常用的加工軟件主要有HyperMill、PowerMill和UG等，隨著軟件版本和功能的不斷升級，各軟件開發(fā)出針對葉輪的加工模塊，

現(xiàn)針xCPowerMIill 10.0軟件和DMGDMu100P五軸加工中心對開式葉輪的加工流程進(jìn)行詳細(xì)的介紹。葉輪外徑為360mm，共由9組長短葉片組成。

(1)準(zhǔn)備毛坯

采用的材料為鍛鋁件(6A02)，通過數(shù)控車削加工，制成回轉(zhuǎn)體的基本形狀，要求保證子午線精確度。

(2)準(zhǔn)備刀具

一般根據(jù)葉輪葉片間距離和倒角要求確定從粗加工到精加工刀具，可采用不同規(guī)格的球頭刀或錐度球頭刀，本例中采用R5，R3的錐度為3。球頭刀。

(3)定位工裝

制作芯軸定位工裝，芯軸的中心與工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心重合，同時(shí)在工裝加工定位銷，防止葉輪在加工過程中竄動(dòng)。

(4)導(dǎo)入模型和層設(shè)置

打開PowerMill10.0軟件，導(dǎo)入葉輪三維模型，在策略中打開葉盤模塊，通過層分別設(shè)置定義輪盤、輪轂、長葉片、短葉片等特征。

(5)粗加工葉片

利用葉盤粗加工策略，在葉盤定義導(dǎo)入以下各層:

粗加工留余量0.5mm。下切為2mm，刀具為R5錐度為3°球頭刀，主軸轉(zhuǎn)速5000r/min，進(jìn)給速度為3000mm/min。

(6)進(jìn)行合理的人工時(shí)效

可馓去應(yīng)力時(shí)效處理，這樣可以改變工件表面的化學(xué)成分，賦予或改善工件的使用性能，以改善工件的內(nèi)在質(zhì)量。

(7)葉片半精加工

利用軟件中葉片精加工策略，刀軸為自動(dòng)判斷，留0.15m m余量，刀具為R5錐度為3°球頭刀，主軸轉(zhuǎn)速1000r/min，進(jìn)給速度為500mm/min，給精加工留更均勻的余量，保證后續(xù)加工切削穩(wěn)定，注意自由曲面的葉片采用逐層加工的方式，而直紋面葉片采用筆式清根側(cè)面加工的方式。

(8)精加工葉片

利用葉片精加工策略，刀軸為自動(dòng)判斷，余量設(shè)置為0，刀具為R3錐度為3。球頭刀，主軸轉(zhuǎn)速lOOOr/min，進(jìn)給速度為300mm/min。

圖5是葉輪多層精加工示意圖。

(9)精加工流道

利用輪轂策略，刀軸為自動(dòng)判斷，余量設(shè)置為0，刀具為R3錐度為3°球頭刀。主軸轉(zhuǎn)速3000r/min，進(jìn)給速度為1200mm/min。注意刀具走向與氣體流動(dòng)方向一致。

(10)仿真加工，輸出Nc程序

完成所有的程序后，導(dǎo)入機(jī)床模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，檢查編制的程序是否有過切、碰撞的情況，無問題后作NC程序輸出。

同時(shí)注意由于輸入是單組葉片程序，需編程旋轉(zhuǎn)加工母程序調(diào)用各加工子程序，完成全部9組葉片的加工。

4、結(jié) 論

本文應(yīng)用PowerMIill 10.0軟件葉輪模塊對某葉輪加工進(jìn)行了詳細(xì)介紹。加工出樣件效果良好，可以滿足生產(chǎn)需要。

隨著數(shù)控加工技術(shù)的不斷發(fā)展，五軸聯(lián)動(dòng)加工技術(shù)結(jié)合越來越強(qiáng)大、專業(yè)的軟件策略，使以前工藝難度很大的葉輪加工變得更加簡單。