解析葉輪零件制造工藝設計

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計

吳松建

（成都天翔環(huán)境股份有限公司 四川成都 610300）

葉輪作為動力機械的主要部件應用在很多方面，其整體的加工質量直接影響著機械的整體性能，是這些動力機械的關鍵部件。因此，葉輪的加工制造技術是動力機械生產(chǎn)中的關鍵環(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容，希望對有關的專業(yè)人士能有所幫助。

葉輪；制造工藝；設計

引言

葉輪是動力機械的最主要部件，在很多的領域都有所應用，例如：航天航空、水泵、離心機、發(fā)動機等，其加工制造質量直接影響著機械的整體性能。根據(jù)葉輪的幾何結構以及相關工藝內容來看，加工葉輪時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，加工過程中較易產(chǎn)生干涉的情況，因此，想要自動生成沒有干涉的加工軌跡還是比較困難的。所以在葉輪的加工過程中除了要確保加工時葉片的加工軌跡準確性外，還要注意的是在加工過程中軌跡的規(guī)劃要準確以保證加工的質量（受到葉片厚度限制）。隨著科學技術水平的發(fā)展，對于發(fā)動機等動力機械的速度以及推重等要求越來越高，在很多的新型發(fā)動機中已廣泛的采用整體式結構葉輪，這就要求我們要采用先進的數(shù)控加工仿真技術，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 葉輪零件的結構分析

1.1 葉輪結構介紹

整體式葉輪作為發(fā)動機等動力機械的關鍵部件對機械的整體性能有巨大的影響，葉輪的加工質量直接決定了動力機械的性能高低。整體式葉輪的大體結構如圖1所示。

圖1 整體葉輪基本結構圖

其結構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軸旋轉而得到的。葉片曲面是由葉片曲線沿著旋轉軸垂直的方向拉伸之后通過片體的增厚來實現(xiàn)的，在葉片上部的曲面是可以通過裁剪得出的。

整體式葉輪都是根據(jù)復雜的空間流體動力學理論進行設計得到的，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的規(guī)律相符合。整體式葉輪的葉片形狀比較復雜，同時對其精度要求也比較高。整體式葉輪想要進行加工首先要按照葉輪的三維模型來進行編程，只有這樣加工出的葉輪才能與設計的要求相符，才能符合機械整體性能要求。

1.2 葉輪幾何結構特點介紹

對于整體式葉輪來說，為了達到最好的葉輪性能，在設計時常常是將葉輪的葉片設計成為一長一短的形式。但是葉輪的此種結構也大大增加了編程處理的難度，尤其是對于短葉片的處理，這就需要相關的編程人員合理解決刀具的軌跡問題。

葉輪葉片的正反兩個面雖然是曲面，但是又是直紋面，這兩個面分別被稱為壓力面以及吸力面。在此兩個面的中間屬于過度面，采用的是圓角形式。此過度圓角可以采用不同的形式來處理，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)設計不同可以適當調整。為了符合流體動力學方面的規(guī)律，在葉片的根部常常采用的是變圓角的處理方式。從葉輪的進口處算起葉片的根部圓角逐漸增大。之所以在葉輪進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的法向方向是不同的。所以在進行程序編制時，如采用直線元方式對刀軸進行定義的話就很容易造成刀具切入到葉片，就會造成過切現(xiàn)象，所以整體式葉輪在采用此種方法加工時往往會存在一定的缺陷，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)階段在國際市場上來看，在德國、美國等制造業(yè)強國大都研制出了專業(yè)的葉輪設計加工編程軟件，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計參數(shù)即可完成。這些軟件對整體葉輪的加工來說比較方便，同時也使得整體葉輪的加工變得比較簡單，同時加工成本也有一定的降低，加工周期也會大大縮短。但是開發(fā)此種軟件需要較高的費用以及較長的時間，所以很多國家沒有采用此種軟件。我國對于整體葉輪加工往往都是采用通過CAD軟件進行編程，通過五軸聯(lián)動機床進行加工的方式進行。

（2）葉輪之所以加工復雜就在于葉片的復雜曲面造型，所以能否較為準確的加工出形狀復雜的葉輪已經(jīng)成為衡量機床性能的重要標準。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，直紋曲面又可以進一步分為可展開的直紋面以及不可展開直紋面。對于可展開的直紋面來說完全可采用非數(shù)控機床進行加工，而對于不可展開的直紋面以及自由曲面葉片的葉輪來說，必須要采用四軸以上聯(lián)動的數(shù)控機床才可能準確的將葉輪曲面加工出來。

（3）高檔數(shù)控機床具有四軸或五軸的聯(lián)動功能，所以用此機床加工葉輪除了可以確保刀具球頭對工件的準確切削外，還可以通過轉動軸的工作使刀體或者刀桿等部分避免對工件造成刮碰，避免發(fā)生干涉的情況。現(xiàn)階段，我國已大量采用鍛造毛坯之后通過多坐標的數(shù)控機床加工的方式來進行葉輪的制造，國內所采用的機床也都是具有國際水準的高檔四軸或五軸聯(lián)動數(shù)控機床。

3 葉輪加工工藝分析

3.1 葉輪材料的選擇

由于對動力機械要求越來越高，所以對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，對于材料的耐溫性能、強度、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性能；③要具有較高的抗振動衰減性能；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。

對于五軸數(shù)控加工中心來說，可以一次加工完成輪轂和葉片。五軸數(shù)控加工技術的逐漸發(fā)展使得葉輪等復雜形狀的部件可以整體加工出來，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于產(chǎn)品強度方面的要求，同時其曲面的誤差較小，做動平衡時所要去掉的質量相對較小。除此之外，在航空發(fā)動機的應用領域，對于葉輪材料來說，除了要保證零件具有足夠的強度之外還要盡可能的降低零件的重量。對于此種應用的葉輪來說，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）一般來說整體葉輪的曲面部分精度較高，實際工作中進行高速的旋轉，因此對動平衡等方面的要求較高。根據(jù)葉輪的形狀、材料以及結構等方面的特點來看：

①葉輪上的葉片長度是不同的，同時葉片為空間曲面，其扭曲程度較高，同時具有一定的仰角，因此加工時刀具的相對擺動比較容易造成相鄰葉片切削干涉，所以要重點考慮刀具的切削方向。同時，曲面加工是采用分段的形式進行的，所以應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，所以不能采用強度和剛度都較好的大直徑刀具進行加工；

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由于強度的需要，在葉輪輪轂以及葉片之間是通過倒圓角的方式進行過度的，此位置應該注意刀具的選擇情況；

⑤由于葉片的厚度有限，整體上來說屬于薄壁件加工，其剛性較差，所以在加工工藝設計上要充分考慮多工步反復加工葉片的方式，減小加工殘余應力所造成的形變；

⑥由于葉輪的材料大多采用鋁合金、鈦合金以及不銹鋼等，所以在設計加工工藝時要考慮提升整體葉輪的強度，因此葉輪的毛坯大多采用鍛壓件，之后進行基準面的加工。

（2）加工的刀具工藝設計如下：

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。

在進行整體葉輪加工時，由于葉輪為葉片均勻分布的回轉體零件，所以應該選擇葉輪的底面圓心為工件的原點，這樣可以大大簡化工件的找正以及后處理的相關過程。加工之前根據(jù)葉輪整體的參數(shù)特征，基本可以確定相關的加工設備類型及型號，例如機床的型號、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)動加工中心優(yōu)先要采用平底刀進行加工，這樣可以很好的降低由刀具原因造成過切以及干涉的情況。當需要對流道等空間較窄的位置進行加工時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時變化的，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，降低了加工的質量，這需要編程人員對加工軌跡進行合理規(guī)劃。對于流道的粗加工來說，需要分成不同的層次逐漸進行，沿著流道面的方向進行分割流道區(qū)域，可以使流道粗加工時不同層的厚度比較均勻，確保加工過程的穩(wěn)定進行。

4 結束語

葉輪作為動力機械的最主要部件，其加工制造質量直接決定著機械的整體性能。我國較為常見的葉輪加工方式是通過CAD軟件編制程序，通過五軸聯(lián)動的數(shù)控機床進行加工，這就需要相關的編程人員在充分熟悉葉輪的結構參數(shù)的基礎上編制合理的加工程序，通過數(shù)控機床的輔助加工出高精度的整體葉輪，進而提升動力機械的整體性能。

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[3]徐 鴻.葉輪數(shù)控加工工藝方法研究[J].科技創(chuàng)新導報，2009（24）：18～19.

TG659

A

1004-7344（2016）09-0216-02

2016-3-10

吳松建（1984-），男，漢族，工程師，本科，主要從事機械設備制造工作。