閉式葉輪整體加工技術在商用空調上的研究與應用

唐華敏 黃澤堅

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519000）

引言

近年來，隨著商用空調的快速發展，離心式中央空調已廣泛運用于大型工業、建筑樓宇、數據中心、機場等多個領域，對空調能效要求日益提高[1]，使得企業在產品品質和可靠性管控方面面臨巨大挑戰。

壓縮機是空調的核心部件，葉輪又是離心壓縮機的心臟零件。常見焊接制造工藝為：機加、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，采用釬焊技術與輪蓋焊接成型。焊接完成后做著色探傷、動平衡、超轉速、二次著色、三坐標復檢等一系列檢測試驗，合格后才能使用。全流程多達13道工序，工序復雜、周期長；其中焊接工藝對焊工技術要求高，耗時長，很容易產生質量問題造成葉輪報廢，成本高昂。

一方面，因為制造周期長、工序復雜及焊接工藝人為依賴，導致葉輪動平衡合格率非常低，一次動平衡合格率不到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，動平衡超差的葉輪需要人工去重進行配平（要求在100 mg以下），人工打磨一個超5 g的葉輪需要2 h，效率低下；容易出現人工打磨失誤造成葉輪報廢事故，重新加工又將面臨冗長的制造周期，對于核心零件，存在極大的質量安全隱患及客戶訂單延誤隱患。

為提高離心壓縮機葉輪制造效率與質量水平，特開發閉式葉輪整體加工技術：一次成型，取消焊接。

1 理論分析

1.1 加工可行性分析

在航空發動機領域，對于葉輪葉盤整體加工已有成功應用案例，但在商用空調行業尚屬第一次。整體加工方案技術難點分析如下：

1.1.1 典型案例分析

以450 RT一級葉輪為例：葉片數量15，進氣口處最小間距約10.1 mm，葉片曲線曲率大，刀具無法一次到位，如圖1所示。

圖1 450 RT葉輪三維模型分析

1.1.2 刀具應用分析

刀具無完整加工空間；為保證加工到位，需設計加長刀具，剛性差，容易產生震刀紋，且效率低下；以D6刀具為例，伸出長度達80 mm，長徑比（長度/直徑）大于13，剛性不足。如圖2所示。

圖2 刀具長度、刀具路徑仿真

常規刀具無完整加工空間，需設計專用非標刀具。

1.1.3 設備參數分析

出氣側葉片后彎角較大，對機床A軸角度有較高要求，A軸角度要求接近-110 °（現有HSC55機床A軸角度行程+10 °～-110 °），容易造成設備超程甚至機床干涉、撞機事故；如圖3所示。

圖3 機床干涉碰撞模擬仿真

1.1.4 夾具分析

刀具從進氣口進入時，容易與鎖緊工裝螺栓干涉；從出氣口進入時，容易與工裝干涉；工裝過高時，又容易導致設備Z軸行程超程；對于工裝設計、零件定位裝夾方式有較高要求。

2 實驗驗證

2.1 加工方案設計

原焊接葉輪工藝流程（如圖4）：主要五道工序，輪轂、輪蓋分開加工，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計流程圖（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計流程圖

2.2 夾具設計

2.2.1 夾具高度定義（H）：

現有HSC55機床Z軸行程460 mm大于（工裝高度+工件高度+刀具長度+刀柄長度）之和，所以工裝高度小于（460 mm-工件高度-刀具長度-刀柄長度）之差。

2.2.2 夾具極限直徑定義（D）：

為保證刀具從出氣口進入加工時不產生干涉，工裝最大直徑D小于工件外徑。

2.2.3 工件定位、裝夾方式設計：

輪轂底面D20銷釘槽防旋轉定位；為保證刀具從進氣口進入時不產生干涉，銷柱鎖緊方式調整為“嵌入式”鎖緊，輪轂內孔增加沉臺，使用M12或M16螺栓連接工裝；夾具整體效果如圖6。

第四次中國城鄉老年人生活狀況抽樣調查結果顯示，中國失能和半失能老年人約4063萬人，占老年人口總數的18.3%。北京師范大學中國公益研究院院長王振耀認為，這個數據是制定宏觀政策的基本依據，但是這些人的具體信息，如住在哪個社區、失能半失能程度如何等，社區并沒有掌握，導致在社區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 刀具設計

加工刀具設計：為保證切削效果及足夠的避讓空間，設計專用刀具“棒棒糖”進行整體式加工，刀具組成結構及效果如圖7所示。

圖7 棒棒糖刀具設計圖

刀柄夾持段：Φ6，主要起連接機床刀柄作用。

刀具避讓段：Φ3.6-Φ6，長度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。

同時為提高開粗效率，使用平底刀具進行第一輪開粗，最終梳理、確定刀具方案：

開粗刀具：采用Φ8、Φ10整硬平刀進行；

半精、精加工刀具：采用Φ6、Φ8棒棒糖刀具進行，如圖8所示。

圖8 整體加工刀具方案清單

2.4 編程軟件及策略設計

編程軟件選擇了行業內著名的葉輪葉盤CAM軟件：美國CONCEPTS NREC公司MAX-SI閉式葉輪加工專用模塊，最終解決了機床A軸角度限制問題，完成了整體式葉輪加工，加工過程圖如圖9。

圖9 閉式葉輪整體加工過程

3 實驗結果分析

3.1 葉輪加工尺寸精度檢測

徑向尺寸Φ42（0，+0.025），實際測量結果Φ42.014 5 mm；

同心度要求0.015 mm，實際測量結果在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 三坐標尺寸檢驗報告

3.2 葉輪性能檢測

為進一步確定整體加工葉輪效果，我們將葉輪換上了成品機組，從試驗數據看，整體加工葉輪性能優于焊接葉輪，效果良好。如圖11所示，裝上整體加工葉輪后，在同樣運行工況下（如名義制冷、最大制冷），性能系數提升2 %以上。

3.3 首次動平衡精度檢測

整體加工葉輪較焊接葉輪首次不平衡量，吸氣側下降29.3 %，排氣測下降42.2 %，精度明顯提升。具體數據見圖12。

圖12 整體加工葉輪與焊接葉輪首次動不平衡數據對比

3.4 制造周期對比

3.4.1 制造工序精簡

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 等待時間縮短

假設理論工序等待時間平均為2 h（以商用大型壓縮機實際生產節拍計算），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，等待時間越多，制造周期越長。

3.5 制造成本對比

分別從材料、機加工、焊接、檢驗等方面逐項細化對比：

3.5.1 材料成本

材料成本：單個節約780 元，材料成本下降43.8 %；按年產1 200 臺計算，年度可節約加工材料成本約187.2萬元（780*2*1 200=187.2萬）。

3.5.2 機加工成本

焊接葉輪單件機加工成本1 420.8元，整體加工葉輪機加工時長，單件機加工成本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加工成本對比

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。

3.5.4 檢驗成本

整體加工葉輪較焊接葉輪，每件節省14.8 %成本。如圖14所示。

圖14 整體加工葉輪與焊接葉輪檢驗成本對比

3.5.5 綜合成本

綜合材料、機加工、焊接、檢驗等各項成本，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 %），主要體現在機加工成本上。如圖15所示。

圖15 整體加工葉輪與焊接葉輪綜合成本對比

4 結論

本文驗證了閉式葉輪的整體加工方案，從實驗數據看，在動平衡精度、葉輪性能、制造周期方面，較常規制造方案均有明顯優勢，驗證效果良好，主要有以下兩個關鍵技術點：

1）關鍵技術點一：整體加工方案設計

整體加工葉輪在商用空調領域屬于首創，對于工藝技術人員來說，是一次全新的挑戰與創新。與焊接葉輪制造過程不同，整體加工工序更少，對于工藝方案要求更清晰、更嚴格。

2）關鍵技術點二：棒棒糖刀具設計

根據葉輪結構及模擬仿真結果，刀具長徑比（長度/直徑）高達13倍，如何保證刀具剛性及葉輪加工效果？為解決這個問題，只能通過尋找“刀具避讓段”最大臨界尺寸，來保證刀具的最佳使用效果；我們利用MAX-SI軟件，多次計算刀具參數，最終得到“刀具避讓段”最大臨界值，確定了刀具設計方案。

通過以上關鍵技術點攻關及該項目的研究與應用，成功開發了新一代商用空調離心葉輪加工技術，整體加工葉輪較焊接葉輪首次動平衡精度明顯提升，制造工序精簡53.8 %，制造精度、效率均有明顯提升，進一步增加了產品競爭力。