刀具移距在誘導(dǎo)輪葉片加工中的作用

于 捷，杜方平

（西安航天發(fā)動機廠，陜西西安 710100）

0 引言

誘導(dǎo)輪技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空、航天以及民用渦輪泵中，作用是提高渦輪泵的抗氣蝕性能。采用誘導(dǎo)輪和離心輪組成的泵機組，可使渦輪泵轉(zhuǎn)速大幅提高，不僅減小了渦輪泵的尺寸和質(zhì)量，提高了渦輪泵的性能，而且由于泵抗氣蝕性能的提高，渦輪泵可以在入口壓力較低的情況下穩(wěn)定可靠地工作。

氣蝕是造成渦輪泵出現(xiàn)故障的重要原因之一。為了防止泵在工作過程中發(fā)生氣蝕，最有效的方法是在離心泵前增加一個誘導(dǎo)輪。誘導(dǎo)輪的抗氣蝕性能體現(xiàn)在兩個方面：一是誘導(dǎo)輪作為與泵的進口裝置直接相連的部件，本身應(yīng)具有良好的抗氣蝕性能；二是誘導(dǎo)輪能對進口液流進行預(yù)旋和預(yù)增壓，改善離心輪部分的進口條件，增強離心輪的抗氣蝕性能。

由于泵機組抗氣蝕性能在一定程度上主要取決于誘導(dǎo)輪性能，因此誘導(dǎo)輪的設(shè)計、加工尤為重要。誘導(dǎo)輪加工中的關(guān)鍵技術(shù)是葉片的銑削，銑削葉片時，刀具中心若與誘導(dǎo)輪軸線移距不適當(dāng)，加工出的誘導(dǎo)輪葉片會產(chǎn)生根切、頂切現(xiàn)象，降低誘導(dǎo)輪葉片強度，影響泵的抗氣蝕性能。所以，有必要對誘導(dǎo)輪葉片加工中的刀具移距進行研究。

1 氣蝕現(xiàn)象

氣蝕現(xiàn)象是指在液體流動系統(tǒng)中，當(dāng)液體靜壓低于該處溫度下液體的飽和蒸氣壓時，液體將發(fā)生沸騰，生成蒸氣泡。如果這些氣泡隨液流流向高壓區(qū)，由于該處壓力大大超過該溫度下液體的飽和蒸氣壓，這時氣泡將產(chǎn)生劇烈的凝結(jié)，氣泡突然消失。液體的沸騰和蒸氣泡的突然凝結(jié)均以很高的速度進行，于是產(chǎn)生局部水擊，局部壓力可達幾十甚至幾百兆帕，水擊的頻率可以達到每秒幾千次甚至幾萬次，并伴隨著振動和噪聲。

在離心泵中，氣蝕現(xiàn)象是在進口壓力較低的情況下發(fā)生的，雖然這時泵進口壓力還大于該液體溫度下的飽和蒸氣壓，但由于液體流過葉片進口邊緣時，像流過任何型面一樣會形成低壓區(qū)，對于離心泵，當(dāng)具有正攻角時，其低壓區(qū)發(fā)生在葉片進口部分的背面，流速越大，則靜壓越低，在進口邊上離軸線最遠的點速度最大，當(dāng)該處靜壓低于推進劑溫度下的飽和蒸氣壓時，就會發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。在泵發(fā)生氣蝕后，離心輪表面受到局部水擊，一定時間后零件表面開始遭受破壞。當(dāng)氣蝕現(xiàn)象嚴(yán)重時，會導(dǎo)致泵的振動加劇，噪聲增大，泵的流量和揚程劇烈下降，甚至有可能導(dǎo)致泵體結(jié)構(gòu)遭受嚴(yán)重破壞[1]。

2 誘導(dǎo)輪型面加工中銑刀移距的研究

2.1 移距概念

誘導(dǎo)輪的葉片上窄下寬且根部有圓角，整體形狀呈螺旋結(jié)構(gòu)。因此，為使誘導(dǎo)輪加工出的型面、葉根圓角與設(shè)計圖紙完全相符，必須使銑刀相對于零件軸線有一個合適的移距，移距過大或過小，都會使加工出的葉片產(chǎn)生頂切或根切現(xiàn)象。

圖1所示為左旋誘導(dǎo)輪當(dāng)移距e=0時的情況：

如圖1所示，在e=0時，銑刀若銑到葉頂處時，葉片其它部位，尤其是葉根處已經(jīng)銑到一部分葉型，即發(fā)生根切現(xiàn)象。同理，當(dāng)移距e過大時，將發(fā)生頂切現(xiàn)象。誘導(dǎo)輪加工中產(chǎn)生根切和頂切現(xiàn)象后，誘導(dǎo)輪葉片強度和抗氣蝕性能將大幅降低。

2.2 移距的確定

理論上講，必須將刀具移到葉片的法向平面上，才能加工出完全符合圖樣要求的葉形，即讓葉頂與葉根處的螺旋線與刀具同時相切，也就是說，移距的大小與誘導(dǎo)輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，銑加工誘導(dǎo)輪葉片時，銑刀與零件的對應(yīng)關(guān)系見圖2所示。

誘導(dǎo)輪按導(dǎo)程不同，可分為等螺距誘導(dǎo)輪和變螺距誘導(dǎo)輪。

2.2.1 等螺距誘導(dǎo)輪刀具移距的確定

如圖3所示，為了使加工出的葉片不產(chǎn)生根切或頂切現(xiàn)象，必須讓葉頂處和葉根處的螺旋線與刀具共同相切。

移距計算公式的推導(dǎo)：

如圖3所示，在三角形△OCD中

螺旋升角的計算公式：

式中：S為誘導(dǎo)輪導(dǎo)程。

將式（2），（3），（4）代入式（1）中，得出刀具移距的計算公式：

2.2.2 變螺距誘導(dǎo)輪刀具移距的確定

對于變螺距誘導(dǎo)輪，根據(jù)設(shè)計給出的導(dǎo)程等特性參數(shù)，按等螺距誘導(dǎo)輪移距的計算方法，計算出每個程序段的銑刀移距值e，再求得增量△e即可。

移距值得出后，根據(jù)誘導(dǎo)輪需要銑削的葉片是工作面或非工作面，將移距前面加±符號。

3 誘導(dǎo)輪加工工藝流程

誘導(dǎo)輪加工工序安排的原則為：零件的熱處理工序應(yīng)安排在粗車和精車之間，銑鍵槽工序應(yīng)安排在加工葉片之前，動平衡工序最后完成。誘導(dǎo)輪加工工藝流程如圖4所示。

誘導(dǎo)輪是由棒料或鍛件切削加工制成的。主要加工部位是葉片型面，一般采用銑削的方法在立式銑床或數(shù)控加工中心上完成，銑加工誘導(dǎo)輪前，應(yīng)設(shè)計制作專用裝夾心軸和專用銑刀，確保加工出的誘導(dǎo)輪型面與葉根圓角與設(shè)計圖紙完全相符。在普通立銑床上加工誘導(dǎo)輪時，需要根據(jù)誘導(dǎo)輪導(dǎo)程，銑床絲杠螺距和分度頭定數(shù)計算掛輪比，確定交換齒輪的齒數(shù)，掛輪比i的計算方法如下[2]：

Z1，Z2，Z3和Z4為4個交換齒輪的齒數(shù)；40為分度頭的定數(shù)；6為絲杠螺距；S為誘導(dǎo)輪的導(dǎo)程。

根據(jù)上式計算出來的齒輪齒數(shù)應(yīng)是機床常用的齒輪。

4 某型號渦輪泵誘導(dǎo)輪的加工

在某型號液體火箭發(fā)動機渦輪泵研制中，誘導(dǎo)輪為等螺距誘導(dǎo)輪，與其它型號渦輪泵的誘導(dǎo)輪相比較，其導(dǎo)程小、葉片薄、剛性較差，為保證葉片加工強度，防止頂切或根切，加工難度更大。誘導(dǎo)輪的加工流程按圖4所示流程進行，葉片的銑削在數(shù)控加工中心上進行，根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計制作了專用刀具，根據(jù)誘導(dǎo)輪及專用銑刀尺寸，按公式（5）計算得出了銑刀中心與誘導(dǎo)輪軸線移距為0.91 mm，銑削葉片加工工藝參數(shù)見表1。

按表1所述的工藝參數(shù)加工出的誘導(dǎo)輪，尺寸檢測結(jié)果與設(shè)計圖紙尺寸完全相符，檢測結(jié)果見表2。

表1 加工中心銑葉型工藝參數(shù)Tab.1 Blade milling parameters of machining center

表2 誘導(dǎo)輪加工后檢測結(jié)果Tab.2 Inspection results of inducer machined with proposed process and parameters

表3 渦輪泵參加水力試驗結(jié)果Tab.3 Results of hydraulic test for turbopump

產(chǎn)品參加水力試驗考核，各項參數(shù)測試均滿足設(shè)計要求，試驗結(jié)果見表3。產(chǎn)品最終通過了地面熱試車考核。

5 結(jié)束語

本文所述的加工誘導(dǎo)輪時銑刀的移距計算公式和加工方法，已在科研生產(chǎn)中得到了應(yīng)用，經(jīng)過渦輪泵水力試驗和發(fā)動機地面熱試車及飛行考驗成功，產(chǎn)品和工藝方法得到了驗證，由此表明該工藝方法正確、可靠，可推廣應(yīng)用于航空、航天以及民用渦輪泵誘導(dǎo)輪的加工之中。

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