小型渦輪分子泵靜葉片沖壓成型技術*

蔡飛飛　任　違

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

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小型渦輪分子泵靜葉片沖壓成型技術*

蔡飛飛任違

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900)

在靜葉片原成型工藝的基礎上，通過設計靜葉片沖裁折彎成型模具，一次完成靜葉片的折彎成型，大大提高了加工效率。最后，通過試驗驗證了該方法能很好地完成靜葉片折彎成型，證明了該方法的有效性和可行性。

渦輪分子泵; 靜葉片; 模具; 成型

分子泵作為獲得潔凈真空環境的重要設備在現代工業中得到了越來越廣泛的應用，高速、小型化是其發展方向之一，最高轉速達到90 000 r/min[1]。目前，渦輪分子泵已經成為質譜分析、真空檢漏、高能束焊接、半導體制造等方面的關鍵部件，用于獲得潔凈的高真空環境[2]。靜葉輪作為分子泵的關鍵部件，與動葉輪一起形成相向運動，將氣體分子從高真空區“驅趕”至低真空區。靜葉片的加工成型是分子泵零部件加工中的一項關鍵技術，文獻[2]中采用車削外形和微細立銑刀加工葉片輪廓，然后用如圖1所示的角度樣板，手工施壓單葉片折彎成型。

但是，按照文獻[2]中單片折彎的方法進行手工折彎，發現葉片傾角一致性誤差達3°～4°，葉片扭轉角度和角度一致性難以有效地進行控制，并且加工效率低，勞動強度大。本文在靜葉片單片折彎成型工藝的基礎上，設計沖壓成型模具，在一次沖壓下完成所有葉片的成型，大大提高了加工效率，減輕了勞動強度。

1　靜葉片沖壓模具設計

1.1靜葉片結構與加工方法

靜葉片的材料為防銹鋁合金，葉片扭轉角度為26°，葉片邊框厚度為1 mm，屬于典型的薄壁型弱剛性零件。零件環槽區域的厚度僅為0.3 mm，在區域內分布15個葉片，葉片輪廓復雜精細。靜葉片的結構如圖2所示。

改進后靜葉片加工方法：首先車削外形和銑削厚度0.3 mm的環槽區域，然后設計專用沖壓模具一次沖壓完成葉片的切縫和折彎成型，從而避免了采用微細立銑刀加工葉片輪廓和手工折彎葉片。

1.2設計概述

根據靜葉片的結構特點設計葉片整體折彎成型模具，模具包括上模座、下模座、壓邊圈、支撐圈、沖頭、限位塊、導向部分以及彈簧等零部件。靜葉片整體沖壓過程為：首先將靜葉片放置在支撐圈上，上模下行，壓邊圈首先接觸并壓緊工件，上模繼續下行，兩對26°角度沖頭接觸剪開工件，限位塊接觸壓邊圈上端面，壓邊圈和支撐圈壓緊工件一起向下運動直到兩組沖頭完全接觸，完成靜葉片的一次沖壓成型。沖壓模具簡圖如圖3所示。

1.2.1沖裁間隙的確定

沖裁間隙對沖裁件質量有重要的影響，還影響模具壽命、卸料力、推件力和沖裁件的尺寸精度。國家標準沖裁間隙GB/T16743-1997根據沖裁件尺寸精度、剪切面質量、模具壽命和力能消耗等主因素，將金屬材料沖裁間隙分為3種類型，即Ⅰ類(小間隙)、Ⅱ類(中等間隙)和Ⅲ類(大間隙)[3]。Ⅰ類(小間隙)的模具沖裁力較大，適用沖件斷面質量、尺寸精度要求高時，沖模壽命較短。對于材料5A06，沖裁間隙取為厚度t的3.5%～6.0%，靜葉片厚度0.3 mm，沖裁間隙可以取為0.010 5～0.018 mm。

1.2.2沖裁力計算

計算沖裁力的目的是為了合理地選用沖壓設備、設計模具和檢驗模具的強度。壓力機的噸位必須大于所計算的沖裁力，斜刃口沖裁力可按下式計算，減力程度與斜刃高度h、斜刃角φ有關，即：

Fx=kFp

(1)

式中：k為減力系數；Fp為平刃口沖裁力，N。

Fp=tLτ

(2)

式中：L為沖裁周邊總長，mm；t為材料厚度，mm；τ為材料抗剪強度，MPa。

靜葉輪沖裁區域的材料厚度t=0.3 mm，單個葉片沖裁長度L=17.68 mm，5A06鋁板的剪切強度為τ=210 MPa，取減力系數k=0.8。根據式(1)、(2)計算靜葉輪沖裁力的大小，Fx=0.8×0.3×17.68×210×15(片)=13.37 kN。因此，額定壓力20 kN壓力機可以滿足使用要求。

1.3模具結構設計

沖頭是整個折彎模具中的關鍵部件，它直接決定了成型后葉片的扭轉角度。因此，沖頭必須在整個模具結構中定位可靠，采用腰形凸臺與上、下模座的腰形凹槽間隙配合，并用M3螺釘拉緊來保證沖頭的定位。其三維結構如圖4所示。

在沖壓過程中，靜葉片必須具有可靠的定位，否則會造成沖壓后的工件報廢。根據靜葉片的半圓結構，利用葉片兩直邊在支撐圈上定位，支撐圈結構如圖5所示。

折彎模具是靠上模的上下運動完成靜葉片的折彎成型，因此要有合適的導向裝置，保證上模運動后順利完成葉片的成型。另外，在模具結構中必須有限位裝置對支撐圈的最低位置進行限制，這樣才能保證葉片成型后不會有“上拱”的趨勢。根據上述靜葉片整體折彎模具的原理和部分重要結構的三維設計，完善該模具的三維結構如圖6所示。

2　沖壓試驗

根據靜葉片沖壓模具的三維結構，加工出該模具，并利用模具進行靜葉片的沖壓試驗。首先將車削成型的靜葉片放置在支撐圈的凹槽上，上模下行直到兩組角度沖頭完全接觸。松開上模后，彈簧將上模自動彈起，即可取出工件。沖壓工藝穩定后沖壓成型的產品合格率達100%。沖壓模具的實物圖以及折彎成型后的靜葉片如圖7所示。

采用非接觸式激光掃描測量兩件靜葉片沖壓試驗件(#1、#2)的葉片傾角，測試設備(Metris激光測頭)及掃描結果如圖8所示，實測葉片傾角數據列于表1。

從表1可以看出，沖壓后靜葉片傾角與名義值偏差在1°以內，傾角一致性在1.3°以內，可以滿足葉片設計和使用要求。

表1靜葉片傾角實測值

葉片名義值實測值偏差值#126°26.46°0.46°26°25.82°-0.18°26°26.88°0.88°26°26.78°0.78°26°25.67°-0.33°#226°26.17°0.17°26°26.68°0.68°26°25.92°-0.08°26°26.28°0.28°26°25.82°-0.12°

3　結語

針對靜葉片單片折彎效率低和一致性無法保證的問題，設計了靜葉片整體沖壓成型模具，該模具利用上、下模的相對運動和角度沖頭來完成葉片的沖壓折彎成型。該模具結構簡單可靠，試驗和生產實踐證明該模具可以完成合格產品，并且加工效率高，勞動強度低。

[1]巴德純, 王曉東, 劉坤. 現代渦輪分子泵的進展[J]. 真空, 2010, 47(4): 1-6.

[2]陶繼忠, 鄭越青. 小型渦輪分子泵靜葉片設計與成型技術[J]. 真空, 2012, 49(6): 1-3.

[3]王鵬駒, 成虹. 沖壓模具設計師手冊[M]. 北京：機械工業出版社, 2008.

(編輯李靜)

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Punching and molding technology of stationary blade for small turbo-molecular pump

CAI Feifei, REN Wei

(Institute of Mechanical Manufacturing Technique, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, CHN)

Based on the former machining process of stationary blade, designed the cutting and bending mold, achieved the molding of stationary blade, the efficiency was greatly improved. Finally, the molding of stationary blade was verified by experiment, which demonstrated the effectivity and correctness of the proposed method.

turbo-molecular pump; stationary blade; mould; molding

TH162

B

2015-10-27)

160524

科技部重大科學儀器設備開發專項資助(2013YQ130429)