三元閉式葉輪流道粗糙度提升工藝方法研究

范海宇，白俊峰，劉姝鑫，柳 鵬，富永亮

（沈陽鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司 透平工藝部，遼寧 沈陽 110869）

1 葉輪概述

葉輪是石油化工機(jī)組項(xiàng)目中必不可缺的核心部件，在壓縮機(jī)以及泵閥等主要設(shè)備中起著關(guān)鍵的作用。隨著國家能源戰(zhàn)略的調(diào)整，高效低耗的離心壓縮機(jī)將逐步大型化；葉輪也將更多地選擇高效率的三元閉式整體銑制葉輪。如圖1所示，此類葉輪具有流道出口寬度窄，葉片扭曲嚴(yán)重，流道粗糙度要求高，葉根圓角小等特點(diǎn)。為防止因葉輪制造誤差造成機(jī)組效率損失，人們對此類葉輪的制造精度又提出了更高的要求。

圖1 三元閉式葉輪

本文以某型離心式壓縮機(jī)三元整體閉式葉輪為例，采用自主創(chuàng)新的加工工藝方法，完成了三元閉式整體銑制葉輪的粗加工、精加工；并在精加工后通過對葉輪的超精加工，改善葉輪流道表面光潔度質(zhì)量，從而提高葉輪工作效率及使用壽命。通過檢驗(yàn)得出的結(jié)論驗(yàn)證了此項(xiàng)工藝研究是合理的、正確的。

2 葉輪傳統(tǒng)加工方法

根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以將葉輪劃分成開式葉輪、半開式葉輪、閉式葉輪。同時(shí)也可以將葉輪分為兩元葉輪和三元葉輪；并可通過如下方法加工制作而成。（1）板材或者鍛件葉片沖壓后焊接；（2）數(shù)控加工中心銑制后焊接；（3）精密鍛造、鑄造；（4）數(shù)控電火花加工。

用以上工藝方法制造葉輪周期長、成本高、流道表面光潔度不高，需人工修磨，修磨后葉輪流道內(nèi)表面粗糙度可達(dá)Ra 1.6。目前，隨著離心壓縮機(jī)組的型號(hào)越來越大，葉輪的尺寸也隨著逐漸增大。

3 整體銑制加工技術(shù)

3.1 工裝夾具的設(shè)計(jì)

加工三元整體銑制閉式葉輪采用設(shè)備為數(shù)控五軸加工中心，為保證整體加工，不僅要在葉輪的輪盤背部制作出合適的夾頭，還需要制作一套工裝夾具，作用主要有兩個(gè)：（1）將葉輪和機(jī)床工作臺(tái)連接起來以便于葉輪的安裝、調(diào)試、打表找正裝夾，工裝的設(shè)計(jì)精度需等同于葉輪的設(shè)計(jì)精度，內(nèi)外定位尺寸及位置公差都要求控制在0.01 mm以內(nèi)，同時(shí)工裝的整體強(qiáng)度也要有相應(yīng)要求。（2）工裝夾具在粗、精銑制葉輪時(shí)不僅起到連接轉(zhuǎn)換的作用，還能充分有效地吸收切削里造成的震動(dòng)，減少了對機(jī)床的沖擊，保證了葉輪的加工粗糙度。

工裝夾具明細(xì)如下：（1）定位連接盤。與機(jī)床工作臺(tái)相連接，定位作用。（2）墊鐵。承重固定。（3）側(cè)壓塊。在葉輪夾頭部分從外圓向內(nèi)加緊葉輪，類似于四爪卡盤作用。（4）連接盤。將承重固定的墊鐵與葉輪直接定位連接。（5）上壓板。從葉輪的頂部向下把合葉輪壓緊、固定。裝夾后葉輪如圖2所示。

3.2 粗精銑三元閉式葉輪葉片

粗銑葉片依靠機(jī)床五軸聯(lián)動(dòng)功能，根據(jù)葉輪型線進(jìn)行等參數(shù)均分層，同時(shí)根據(jù)各種刀具來控制每次加工的深度及寬度，直至將葉輪的每個(gè)葉片間的流道部分余量全部去除，但要給葉片的精加工預(yù)留足夠余量。

粗銑后對葉片厚度進(jìn)行逐個(gè)測量，并且依據(jù)葉片設(shè)計(jì)厚度以及預(yù)留余量的情況，檢驗(yàn)各葉片的加工尺寸；粗加工后對葉輪進(jìn)行半精銑加工，半精銑是利用專用刀具按照整個(gè)葉片展開的方向進(jìn)行加工，同時(shí)模擬出葉片走刀的路線，并給精銑葉片留出一定余量。

圖2 葉輪裝夾后整體示意

精銑葉片為三元整體閉式葉輪的加工難點(diǎn)，當(dāng)利用五軸加工中心精銑時(shí)，需要五軸加工中心的X，Y，Z軸及機(jī)床中心的刀具附件頭A軸和旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)B軸聯(lián)動(dòng)，依靠刀具的形狀尺寸擬合出整個(gè)葉片加工后的型線。由于刀具具有一定的韌性和脆性，故在精銑葉片的過程中，會(huì)產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，因此在銑削過程中需要排刀加工。粗精銑葉輪后粗糙度可達(dá)Ra 3.2。

4 磨料流精加工技術(shù)

4.1 磨料流工作原理

葉輪磨料流工藝是利用工裝夾具及磨料機(jī)床的活塞缸，擠壓磨料在整個(gè)葉輪的腔體內(nèi)作往復(fù)式的活塞運(yùn)動(dòng)，使磨料反復(fù)經(jīng)過葉輪葉片加工部位，磨料中的高密度硬質(zhì)合金顆粒在工件表面進(jìn)行多次的刮、磨、研運(yùn)動(dòng)，達(dá)到一個(gè)組合切削的過程。此工藝方法可以根據(jù)葉輪葉片的不同技術(shù)要求，經(jīng)過多次擠壓來提高葉片表面粗糙度或者去除葉片上余量。

4.2 磨料流工裝

當(dāng)對葉輪流道進(jìn)行磨料流加工時(shí)，須特殊制作密封容器工裝。利用該工裝將葉輪密封在內(nèi)，并盡可能多地將葉輪流道的旋轉(zhuǎn)方向作為流通方向，這樣就可以引導(dǎo)磨料在葉輪流道內(nèi)流動(dòng)嗎，同時(shí)流道也形成了一個(gè)往復(fù)腔體，如圖3所示。

4.3 磨削加工

工作時(shí)，磨料受壓后對流道腔體內(nèi)表面往復(fù)做功，磨料中的金屬顆粒受擠壓，并做不規(guī)則的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，切除金屬表面層上的高點(diǎn)，從而達(dá)到對金屬表面的超精加工，流道區(qū)域如圖4所示。

圖3 磨料流工裝示意

圖4 流道區(qū)域示意

5 流道粗糙度的檢驗(yàn)

5.1 銑制后的葉輪流道表面

在葉輪經(jīng)過多次反復(fù)承壓式的磨料流加工后，葉輪流道內(nèi)的表面呈現(xiàn)出鏡面式粗糙度，與之前對比，流道表面粗糙度有了顯著的變化（見圖5），再經(jīng)過粗糙度檢測儀的檢驗(yàn)后得出了權(quán)威的結(jié)論，葉輪流道內(nèi)原表面粗糙度Ra 6.3提高到Ra 0.4，從而證明了，磨料流加工葉輪內(nèi)表面是非常有用的。

5.2 粗糙度檢測結(jié)果

利用粗糙度檢測儀分別對磨料流加工前后的葉輪葉片處進(jìn)行粗糙度檢測，分別為Ra 3.494，Ra 0.23，數(shù)據(jù)顯示經(jīng)過磨料流的超精加工后，葉輪流道表面粗糙度提高了15倍。

6 結(jié)語

通過利用磨料流設(shè)備對三元整體閉式葉輪流道內(nèi)表面進(jìn)行超精加工，提高了其表面粗糙度，從而可以為確定葉輪疲勞極限及工作效率提供理論依據(jù)。葉輪作為壓縮機(jī)核心部件，直接影響轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性以及壓縮機(jī)組的工作效率，所以本文對葉輪進(jìn)行加工對比，為今后加工過程中提高離心式壓縮機(jī)葉輪加工精度，保證加工質(zhì)量，細(xì)化加工參數(shù)奠定理論基礎(chǔ)。

圖5 應(yīng)用磨料流前后葉輪流道對比

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