闭式叶轮整体加工技术

　　1、闭式叶轮整体加工技术段昌德吴中竟吴伟摘 要 闭式叶轮在国防工业、 能源工业中的应用日趋广泛， 因其结构和叶片型面复杂、 加工 精度要求高， 所以一直以来都是机械制造领域的难题之一。本文对目前闭式叶轮的整体加工 技术进行了简要综合阐述， 如电解加工技术、 电火花加工技术、 3D 打印技术、 多轴数控铣削技 术等， 并对其相关技术原理和流程进行了介绍， 为我公司在闭式叶轮的整体制造领域提供更广 泛的技术支持。关键词闭式叶轮多轴数控铣削3D 打印技术电解加工技术电火花加工技术1闭式叶轮的应用其结构分为开式、 半闭式、 闭式叶轮 （图 1） ； 按其工作速度分为高速、 中速、 低速工作叶轮； 按其工作压 力分为高压、 中压、 低压工作叶轮； 从设计与制造角 度看， 它又可分为组合式、 整体式叶轮。本文研究 的重点是闭式整体叶轮。 流体机械中， 叶轮对产品性能有着极其重要的叶轮是水轮机、 汽轮机、 航空发动机、 火箭发动 机、 膨胀机、 泵、 风机、 压缩机等产品上的重要部件， 其作用是对流过的气体或液体进行增压或能量转 换。 叶轮通常由轮盘、 叶片、 连接件等零件组成， 按（b） 带冠整体叶轮

　　2、（a） 开式整体叶轮（c） 闭式整体叶轮图 1叶轮的各种结构型式影响， 如在汽轮机中运用叶轮将蒸汽的热能转变为 机械能， 其叶片形状、 强度、 振动、 抗热疲劳等性能 决定了汽轮机的工作效率、 工作寿命1。在透平式 压缩机中运用叶轮将低压气体进行压缩提升为高 压气体， 它广泛应用于石油、 化工、 天然气管线、 冶 炼、 制冷和矿山通风等诸多重要领域， 成为压缩和 输送各种气体的关键机器， 而该类压缩机的关键零 件也是叶轮， 其性能决定了压缩机工作效率、 能耗 指标 2。闭式整体叶轮由于其优越的机械性能和 产品性能， 在很多领域得到了广泛的应用和发展，闭式整体叶轮应用领域和应用情况如表 1 所示。2闭式叶轮的制造技术闭式叶轮叶片表面多为自由曲面， 特别是航空 发动机、 核岛反应堆循环冷却主泵等闭式叶轮的叶 片， 扭曲程度大， 通道狭小， 加工精度通常要求在 0.05mm 0.1mm 之间， 每个叶片要求一致， 表面 粗糙度一般为 Ra 0.3 m 0.5 m， 叶片最薄处约 为 1mm 2mm， 叶轮材料多为奥氏体不锈钢， 属来稿时间： 201311东方电机 2014 年第 2 期32表

　　3、 1闭式整体叶轮应用领域及应用情况高效率， 增大功率难加工材料， 这些因素都对叶轮的加工制造提出了 挑战。 叶轮的制造工艺一般采用分体式制造和闭式 整体制造两种工艺。2.1分体式制造工艺 分体式制造工艺相对简单， 叶轮采用叶片、 轮 缘、 轮毂分开制造， 装配采用焊接工艺， 但由于焊接 热变形、 装配误差等， 导致叶轮整体质量较差， 而且 制造周期长。2.2闭式整体制造工艺 闭式整体制造工艺是在制造技术发展到一定程度上提出的一种设计与制造理念， 即把原来分体 式组装的叶轮改用闭式整体结构， 采用整体制造方法， 从而使叶轮的流体力学性能和机械性能得到大 幅度提高。就目前公布的资料来看， 闭式叶轮制造方法大 致有以下几种。2.2.1连接法 连接法是将叶轮与叶片采用不同的工艺方法制造， 再采用特殊工艺把叶片与叶轮连接为一个整 体， 按其连接方法不同又可分为以下几种方法：（1） 电子束焊接法 （EBW） 电子束焊接法工作原理是指电子枪产生的电子在阴阳极高电场的作用下， 被拉出并加速到很高 速度， 经一级或二次磁透镜聚焦后形成密集的高速电子流， 当其撞击接缝处， 其动能转化为热能， 使材 料迅速

　　4、熔化达到焊接的目的。欧洲喷气涡轮公司从 1980 年代末开始在EJ200 发动机上使用电子束焊接的整体叶轮， 其整体叶轮电子束焊接分为两个 步骤： 首先将所有叶片焊接成一个整体， 形成一个叶环， 然后再把该叶环焊接到轮盘上。 采用这种方 法制造的整体叶轮比组装的叶轮重量减轻 30%3。我国太行航空发动机上也采用了电子束焊接整体 涡轮叶轮， 其中涡轮叶片采用了高温合金定向凝固 精铸成型方法。 （2） 热等静压-扩散连接法扩散连接是前苏联 H. . 卡尔柯夫在 1953 年 提出的一种连接技术， 其加工原理是将两个零件的结合表面在高温加压下引起界面结合， 加工过程分 为物理接触、 接触面原子间的相互扩散、 接触部分形成结合层逐步向体积方向扩散 3 个过程4。 在具 体应用中， 例如某钛合金整体叶轮采用热等静压法将钛合金粉末与精密锻造叶片连接成为整体叶轮； 再如某高温合金整体叶轮采用了热等静压工艺将粉末高温合金制造的轮盘和精密铸造的叶片扩散 连接为整体叶轮， 见图 2 （a） 。（3） 线性摩擦焊接法 （LFW） 整体叶轮的线性摩擦焊接使用高频振荡设备使叶片和轮盘高速振荡， 利用摩擦作用在叶

　　5、片与轮 盘之间产生足够高的温度， 使叶片和轮盘的原子相互移动、 相互渗透， 把叶片与轮盘连接成一个整体， 然后再用机械加工方法去除毛边5。 1994 年， 欧洲战斗机 EJ200 发动机的 3 级低压压气机中采用了 线性摩擦焊接的整体叶轮， 后来 R-R 公司和 MTU应用领域应用实例产品性能提升军用产品 汽车行业 水力机械机电行业 风机、 膨胀机 医疗器械微型计算机涡喷、 涡扇航空发动机、 舰船发动机、 火箭发动机等 汽车发动机涡轮增压器 水轮机叶轮、 水泵泵轮空调、 冰箱的离心压缩机、 高速电主轴、 汽轮发电机等 风机叶轮、 膨胀机叶轮 人工心脏转子、 涡轮式血液泵涡轮、 分子涡轮泵涡轮等超薄型笔记本电脑散热器的排气叶轮等可靠性好， 重量减轻， 发动机性能提高 涡轮增压使得燃烧充分， 减少废气的排放， 提效率提高 转速高， 效率提高， 效果好 效率提高强度高， 精度高， 重量轻， 可靠性好， 脉动小体积小， 排气量大， 改善了微处理器的散热条件东方电机 2014 年第 2 期33公司用 LFW 技术成功地制造了宽弦风扇整体叶 轮。 美国也引入了此项工艺， P&W 公司采用 LFW

　　6、技术制造 F119、 JSF 发动机的叶轮及风扇叶轮， 另 外也把它用在 F135/136、 F414 等军用型号发动机 上。 图 2 （b） 所示为 MTU 公司采用 LFW 技术制造 的整体叶轮。 我国西北工业大学、 北京航空工程制 造研究所也开展了整体叶轮线性摩擦焊接技术的 预先研究工作， 开发了线性摩擦焊接设备6。（4） 锻接法和整体锻造法 锻接法利用加热装置先将整体叶轮的轮盘边 缘加热， 使它产生塑性变形， 再把叶片通过一定的压力压到轮盘边缘加热区域中， 使叶片与轮盘之间 实现扩散连接，最终将叶片和轮盘牢牢结合在一 起， 形成整体叶轮。美国 P&W 公司试制了锻接法 制造的整体涡轮转子 7，我国宝钢公司也试制了 TC17 钛合金双性能整体叶轮， 见图 2 （c） 。整体锻 造法将叶片和轮盘整体锻成， 因此称之为锻造式整 体叶轮。锻造式整体叶轮是整体叶轮制造技术领 域的创造性发展， 中航工业陕西宏远锻造有限公司 成功整体锻造了双性能钛合金整体叶轮， 在国内外 尚属首创。 2.2.2 精密铸造(a) 扩散焊接的整体叶轮(b) 线性摩擦焊接的整体叶轮(c) 锻接法制造的整体叶轮图

　　7、2连接法制造的整体叶轮精密铸造是相对于传统铸造工艺而言的一种 先进铸造方法， 它能获得相对准确的形状和较高的 铸造精度。Howmet 公司于 20 世纪 80 年代开始 了双性能整体叶轮材料与精密铸造技术研究， 并于 20 世纪末成功开发了与之相关的成套铸造技术及 熔铸设备技术， 成功整铸出了叶片为定向柱晶、 轮 盘为等轴细晶的整体叶轮， 将现有燃气涡轮发动机 的使用寿命提高了 2 3 倍， 发动机功率提高 7.3% 9.2%8。 随着精密铸造工艺的新发展， 特别是金 属材料定向凝固和热等静压理论的深入研究， 铸造合金组织和性能得到大大改善， 解决了叶片疲劳断 裂的裂纹沿垂直叶片主应力方向的晶粒边界发生，以及熔模铸造内部存在疏松缺陷等问题， 使叶片的 抗疲劳性、 应力断裂寿命大为提高， 并且可以减少焊后裂纹， 降低铸件性能变化和分散程度。目前， 较为成熟的精密铸造技术有熔模铸造、 实型铸造，但仅少数工业发达国家掌握该项技术， 我国也开始 逐步应用制造整体叶轮， 其中大部分为开式整体叶轮， 图 3 所示就是精密铸造的一些整体叶轮。图 3精密铸造整体叶轮由于精密铸造生产过程复杂， 技术难度

　　8、大， 废 品率高， 所以只适用于可铸合金， 这大大限制了其 在整体构件制造中的应用范围， 一般都作为毛坯制 作手段。 精密铸造可以用于一些结构相对简单、 叶 片较厚且数量较少的闭式叶轮的整体制造， 对于结 构复杂的闭式叶轮， 还难于采用该项技术。东方电机 2014 年第 2 期342.2.3多轴数控铣削多轴数控铣削是闭式叶轮整体加工中应用最 广泛的一种加工方法。多轴数控铣削具有柔性高和可靠性高的特点， 尤其对于开式叶轮加工， 常常作为首选方法， 其加工实例见图 4。 而对于闭式整体叶轮的多轴数控铣削加工， 最图 4开式叶轮整体多轴数控铣削关键的是对刀轴矢量的控制， 通过调整刀具前倾角 和倾斜角， 使得刀具在三维空间中处于最佳切削状 态， 同时可以有效避免加工过程中可能存在的干涉 问题。图 5 为我公司采用多轴数控铣削技术加工 的某型闭式整体叶轮实例。且叶片数较少、 叶间流道较大， 即刀具可达性相对 较好的闭式叶轮， 可以利用多轴数控铣削直接整体 加工； 而对于叶片数较多、 叶间流道较窄、 流道弯扭 程度较大的闭式叶轮，由于受到刀具可达性的限 制， 则很难甚至无法利用数控铣削完成整体加工

　　9、， 目前多采用先数控铣削整体加工轮盘和叶片， 再将 轮盖焊接上的 “两大件焊接法” ； 还有一些采用钛合 金、 高温合金等难切削材料的闭式叶轮， 多轴数控 铣削也非常困难。 2.2.43D 打印3D 打印 （三维打印） 即快速成形技术的一种， 它是运用粉末状金属或塑料等可粘合材料， 通过一 层又一层的多层打印方式， 构造零件对象， 用于模 具制造、 工业设计、 建造模型， 现正发展成产品制 造， 形成 “直接数字化制造” ， 一些高价值应用 （比如 髋关节或牙齿， 或一些飞机零部件） ， 目前已经有打 印而成的零部件出现 （图 6） 。3D 打印技术的过程流包括 CAD 模型建立、 前处理、 3D 打印和后处理等 4 个环节 （图 7） 。3D 打印技术还有其他的一些别名。 这些名字 从不同侧面描述了此项技术的特征特点：（1） 3D 打印技术 （3D Printing） ， 通俗地表明这 项技术是计算机二维打印的三维延伸。（2） 快速成形 （Rapid ProtoTyping） ， 指这项技 术能够迅速地加工出三维实体。（3） 任意成形 （Freeform Fabrication） ， 任意形 状的零件都可以一步加工出来。（4） 桌面制造 (Desk-top Manufacturing)， 此类技 术所用设备可能很小， 可以放在桌面上加工零件。图 5闭式叶轮整体多轴数控铣削多轴数控铣削加工闭式叶轮， 通常需要在 5 轴联动的数控机床上进行， 在相关软件方面， 最著名 的是 NREC 公司推出的 MAXCAM 系统。 国内在 这方面也做了很多研究工作 9， 并开始成功应用，如西北工业大学开发出了 “叶轮类零件多坐标 NC 编程专用软件系统” ， 该系统集测量数据预处理、 曲 面建模、 曲面消隐、 刀位计算、 刀位验证及后置处理 于一体， 已在 20 多种叶轮的研制与生产中应用10。 然而， 目前国内对高精度机床及其数控系统、 五轴 联动编程、 刀具磨损、 加工变形等关键问题还没有 解决好， 大多仍需进口。对于

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