1 葉輪概況

　　葉輪廣泛應(yīng)用于各種發(fā)動(dòng)機(jī)泵體，是泵體供油的關(guān)鍵零件，典型應(yīng)用包括膨脹機(jī)、泵、流程壓氣機(jī)、渦輪和渦輪噴嘴。工作原理是通過(guò)高速旋轉(zhuǎn)，將燃油由葉輪進(jìn)油口帶入，再由出油口噴出，由于進(jìn)油口橫截面大于出油口橫截面，燃油在這一過(guò)程中得到加壓，產(chǎn)生強(qiáng)大壓力由出油口噴出。其制造精度直接影響泵體的工作效率。因此是泵體能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵零件。

　　目前，由于其結(jié)構(gòu)多為外窄內(nèi)寬型式，葉輪多采用兩體加工，經(jīng)過(guò)焊接成為整體。這就使得葉輪在設(shè)計(jì)時(shí)就必須考慮葉輪材料要有良好得焊接性能，這樣，材料特性就必須兼顧焊接性能和機(jī)械性能。如廣泛應(yīng)用的鋁合金6A02其特性為：中等強(qiáng)度，焊接性能好，用于制造高塑性，高耐蝕性、中等負(fù)荷的零件及構(gòu)件。但經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，葉輪在高轉(zhuǎn)速條件下存在氣蝕和腐蝕現(xiàn)象（如圖1）。大大降低整個(gè)泵體的工作效率，同時(shí)對(duì)其它零件造成一定的影響，降低泵體的使用壽命。而為避免氣蝕和腐蝕現(xiàn)象選用其它材料如2A70，TC4等材料，不是焊接性能較差，就是制造成本增加。而且，焊接時(shí)的高溫使葉輪組件產(chǎn)生退火。為保證硬度需重新進(jìn)行淬火。淬火后表面形成氧化皮，需由鉗工挫修表面達(dá)到尺寸要求。造成葉輪葉型尺寸不一致，曲面誤差大，影響葉輪工作效率（如圖2）。因此，考慮將葉輪由傳統(tǒng)的兩體結(jié)構(gòu)改為閉式整體結(jié)構(gòu)。這樣，在材料的選擇上，就可以不考慮材料的焊接性能，只考慮材料的機(jī)械性能。選擇較高的機(jī)械性能克服在工作中產(chǎn)生的氣蝕和腐蝕現(xiàn)象。

2 閉式葉輪優(yōu)點(diǎn)

　　完整的閉式葉輪零件相比于那些輪蓋和輪盤(pán)單獨(dú)加工又組裝的葉輪具有很多的優(yōu)勢(shì)。包括通過(guò)整體加工，可減化葉輪制造工序，降低機(jī)械加工難度，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。而且，閉式葉輪部件可以避免焊接造成的熱變形，比裝配葉輪結(jié)合縫位置也更加牢固。由于閉式葉輪采用整體加工成型，加工后葉型曲面誤差小，在一次裝夾加工成型的情況下，葉型沿圓周分部均勻，動(dòng)平衡時(shí)去除質(zhì)量較少。

　　又因閉式葉輪避免了焊接，因此材料選擇范圍增大。目前因鈦合金材料具有良好的綜合性能，在多種環(huán)境中有優(yōu)良的抗腐蝕性能，已廣泛應(yīng)用于航空航天尖端領(lǐng)域，但由于其焊接性能相對(duì)其它材料較差，在葉輪加工領(lǐng)域應(yīng)用較少，但隨著整體閉式葉輪加工技術(shù)的發(fā)展，五軸數(shù)控加工技術(shù)的日趨完善，使整體鈦合金閉式葉輪加工變?yōu)榭赡?。因此，整體閉式鈦合金葉輪(圖1)是此次閉式葉輪加工技術(shù)研究的重點(diǎn)。

3 鈦合金閉式葉輪加工難點(diǎn)

　　3.1 材料難加工

　　首先，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，僅是鋼的1/4，鋁的1/13，銅的1/25。因切削區(qū)散熱慢，不利于熱平衡，在切削加工過(guò)程中，散熱和冷卻效果很差，易于在切削區(qū)形成高溫，加工后零件變形回彈大，造成切削刀具扭矩增大、刃口磨損快，耐用度降低。其次，鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)低，使切削熱積于切削刀附近的小面積區(qū)域內(nèi)不易散發(fā)，前刀面摩擦力加大，不易排屑，切削熱不易散發(fā)，加速刀具磨損。最后，鈦合金化學(xué)活性高，在高溫下加工易與刀具材料起反應(yīng)，形成溶敷、擴(kuò)散，造成粘刀、燒刀、斷刀等現(xiàn)象。

　　3.2 切削刀具材料要求高

　　因加工材料為鈦合金TC4，因此，刀具材料選用應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：

　?、僮銐虻挠捕?。刀具的硬度必須要遠(yuǎn)大干鈦合金硬度。

　?、谧銐虻膹?qiáng)度和韌性。由于刀具切削鈦合金時(shí)承受很大的扭矩和切削力，因此必須有足夠的強(qiáng)度和韌性。

　?、圩銐虻哪湍バ?。由于鈦合金韌性好，加工時(shí)切削刃要鋒利，因此刀具材料必須有足夠的抗磨損能力，這樣才能減少加工硬化。這是選擇加工鈦合金刀具最重要的參數(shù)。

　?、艿毒卟牧吓c鈦合金親合能力要差。由于鈦合金化學(xué)活性高，因此要避免刀具材料和鈦合金形成溶敷、擴(kuò)散而成合金，造成粘刀、燒刀現(xiàn)象。

　　經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)常用刀具材料和國(guó)外刀具材料進(jìn)行試驗(yàn)表明，采用硬質(zhì)合金刀具效果理想。

　　3.3 全新的加工方法

　　透平機(jī)械零件的加工一直是機(jī)械加工中的難點(diǎn)，而閉式葉輪與敞開(kāi)式葉輪相比其葉片截面很薄，刀具運(yùn)動(dòng)空間狹小，需要小直徑細(xì)長(zhǎng)的刀具，而且對(duì)加工表面質(zhì)量和公差有很高要求，因此葉輪的加工關(guān)鍵在葉型加工，由于其形狀為外窄內(nèi)寬型式，采用普通加工工藝方法很難加工出完整葉型，必須根據(jù)閉式葉輪特點(diǎn)設(shè)計(jì)三維實(shí)體造型，制定合理的加工工藝方法，使葉輪加工后保證葉型準(zhǔn)確，一致。同時(shí)提高葉輪加工效率。因此葉型加工必須在選擇先進(jìn)的、現(xiàn)代化、集成度高的加工設(shè)備基礎(chǔ)上摸索出全新的、可行的加工工藝技術(shù)。

　　3.4 葉型檢測(cè)

　　由于閉式葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜，機(jī)械加工后，部分表面留有殘余去除量，需手工修型，對(duì)葉型表面進(jìn)行拋光，為保證葉型尺寸準(zhǔn)確一致。保證葉輪工作時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，需設(shè)計(jì)制作相應(yīng)葉型樣板。使葉輪最終尺寸達(dá)到圖紙要求。

4 閉式葉輪的實(shí)踐

　　根據(jù)葉輪的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，制定了詳細(xì)的加工工藝過(guò)程，葉輪的關(guān)鍵工序數(shù)控銑型加工選擇在先進(jìn)的五軸立式數(shù)控銑加工中心HERMLE C40U上進(jìn)行，其最高主軸轉(zhuǎn)速24000r/min，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，剛性好，工作穩(wěn)定，加工范圍廣，特別適合加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜類(lèi)零件，完全滿(mǎn)足閉式葉輪的加工要求。

　　目前，整體閉式葉輪使用普通CAD/CAM加工軟件很難加工成型，專(zhuān)業(yè)整體閉式葉輪加工軟件只有美國(guó)的Concepts NREC公司的MAX-PAC軟件可以加工，而該軟件使用對(duì)象為大型閉式葉輪，對(duì)于直徑只有φ35mm，均勻分布八個(gè)葉片，進(jìn)氣端寬度8mm，出氣端寬度只有4.5mm的小型閉式葉輪，MAX-PAC軟件很難編制出有效加工程序。而借助功能全面的CAD\CAM軟件平臺(tái)NX4.0，通過(guò)其提供的豐富的加工策略，經(jīng)過(guò)三維實(shí)體造型，對(duì)零件特點(diǎn)進(jìn)行分析，確定加工曲面多角度的加工方法，使用型腔粗加工、插銑、半精加工和精加工進(jìn)刀方式、沿流道方向精加工等加工方式。經(jīng)過(guò)編制加工程序，加工模擬等環(huán)節(jié)，確定了閉式葉輪葉型由粗加工（去除余量），到葉型精加工，型腔加工，最后清根的加工路線，先后編制數(shù)個(gè)專(zhuān)用數(shù)控銑加工程序（如圖3）。

　　根據(jù)加工要求，閉式葉輪加工大部分采用小直徑，大長(zhǎng)徑比數(shù)控刀具。刀具材料選擇對(duì)加工效果起決定作用，根據(jù)鈦合金TC4的加工特性，選擇YL10.2超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金刀具。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金具有硬度高、韌性好和切削刃可靠性高等優(yōu)異性能，因而即使在低速或斷續(xù)切削等加工條件下，切削刃也不易產(chǎn)生崩刃或破損。用其制造的小規(guī)格整體硬質(zhì)合金刀具（圖4），如鉆頭（φ2～φ20mm）、立銑刀（φ0.25～φ20mm）、絲錐等，切削速度可成倍、成十倍地提高。為保證刀具尺寸，葉輪用特制刀具由瑞士產(chǎn)S20E磨刀機(jī)專(zhuān)門(mén)磨制。

　　為保證葉輪加工的準(zhǔn)確性，并有效檢驗(yàn)閉式葉輪的尺寸，針對(duì)葉輪的關(guān)鍵尺寸設(shè)計(jì)制作了一系列樣板。有效保證葉輪尺寸的準(zhǔn)確性、一致性。

5 成果

　　通過(guò)一系列技術(shù)攻關(guān)和反復(fù)試驗(yàn)、調(diào)整。閉式葉輪工藝試件已加工成型，各項(xiàng)指標(biāo)符合圖紙要求，證明閉式葉輪加工工藝方案是可行的如圖5。通過(guò)小批量試生產(chǎn)，不斷完善閉式葉輪加工工藝技術(shù)，在保證零件尺寸達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，同分體焊接葉輪比較，減化葉輪制造工序6道，降低了機(jī)械加工難度，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率40%，目前，零件已裝機(jī)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間超載運(yùn)行試驗(yàn)，未出現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象，性能完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。