低振動低噪聲泵體加工工藝分析

■ 合肥通用機(jī)械研究院 （安徽 230088） 丁強(qiáng)民 文宏剛 劉海山 劉 杰 張興林

艦船尤其是潛艇的振動和噪聲問題是影響其水下隱蔽性的關(guān)鍵因素，而隱蔽性又是艦船生命力和戰(zhàn)斗力的核心之一。艦船尤其是潛艇航行時，其水下輻射噪聲主要由機(jī)械噪聲、螺旋槳噪聲與水動力噪聲組成。當(dāng)潛艇在低速靜音航行時，機(jī)械噪聲主要由安裝在艦船上的一系列動力及輔機(jī)設(shè)備工作時產(chǎn)生，機(jī)電設(shè)備的振動通過彈性安裝結(jié)構(gòu)、管路流體以及空氣噪聲傳遞到水交界的艇體結(jié)構(gòu)，艇體表面振動產(chǎn)生輻射形成水下噪聲。因此，直接降低機(jī)械設(shè)備的振動噪聲，控制振動噪聲產(chǎn)生的源頭，是降低由設(shè)備機(jī)械噪聲而引起的艦船水下輻射噪聲的直接有效方法。

均衡泵是艦船操縱控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵動力設(shè)備，主要用于浮力調(diào)整、應(yīng)急疏水、消防和蓄電池組冷卻供水等。隨著潛艇隱身性要求的日益提高，低振動低噪聲均衡泵研究已迫在眉睫，查閱文獻(xiàn)，已經(jīng)有很多文章分析和解決水力模型、結(jié)構(gòu)對振動噪聲的影響，但鮮有文章分析和解決加工工藝路線對振動噪聲的影響，本文從泵體加工工藝路線進(jìn)行分析研究，希望能達(dá)到拋磚引玉的效果。

圖1 低振動低噪聲泵裝配示意圖

1.泵體結(jié)構(gòu)

泵體是過流的主要零件，如圖1所示，里面安裝導(dǎo)葉、葉輪，外面接電動機(jī)、進(jìn)出口管路（見圖2），是低振動低噪聲泵的骨架，故必須嚴(yán)格保證泵體加工尺寸的公差、形位公差，才能使泵保證低振動低噪聲指標(biāo)，研究泵體的加工工藝很有必要。

圖2 低振動低噪聲泵泵體立體圖

2.原加工工藝路線對泵體變形的影響

原加工工藝路線：①鑄造成型，并去應(yīng)力處理。②立體劃線各加工面。③卡上法蘭，粗加工下法蘭端面及內(nèi)孔，各面各留1mm加工余量。④調(diào)頭，卡下法蘭找正，粗加工上法蘭端面及內(nèi)孔，各面各留1mm加工余量。⑤鏜床加工泵腳面到位。⑥銑床加工入口法蘭面、出口法蘭面，兩面各留1mm加工余量。⑦劃鉆各面孔。⑧水壓檢驗泵體。⑨精加工上法蘭及內(nèi)腔各面各孔。⑩精加工下法蘭及內(nèi)腔各面各孔。精加工入口法蘭面、出口法蘭面。

加工完成后，在三坐標(biāo)測量機(jī)上對泵體整體進(jìn)行測量，以關(guān)鍵的第一裝配面——上法蘭的端面和內(nèi)孔作為測量基準(zhǔn)，檢測數(shù)據(jù)如表1所示，其中僅有一個重要指標(biāo)合格，其余均超差，尤其是下法蘭指標(biāo)嚴(yán)重超差。

3.原因分析

（1）對下法蘭內(nèi)孔進(jìn)行測量（見圖3），分析超差位置。由實測值分析，橢圓最大處為泵腳中間位置，測量值為+0.13mm，橢圓最小處為最大處垂直位置，測量值為－0.06mm，變形最小處為出口法蘭位置，測量值為+0.035mm。

原因分析：從測量值直觀上分析，直徑變大的地方是泵腳中心直徑處，泵腳相當(dāng)于大筋板，直徑變小最大處是沒有大筋板的地方，直徑變化最小的地方是出口法蘭處，出口法蘭是鑄件厚大處。

圖3 下法蘭測量值（單位：0.01mm）

（2）對超差最大的下法蘭內(nèi)孔橢圓進(jìn)行分析。從下法蘭內(nèi)孔實測尺寸和位置分析，初步判斷產(chǎn)生變形的原因是加工殘余應(yīng)力的作用。殘余應(yīng)力對構(gòu)件變形的影響主要包括兩個方面：一是零件抵抗動靜載荷的變形能力；二是載荷卸載后變形的恢復(fù)能力。在切削加工的過程中，隨著被切削材料的去除，切削層中的殘余應(yīng)力被逐漸釋放，零件自身的剛度也發(fā)生了變化，原始的自平衡狀態(tài)破壞，零件只有通過變形來達(dá)到新的平衡狀態(tài)，這是殘余應(yīng)力對切削加工變形影響的基本原理。不同切削參數(shù)產(chǎn)生的殘余應(yīng)力對加工變形會產(chǎn)生影響，切削深度越大，殘余應(yīng)力引起的變形量變化越慢；進(jìn)給量越大，殘余應(yīng)力導(dǎo)致的變形越大。

從下法蘭的內(nèi)孔變形位置，結(jié)合殘余應(yīng)力的特點，在厚大部位變形較小，稍薄壁處變形較大。通過以上分析，泵體的入口法蘭、出口法蘭、泵腳不是對稱布置，導(dǎo)致在加工中有殘余應(yīng)力，是產(chǎn)生變形的主要原因。

4.改進(jìn)后的加工工藝路線

通過以上原因分析，對加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，一是增加主孔的粗加工次數(shù)，減小每次切削深度和進(jìn)給量，使加工變形多次釋放，減小殘余應(yīng)力引起的變形；二是增加加工應(yīng)力釋放時間，粗加工完放置時間加長，充分釋放粗加工產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，減小最終加工對主孔的變形影響。

表1 低振動低噪聲泵泵體檢測數(shù)據(jù)

最終形成加工工藝為：①鑄造成型，并去應(yīng)力處理。②立體劃線各加工面。③卡上法蘭，粗加工下法蘭端面及內(nèi)孔，粗加工時減小每次的切削深度和進(jìn)給量，各面各留2mm加工余量。④調(diào)頭，卡下法蘭找正，粗加工上法蘭端面及內(nèi)孔，各面各留2mm加工余量。⑤鏜床加工泵腳面，留2mm加工量。⑥銑床加工入口法蘭面、出口法蘭面，兩面各留2mm加工余量。⑦劃鉆各面孔，注意深度。⑧水壓檢驗泵體。⑨放置24h，釋放加工應(yīng)力。⑩加工下法蘭及內(nèi)腔各面各孔，加工各面各留1mm加工余量，1mm加工余量分2次切削，進(jìn)一步減小切削深度和進(jìn)給量。?做胎具，將下法蘭上到胎具上，加工上法蘭及內(nèi)腔各面各孔，各面各留1mm加工余量，按10mm的切削孔深度和進(jìn)給量加工。?精加工入口法蘭面、出口法蘭面，2mm加工余量分3次切削，減小切削深度和進(jìn)給量。?再次放置24h。?精加工下法蘭及內(nèi)腔各面各孔，1mm加工余量分2次切削。?上胎具，修正胎具，精加工上法蘭及內(nèi)腔各面各孔，1mm加工余量分2次切削。

表2 整機(jī)振動測量值

圖4 轉(zhuǎn)子裝到泵體內(nèi)后打表

加工完畢后，在三坐標(biāo)測量機(jī)上進(jìn)行測量，實測值均能達(dá)到圖樣要求的指標(biāo)。將泵體組裝在整機(jī)上，在轉(zhuǎn)子上對下法蘭內(nèi)孔止口打表（見圖4），跳動在0.02mm以內(nèi)，完全達(dá)到技術(shù)要求。對整機(jī)振動指標(biāo)進(jìn)行檢測，測量值如表2所示，低頻、高頻均能達(dá)到技術(shù)指標(biāo)要求。

5.結(jié)語

通過對均衡泵泵體原始加工工藝路線進(jìn)行分析，確定問題產(chǎn)生的主要原因，進(jìn)一步優(yōu)化泵體加工路線，使得泵體最終加工后符合圖樣要求，從而滿足整機(jī)裝配要求，達(dá)到了整機(jī)減振降噪的目標(biāo)。

（收稿日期：20180402）

專家點評

本例中泵體變形的主要原因是切削加工中的殘余應(yīng)力。作者以此為突破，優(yōu)化泵體加工路線，通過調(diào)整切削用量，安排粗加工時效等措施，充分釋放殘余應(yīng)力，減小變形，達(dá)到整機(jī)減振降噪的目標(biāo)。

文章條理清晰，簡潔有力，重點闡述了殘余應(yīng)力對切削變形的影響，工藝改進(jìn)措施適用于壁厚不均勻且去除余量較多的復(fù)雜零件。