離心泵模型葉輪的制造技術(shù)

廖乾東，吳中竟，段昌德，吳偉

東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司 四川德陽 618000

1 序言

葉輪作為離心泵的核心部件，極大地影響著泵站的工作效率和安全穩(wěn)定。在研發(fā)過程中，設(shè)計(jì)人員往往通過將模型泵葉輪在高精度試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行試驗(yàn)，從而獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)以驗(yàn)證性能，因此其制造精度是否滿足設(shè)計(jì)要求，也成為決定試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性的關(guān)鍵因素。

離心泵葉輪包括閉式、半開式和開式葉輪，其中閉式葉輪包含前蓋板、后蓋板、輪轂和葉片。相比于投入商業(yè)運(yùn)行的真機(jī)葉輪，模型葉輪通常為其等比例縮小版，其制造技術(shù)可分為分體式制造和整體制造，其中整體制造又分為半開式制造和全閉式制造。與水輪機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)及壓縮機(jī)等產(chǎn)品上的核心葉輪類似，離心泵模型葉輪也具有葉片曲面復(fù)雜、精度要求高及加工可達(dá)性差等特點(diǎn)，因此是機(jī)械制造領(lǐng)域的難題之一。

2 分體式制造

由于離心泵模型葉輪的直徑小，當(dāng)葉片數(shù)量過多時(shí)，流道變得狹窄，加工空間十分狹小，部分區(qū)域甚至無法加工，因此采用分體式制造成為唯一的方案。德國VOITH集團(tuán)、法國ALSTOM公司、哈爾濱電機(jī)廠及東方電機(jī)有限公司等多采用該方式制造與離心泵模型葉輪尺寸相近、形狀相仿的水輪機(jī)模型葉輪。

分體式制造方案基于葉輪模型，將葉片設(shè)計(jì)為帶分瓣式后蓋板結(jié)構(gòu)，同時(shí)將后蓋板和輪轂設(shè)計(jì)為鑲嵌式結(jié)構(gòu)。分瓣式葉片與鑲嵌式結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩者通過螺紋組件把合至一體，再與前蓋板裝配形成整體葉輪。

圖1 分瓣式葉片與鑲嵌式結(jié)構(gòu)

其中，葉片可采用定制化的多邊形毛坯或隨形鑄造的毛坯，加工余量較少，普通三軸機(jī)床即可完成粗銑，多軸加工中心則用于精銑，保證最終表面精度。多軸加工中心精銑分瓣式葉片如圖2所示。粗精分開的加工策略能有效利用多臺(tái)設(shè)備，提升加工效率，降低生產(chǎn)成本。后蓋板與輪轂經(jīng)數(shù)控車削后，銑削出配合分瓣式葉片的定位槽，并鉆出把合孔用于裝配。

圖2 多軸加工中心精銑分瓣式葉片

該方案大幅降低了葉輪制造難度，通過將各部件分別制造最后裝配為一體，解決了包含多葉片的小尺寸模型葉輪無法制造的難題，因此各廠家多采用該方式制造模型葉輪，其技術(shù)成熟度已經(jīng)很高。

其缺點(diǎn)有以下4點(diǎn)。

1）由于葉片都是單獨(dú)加工，因此一致性差，需要依賴設(shè)備和裝夾的高精度保證。

2）葉片與前、后蓋板裝配時(shí)均存在裝配誤差和鉗修誤差，葉輪整體性不佳。

3）薄壁葉片的剛性差，加工易出現(xiàn)振動(dòng)、變形。

4）葉片毛坯易出現(xiàn)砂眼、氣孔等鑄造缺陷，與鑄造廠商的經(jīng)驗(yàn)水平密切相關(guān)。

3 整體制造

由于分體式制造具有無法避免的裝配誤差和鉗修誤差，因此各廠家一直在摸索葉輪整體制造的可能性。與傳統(tǒng)的分體式結(jié)構(gòu)相比較，整體制造方案完全消除了由裝配帶來的誤差，系統(tǒng)剛性也明顯優(yōu)于前者，能有效抑制切削變形和振動(dòng)。然而由于葉輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其制造技術(shù)一直是行業(yè)的難點(diǎn)。

3.1 半開式整體制造

數(shù)控技術(shù)的迅速發(fā)展和多軸加工中心的廣泛使用，使制造技術(shù)得到很大提高，利用整體毛坯直接加工離心泵葉輪成為可能。目前常用的編程軟件如UG NX、Cimatron等對于整體葉輪編程都給出了一定算法，國外一些數(shù)控機(jī)床廠家如瑞士StarragHeckert集團(tuán)開發(fā)了專門用于整體葉輪制造的數(shù)控機(jī)床，并附帶專用的葉輪加工軟件模塊。

當(dāng)葉片數(shù)量不多（例如葉片數(shù)≤7）、間隔較大時(shí)，可采用葉片與后蓋板和輪轂整體加工，然后與單獨(dú)加工的前蓋板裝配形成整體葉輪的方案。葉片與后蓋板整體加工如圖3所示。

圖3 葉片與后蓋板整體加工

該方案的難點(diǎn)在于葉輪的銑削。由于葉片扭曲，因此普通三軸機(jī)床必須采用多工位、多次裝夾，導(dǎo)致加工周期過長和精度下降。隨著近年來多軸數(shù)控加工中心的應(yīng)用和普及，一次裝夾并采用多軸聯(lián)動(dòng)加工即可完成整個(gè)銑削。德國VOITH集團(tuán)、日本TOSHIBA集團(tuán)都曾采用該技術(shù)制造半開式模型葉輪。東方電機(jī)有限公司利用多年來的葉輪加工技術(shù)優(yōu)勢，采取“3+2”軸大切削量粗加工和多軸聯(lián)動(dòng)精加工，成功實(shí)現(xiàn)了多個(gè)模型葉輪的快速高精度制造，葉片表面尺寸精度最優(yōu)可達(dá)±0.03mm。多軸聯(lián)動(dòng)加工葉片及后蓋板，如圖4所示。

圖4 多軸聯(lián)動(dòng)加工葉片及后蓋板

該方案的優(yōu)點(diǎn)在于：當(dāng)加工空間足夠時(shí)，可采用剛性較好的大直徑刀具一次加工成形，其生產(chǎn)效率和表面質(zhì)量均可達(dá)到較高水平，葉片一致性好。

其劣勢有以下3點(diǎn)。

1）多軸加工時(shí)的刀路生成情況復(fù)雜，既要考慮相鄰葉片的干涉、碰撞，又要在有限的空間內(nèi)保證加工到所有區(qū)域，同時(shí)兼顧效率，對編程提出了一定考驗(yàn)。

2）葉片與前蓋板裝配時(shí)，存在無法避免的裝配誤差。

3）由于沒有連接前蓋板，因此薄壁葉片的剛性較差，加工時(shí)易發(fā)生振動(dòng)、變形。

3.2 全閉式整體制造

相比于半開式整體制造，全閉式葉輪整體制造由于增加了前蓋板，內(nèi)部空間更狹小，多為扭曲較大、狹長的異形腔，因此該技術(shù)成為世界級(jí)制造難題。隨著國內(nèi)外技術(shù)的不斷發(fā)展，以多軸數(shù)控、特種加工和3D打印等為代表的先進(jìn)制造技術(shù)使得全閉式葉輪加工成為可能。

（1）多軸數(shù)控加工 多軸數(shù)控加工由于加工柔性好、精度高且過程穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為全閉式葉輪整體加工應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠商如美國普惠公司、GE公司，英國羅爾斯·羅伊斯公司等已利用該技術(shù)進(jìn)行了難加工材料，如鈦合金整體葉輪的制造；上海交通大學(xué)、南京航空航天大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)等科研院校也對該技術(shù)進(jìn)行了深入研究，通過詳細(xì)的工藝方案規(guī)劃和定制刀具的使用，成功實(shí)現(xiàn)全閉式葉輪的加工成形（見圖5）。

圖5 全閉式葉輪的加工成形

該技術(shù)最核心的部分是加工刀軌的生成，需考慮以下影響因素。

1）刀具極易與葉片、前后蓋板發(fā)生干涉，因此刀軌必須安全可靠，容錯(cuò)度低。

2）為加工到所有內(nèi)部流道，需采用分段加工，從進(jìn)、出口兩側(cè)向中間銑削，直至完成所有區(qū)域，因此如何合理劃分加工區(qū)域，在刀具有效長度下，尋找各區(qū)域可行的加工角度也異常繁瑣。

3）要保證五軸聯(lián)動(dòng)刀軌的光順性，以及刀軸矢量平滑過渡，避免因機(jī)床和刀具的振動(dòng)而帶來薄壁葉片的質(zhì)量問題。

4）毛坯的待加工量很大，由于無法使用大尺寸刀具，因此如何高效去除毛坯余量是提高生產(chǎn)效率，降低加工成本的重要影響因素。

以上因素都導(dǎo)致數(shù)控編程非常復(fù)雜，同時(shí)由于不同的葉輪設(shè)計(jì)形狀各異，已編程序不再具有通用性，因此每次加工對編程人員的編程技術(shù)、機(jī)床結(jié)構(gòu)、刀具使用和切削狀態(tài)等都是一種全方位的考驗(yàn)。

成形的整體葉輪都無需焊接、裝配等步驟，葉輪整體性和葉片一致性非常好，表面精度高，性能表現(xiàn)突出，因此整體葉輪多軸聯(lián)動(dòng)加工成為葉輪制造廠商最核心的技術(shù)，如美國著名的Concepts NREC公司，不僅是專業(yè)的葉輪加工企業(yè)，更具有強(qiáng)大的專用于葉輪數(shù)控編程的MAX-CAM系統(tǒng)，其高效編程和優(yōu)化加工策略可自動(dòng)生成光順、安全的五軸聯(lián)動(dòng)刀軌，快速加工出高質(zhì)量整體葉輪。東方電機(jī)有限公司也已成功利用DMU-100五軸聯(lián)動(dòng)加工中心制造閉式葉輪，同時(shí)研究了虛擬制造技術(shù)，保證刀軌的可靠性。閉式葉輪虛擬制造技術(shù)如圖6所示。

圖6 閉式葉輪虛擬制造技術(shù)

（2）特種加工 電火花和電解加工是特種加工中應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，尤其適用于形狀復(fù)雜或薄壁零件的加工。當(dāng)葉輪內(nèi)部因狹窄而無法數(shù)控加工時(shí)，電解或電火花加工可有效解決機(jī)械加工的盲區(qū)問題。電火花加工原理（見圖7）是基于工具電極和工件之間脈沖性火花放電的電腐蝕現(xiàn)象來去除材料；電解加工則是利用金屬在電解液中產(chǎn)生陽極溶解的原理，將工件接直流電源的陽極，工具接陰極，電解液從兩者間隙中流過時(shí)工件金屬原子分離，從而去除材料。相比之下，電火花加工效率低于電解加工，而精度優(yōu)于后者。

圖7 電火花加工原理

兩種加工技術(shù)均無宏觀切削力，非常適用于各種難切削材料，不受硬度限制，同時(shí)加工穩(wěn)定性高，零件質(zhì)量較好。近年來與多軸數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，利用多軸聯(lián)動(dòng)的精準(zhǔn)定位和成形工具電極實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面加工，精度達(dá)到微米級(jí)，表面粗糙度值Ra達(dá)到0.8～1.6μm。鑒于以上優(yōu)點(diǎn)，國內(nèi)外一直在深入研究采用兩種技術(shù)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜葉輪的制造成形。美國GE公司已經(jīng)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)上成功使用電解加工技術(shù)制造鋼制和鈦合金整體葉輪，德國ZK公司則采用石墨電極進(jìn)行電火花加工成形制造了閉式整體葉輪，中國部分高校也利用該技術(shù)成功研制出三元流閉式整體葉輪。上海交通大學(xué)和南京航空航天大學(xué)研制的電火花加工葉輪如圖8所示。

圖8 電火花加工葉輪

為發(fā)揮不同制造技術(shù)優(yōu)勢，在加工整體葉輪時(shí)，可先使用多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工，待完成后再利用電解或電火花加工消除盲區(qū)，達(dá)到高效和高精度加工的目的。然而在實(shí)際加工時(shí)，特種加工技術(shù)的影響因素多、技術(shù)難度高，工具陰極的設(shè)計(jì)、移動(dòng)路徑規(guī)劃復(fù)雜，再加上設(shè)備投資大，加工成本居高不下，嚴(yán)重制約了該類技術(shù)在離心泵模型葉輪制造中的廣泛使用。

（3）3D打印 作為先進(jìn)制造技術(shù)的代表，3D打印是指對零件的三維模型分層切片，利用金屬、樹脂及陶瓷等材料逐層添加、堆積成形，最終形成實(shí)體的技術(shù)，又稱為增材制造。自20世紀(jì)80年代起提出增材制造的概念后，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已取得巨大進(jìn)步。3D打印主流技術(shù)見表1。

表1 3D打印主流技術(shù)

相比于傳統(tǒng)制造技術(shù)，3D打印的最大優(yōu)勢在于幾乎可成形任意形狀，與整體葉輪結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)恰好契合，同時(shí)無需毛坯和模具，相比整體數(shù)控加工，大幅節(jié)省了原材料和加工成本，因此航空航天、國防軍工及發(fā)電設(shè)備制造等行業(yè)一直在探索3D打印成形整體葉輪的可能性。俄羅斯Tushino工廠采用3D systems公司設(shè)備iPro9000和成形材料Accura 60，精準(zhǔn)地將轉(zhuǎn)輪模型轉(zhuǎn)化為熔模，然后鑄造成形整體混流式轉(zhuǎn)輪。3D打印熔模及成品轉(zhuǎn)輪如圖9所示。寧夏共享鑄鋼有限公司利用3D打印技術(shù)與砂型鑄造相結(jié)合，成形了最大直徑1600mm的混流式轉(zhuǎn)輪，鑄件凈重2.5t，最小壁厚僅8mm。

圖9 3D打印熔模及成品轉(zhuǎn)輪

哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用六軸機(jī)器人電弧增材制造成形了半開式不銹鋼葉輪，尺寸為φ500mm×160mm，該尺寸與離心泵模型葉輪相近。2017年哈爾濱電機(jī)廠運(yùn)用熔融沉積造型技術(shù)，完成了水輪機(jī)行業(yè)首個(gè)非金屬模型轉(zhuǎn)輪的研制，顯著縮短了加工周期，大幅降低了制造成本。2020年，哈爾濱電機(jī)廠交付國內(nèi)首臺(tái)增材制造沖擊式水輪機(jī)真機(jī)轉(zhuǎn)輪（見圖10），大幅降低了制造成本，縮短了加工周期。

圖10 增材制造沖擊式水輪機(jī)真機(jī)轉(zhuǎn)輪

針對離心泵模型葉輪，以選區(qū)激光熔化（SLM）為主的3D打印技術(shù)可利用不銹鋼、銅等金屬材質(zhì)成形，加工尺寸范圍也已完全覆蓋需求。然而現(xiàn)有技術(shù)的尺寸偏差過大，最優(yōu)僅為±0.5mm，與數(shù)控加工相比劣勢明顯，表面粗糙度值Ra達(dá)到3.2～6.3μm水平，仍需大量的后續(xù)處理。未來隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展，利用增減材復(fù)合制造，即“3D打印近成形+傳統(tǒng)機(jī)械再加工”的方式，再加上后處理技術(shù)的不斷完善，有望實(shí)現(xiàn)離心泵模型葉輪的快速高精度制造。

4 結(jié)束語

離心泵模型葉輪的制造，影響著后續(xù)水力試驗(yàn)的進(jìn)行和設(shè)計(jì)性能的驗(yàn)證。本文通過多種制造技術(shù)的分析和對比，簡述其各自的優(yōu)勢和不足。隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字化、智能化的不斷引入，將給離心泵模型葉輪的生產(chǎn)提供更多優(yōu)質(zhì)選擇，為各企業(yè)研發(fā)提供更強(qiáng)大的制造技術(shù)保障。