CN112247492B - 一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于叶轮加工技术领域，具体为一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法，是针对现有闭式叶轮在加工过程中存在“盲区”的缺陷所提出，其包括如下步骤：叶轮采用一体式加工方式、加工分体式叶轮罩、将叶轮罩瓣装配在叶轮上、通过扩散焊将多个叶轮罩瓣焊接在一起。本发明将叶轮罩采用分解再合成的焊接方式，该方法突破了常规思维方式，同时也降低了直接分体制造后焊接所产生的回弹变形、热变形和裂纹等。

Description

一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法
技术领域：
本发明属于叶轮加工技术领域，具体涉及一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法。
背景技术：
目前，叶轮根据开闭合情况可分为：闭式叶轮、前半开式叶轮、后半开式叶轮、开式叶轮。其中闭式叶轮是在开式叶轮的基础上，增加了叶冠和轮罩，此类叶轮的结构特点为，叶间流道仅仅在进、排气口开放，其余部分均封闭，流道常常为三维空间弯扭、狭长的异性型腔。由于闭式叶轮自身结构、性能上的优越性，使其越来越多地应用于航空航天以及先进透平机械领域中，包括航空航天发动机、核电设备、矿山设备、船舶动力等众多应用场合，涉及的产品包括汽轮机、透平膨胀机、水轮机、风力机、透平压缩机、离心泵等，可见闭式叶轮设计制造技术的发展对推动国防科技和国民经济都有着重大意义。闭式叶轮在采用直柄刀具进行加工时，很难达到叶间流道的每一个点，刀具可达性很差，尤其对一些叶片数量较多，弯扭程度较大，导致流道狭窄、扭曲的闭式叶轮，常常存在直柄刀具不可达到的加工“盲区”。虽然，有些闭式叶轮可以利用五轴直接加工出来，但对于扭曲大的叶轮，刀具无法全部加工出叶轮外形，刀具加工仍存在盲区。
发明内容：
本发明为克服现有扭曲大的闭式叶轮在加工过程中存在“盲区”的缺陷，提供了一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法，该连接方法采用分体式焊接工艺方法，焊接压力小，工件不产生宏观塑性变形。
本发明采用的技术方案在于：一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法，具体包括以下步骤：
步骤1、叶轮包括轮盘与叶片，且采用一体式加工方式；
步骤2、加工分体式叶轮罩，所述叶轮罩由多瓣式的叶轮罩瓣拼接而成，并在每个叶轮罩瓣的内壁上分别加工有与叶片相匹配的叶轮纹路凹槽；
步骤3、将叶轮罩瓣分别装配在叶轮上，并使叶片插接在叶轮纹路凹槽内；
步骤4、通过扩散焊将多个叶轮罩瓣焊接在一起。
优选地，所述步骤2中，叶轮罩的具体加工步骤为：
步骤21、下料并粗加工形成两个待加工叶轮罩，使每个待加工叶轮罩的整体外形与目标叶轮罩基本相同；
步骤22、对每个待加工叶轮罩做进一步精细加工，并在每个待加工叶轮罩上加工四个定位孔；
步骤23、所述叶轮罩瓣的具体数量为三个，先将每个加工叶轮罩切割成两等份，然后逐一进行叶轮纹路凹槽加工，使每份为180°，最后再通过五轴加工中心对每份进行精细加工，使每份180°加工成一份标准的120°叶轮罩瓣。
优选地，将步骤23中叶轮罩瓣的具体数量为六个，先将每个加工叶轮罩切割成两等份，然后逐一进行叶轮纹路凹槽加工，使每份为180°，最后再通过五轴加工中心对其进行准细加工，使每份180°加工成两份标准的60°叶轮罩瓣。
优选地，所述叶片包括主叶片和分流叶片，且主叶片与分流叶片交替固定在轮盘上。
优选地，所述步骤4中，将多个叶轮罩瓣拼接后形成的叶轮罩与叶轮拼接固定在一起，放入真空扩散焊机中。
本发明的有益效果是：
1、对于闭式叶轮原本的加工方法是将叶轮罩放到叶轮上，再用焊接方式使两部分连接在一起，但是由于叶轮扭曲大的结构原因，焊接过程中无法触及所有焊接点，导致加工不全面，会影响闭式叶轮的各方面参数。对于这种情况，本发明将叶轮罩采用分解再合成的焊接方式，该方法突破了常规思维方式，同时也降低了直接分体制造后焊接所产生的回弹变形、热变形和裂纹等。
2、本发明将分体式叶轮罩瓣，采用扩散焊方式将叶轮与叶轮罩无死角的焊接在一起，有效克服了钎焊时存在加工“盲区”的难题，实现了叶轮与叶轮罩的完全无缝隙焊接，从而大大提高了闭式叶轮的强度和使用寿命。
附图说明：
图1为本发明的连接方法的流程图；
图2为待加工叶轮罩的结构示意图；
图3为叶轮纹路凹槽的加工示意图；
图4为图3的后视图；
图5为叶轮罩与叶轮焊接后的主视图；
图6为图5的仰视图；
其中：1轮盘、2叶片、3叶轮罩、31叶轮罩瓣、32叶轮纹路凹槽、33定位孔
具体实施方式：
如图1所示，本发明为一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法，具体包括以下步骤：
步骤1、叶轮包括轮盘1与叶片2，且采用一体式加工方式，所述叶片2包括主叶片和分流叶片，且主叶片与分流叶片交替固定在轮盘1上。
步骤2、加工分体式叶轮罩3，所述叶轮罩3由多瓣式的叶轮罩瓣31拼接而成，并在每个叶轮罩瓣31的内壁上分别加工有与叶片2相匹配的叶轮纹路凹槽32。
如图2至图4所示，叶轮罩3的具体加工步骤为：
当机床转速越高时，加工就越精密，本实施例中机床转速为15000转/分，在加工叶轮罩3的叶轮纹路凹槽32时使用平刀。
步骤21、首先进行下料，下料的尺寸为33mm，材料为铝，用三爪卡盘夹住材料的外圆，然后进行粗加工，钻镗孔Φ680 +0.1，三爪卡盘撑内孔，平端面到30.280 +0.1，车外圆Φ107，车台阶Φ85，共需要加工两个尺寸相同的待加工叶轮罩。经过粗加工后，使每个待加工叶轮罩的整体外形与目标叶轮罩基本相同，为了与叶轮配合，还需要对待加工叶轮罩做进一步地精细加工。
步骤22、对每个待加工叶轮罩做进一步精细加工，在每个待加工叶轮罩上厚度为7mm的台阶上钻四个Φ5的定位孔33，并使每个定位孔33与两侧相邻的定位孔33之间的孔间距分别为52mm和80mm。这四个定位孔33是为了在加工叶轮罩3时方便装夹，起定位的作用；
步骤23、将每个待加工叶轮罩划线分割成两等份，然后加工叶轮纹路凹槽32，最后再将加工成所需的叶轮罩瓣31，现有两种加工方式，
第一种方式：所述叶轮罩瓣31的具体数量为三个。
先将每个加工叶轮罩切割成两等份，使每份为180°，然后逐一进行叶轮纹路凹槽32加工，最后再通过五轴加工中心对每份180°进行精细加工，将每份180°加工成一份标准的120°叶轮罩瓣31，最后将三个120°的叶轮罩瓣31拼接成标准的360°叶轮罩3。
第二种方式：所述叶轮罩瓣31的具体数量为六个。
先将每个加工叶轮罩切割成两等份，使每份为180°，然后通过五轴加工中心对每份180°进行精细加工，将每份180°加工成两份标准的60°叶轮罩瓣31，最后将六个60°的叶轮罩瓣31拼接成标准的360°叶轮罩3。
叶轮罩瓣31数量的选择对整个叶轮罩3成型的影响：假设直接划线将一个待加工叶轮罩直接分割成三等份，拼接成型后的叶轮罩3是无法实现精准的360°因为分成三部分意味着切割掉的余量会影响最后成型的尺寸，无论采用什么方式分解(线切割、水切割等)都会使拼接成型后的叶轮罩31尺寸变小，而由于叶轮的加工属于精密加工，对尺寸要求高，所以无法通过直接切割成三等份来实现。
叶轮罩瓣31数量的选择对整个叶轮罩3加工的影响：当叶轮罩瓣31分割成三等份或六等份时，零件尺寸过小，当分割的份数越多，其与工装配合时的装夹难度就大，进而无法实现对叶轮纹路凹槽32的精确加工，而本实施例是在待加工叶轮罩切割成两等份时对其进行叶轮纹路凹槽32加工，有效避免了装夹难和定位难的问题，因此建议叶轮罩3由3～6个分体式叶轮罩瓣31组成较为合理。
步骤3、当加工完叶轮罩后，需要将叶轮罩3与叶轮进行装配。先将每个叶轮罩瓣31分别装配在叶轮上，并使每个叶片2插接在对应的叶轮纹路凹槽32内，通过叶片2与叶轮纹路凹槽32的插接配合，使叶轮与叶轮罩3接触良好，性能稳定。
步骤4、将叶轮罩3与叶轮进行焊接。
目前现有技术在将叶轮罩与叶轮进行装配时，通常采用钎焊，对于钎焊而言在焊接时存在不足，由于叶轮扭曲大，在钎焊过程中会形成很多加工“盲区”，导致焊接不到位，这样焊接出来的产品从质量强度上不过关。而扩散焊的方式焊接压力小，工件不产生宏观塑性变形，适合焊接后不再加工的精密零件，所以本实施例采用扩散焊的整体加热方式替代钎焊进行加工。
先将多个叶轮罩瓣31拼接后形成的叶轮罩3与叶轮拼接固定在一起，然后放入真空扩散焊机中，在一定的高温高压下保持一段时间，从而使每个叶轮罩瓣31接触面之间的原子相互扩散在一起，最终使多个叶轮罩瓣31焊接成一个整体的叶轮罩3，得到如图5和图6所示的闭式叶轮。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、叶轮包括轮盘(1)与叶片(2)，且采用一体式加工方式；
步骤2、加工分体式叶轮罩(3)，所述叶轮罩(3)由多瓣式的叶轮罩瓣(31)拼接而成，并在每个叶轮罩瓣(31)的内壁上分别加工有与叶片(2)相匹配的叶轮纹路凹槽(32)；
步骤3、将叶轮罩瓣(31)分别装配在叶轮上，并使叶片(2)插接在叶轮纹路凹槽(32)内；
步骤4、通过扩散焊将多个叶轮罩瓣(31)焊接在一起。
2.如权利要求1所述的一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法，其特征在于：所述步骤2中，叶轮罩(3)的具体加工步骤为：
步骤21、下料并粗加工形成两个待加工叶轮罩，使每个待加工叶轮罩的整体外形与目标叶轮罩基本相同；
步骤22、对每个待加工叶轮罩做进一步精细加工，并在每个待加工叶轮罩上加工四个定位孔(33)；
步骤23、所述叶轮罩瓣(31)的具体数量为三个，先将每个加工叶轮罩切割成两等份，使每份为180°，然后逐一进行叶轮纹路凹槽(32)加工，最后再通过五轴加工中心对每份进行精细加工，使每份180°加工成一份标准的120°叶轮罩瓣(31)。
3.如权利要求2所述的一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法，其特征在于：将步骤23中叶轮罩瓣(31)的具体数量为六个，先将每个加工叶轮罩切割成两等份，使每份为180°，然后逐一进行叶轮纹路凹槽(32)加工，最后再通过五轴加工中心对其进行准细加工，使每份180°加工成两份标准的60°叶轮罩瓣(31)。
4.如权利要求1至3任一项所述的一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法，其特征在于：所述叶片(2)包括主叶片和分流叶片，且主叶片与分流叶片交替固定在轮盘(1)上。
5.如权利要求1至3任一项所述的一种闭式叶轮的叶轮罩与叶轮的连接方法，其特征在于：所述步骤4中，将多个叶轮罩瓣(31)拼接后形成的叶轮罩(3)与叶轮拼接固定在一起，放入真空扩散焊机中。
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