磨料流技术在叶轮加工中的应用及工装研制

1.磨料流技术
　　磨料流加工技术是在磨料流机床的压力作用下，让磨料介质流经零件需提高粗糙度质量的表面，反复研磨，直至达到设计要求。磨料流技术是一种全新的机械加工方法，可以应用于复杂形状的加工零件，以及其他方法难以加工的部位。磨料流可加工的材料范围宽，不仅能加工金属材料，还能加工硬塑料、陶瓷等。要想顺利地完成零件的磨料流加工，得到预期的加工效果，除设备以外，还包括磨料的选择、循环次数的设定、工装的夹具是否合理以及挤压力的大小等影响因素。为提高叶轮气体介质流道的表面粗糙度质量，引进了该项技术。
 

2.磨料流设备
　　我集团引进的是美国制造的专门用于磨料流加工的机床，用于叶轮中气体介质流道的加工，提高叶轮表面的粗糙度质量。该机床的作用是固定被加工工件和夹具，控制磨料的挤出压力。通过在操作板上设置一些参数，控制磨料往复流道的次数及时间。使用的磨料为一种具有柔软性、黏弹性和切割性的半固态载体，和一些磨砂搅拌而成。图1所示为从美国引进的磨料流专用设备及磨料。

    
图  1

3.叶轮结构
　　我集团生产的离心压缩机中的叶轮经常选用的材料有KMN、FV520B和X12CR13等，叶轮由轮盘、轮盖和叶片组成（见图2）。叶轮结构分为两件焊、三件焊和整体铣制。叶轮直径一般在400～1 200mm。气体在轮盘、轮盖和叶片这三者之间形成的流道内高速流动，并随着叶轮进行高速旋转。为保证离心压缩机的整体性能，在叶轮加工制造过程中，尺寸精度、表面粗糙度质量要求极其严格。

 
图  2

4.工装夹具
　　该类工装夹具的功能是需要把叶轮牢固地固定在密闭腔内，保护其他不需要磨料加工的部位，并且能够引导磨料在叶轮轮盘、轮盖及叶片组成的流道内流动。由于离心压缩机都是根据客户的具体需求设计的，一般为单件、小批量生产制造，因此每台压缩机的每个叶轮都需要设计专用的工装夹具。在工装的实际设计过程需要注意的几点是：①保护不需要磨料的部位。②可实现叶轮在加工前后自由出入腔体。③某些零件需要设计斜台结构，有助于磨料的流动。④工装质量尽可能小，以便增加该机床的加工范围。⑤腔体内的夹具零件与腔体的配合间隙要合适，既能自由装配，也要防止磨料进入缝隙内。如果磨料进入缝隙内，将会导致叶轮与工装件及工装件之间的拆卸困难。

　　图3所示为一种叶轮的磨料流工装夹具，主要由两部分组成，一部分是与设备相连的密闭腔体，二是在腔体内固定叶轮与引导磨料往复运动的夹具。

 
图3  叶轮磨料流工装
1.底部定位环  2.底盘  3.紧固螺钉  4.内套筒  5.套筒  6.压盖  7.垫套  8.吊环 9.销钉  10.支撑盘  11.吊环

　　为扩大该台机床的生产能力，底部定位环及内套筒、支撑盘等采用尼龙材料MC902，该尼龙为韧性角状半透明或乳白色结晶性树脂，密度1.15g/cm3。作为工程塑料的尼龙具有很高的机械强度，耐热，磨擦系数低，耐磨损，具有自润滑性，加工性能好。经多次试验证明，选用尼龙材料作为该类工装夹具非常合适。

5.应用案例
　　我集团科研产品KY25中代号为KY25–2012–1的叶轮采用磨料流工艺进行流道内的加工，以提高叶轮的工作性能。叶轮材料为KMN，直径为450mm。叶轮流道经最终热处理后，实际叶轮流道表面粗糙度值Ra=3.2μm左右。通过设计叶轮的专用工装夹具，将叶轮与工装夹具装配好后安装到设备上，设置加工时间（循环次数）。叶轮加工后经质检部门检查，叶轮流道表面粗糙度值Ra降低到了0.8μm以下。磨料流加工前后的叶轮对比如图4所示。对叶轮流道表面的有关试验验证表明，叶轮多变效率提高了1%以上。为了保证高精度和表面质量，对于不同材料、不同结构的零件，在表面状况不同的情况下，要达到某一个技术指标，设置一个最佳的加工时间（循环次数）和合理的工装夹具是此工序能够取得预期效果的关键。循环次数过少则达不到预期的效果；循环次数太大，加工的经济性则较差。

 
图4  磨料流加工前后的叶轮对比

6.结语
　　到目前为止，我集团采用磨料流技术进行流道表面加工的叶轮已经达到几百个。应用该项技术后，提高叶轮流道表面粗糙度两个等级以上。这项技术在用于提高叶轮流道表面质量方面已经非常成熟。
 

　　作者：沈阳鼓风机集团白云、张艳梅、关欣。

　　本文发表于《金属加工（冷加工）》2016年第7期第35页，版权归金属加工杂志社所有。