CN107253025A - 一种叶轮制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种叶轮制造方法，通过将铸造、车削及焊接加工技术与3D打印技术相结合，解决了铸造、车削及焊接加工叶轮时不易加工、工艺复杂的问题，同时较3D打印技术相比成本较低、提高了生产效率。

Description

一种叶轮制造方法

技术领域

本发明属于机械制造领域，尤其涉及一种叶轮制造方法。

背景技术

叶轮是涡轮机、汽轮机等装置的的关键零件，广泛应用于航天航空、船舶机械、石油化工等领域。整体叶轮的空间结构较复杂，叶片扭曲较大，因此，其内流道和叶片的粗、精加工一直是制造领域的难点，而且，闭式叶轮由于上、下盖板的存在，加工时极易产生相互干涉，不易加工。

目前，叶轮制造主要有两种加工方法：第一种是传统机械加工方法，该方法是目前主流的叶轮制造方法，首先通过铸模制造出整体叶轮，然后通过数控车、铣床等设备对叶轮外表面进行精加工，利用该加工方法制得的叶轮缺陷较多，例如叶轮成品会出现气孔、砂眼以及浇铸不足等问题，进而导致成品率低下，而且由于叶轮上、下盖板的干涉，导致无法对盖板间的叶片内流道进行机加和抛磨，使得内流道表面粗糙，进一步导致叶轮工作效率和使用寿命低下；第二种方法为3D打印方法，该方法通过铺/送粉式3D打印设备导入叶轮三维模型和点位数据，然后通过激光直接成型方法(DMD)一次打印成型，由于闭式叶轮在结构上具有盖板和叶片组，3D打印需要设计较多的支撑，这样不仅浪费粉材、去支撑困难、耗时，而且影响抛光处理后内流道的表面精度。

综上所述，现有叶轮制造方法中存在着加工难度大、加工工艺复杂、加工效率低下等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种叶轮制造方法，用于解决闭式叶轮制造中存在的加工难度大、加工工艺复杂的问题，同时提高了闭式叶轮的加工效率。

为了达到上述目的，本发明提供了一种叶轮制造的方法，用以制造闭式叶轮，包括：

S1：制成用于承载第一叶片组及第二叶片组的叶盘和贯穿所述叶盘的主轴；

S2：在所述叶盘的一侧通过激光直接成型方法制成所述第一叶片组，在所述叶盘的另一侧通过激光直接成型方法制成所述第二叶片组；

S3：制成用于封装所述第一叶片组的第一盖板和用于封装所述第二叶片组的第二盖板。

可选的，所述S1具体为：采用铸造方法制成所述叶盘和所述主轴，或者采用车削加工方法制成所述叶盘和所述主轴。

可选的，所述S1具体为：通过激光直接成型方法制成叶盘模型和主轴模型，将所述叶盘模型和所述主轴模型进行车削加工得到所述叶盘和所述主轴。

可选的，所述S2中，在制成所述第一叶片组和所述第二叶片组的过程中，还制成若干个用于支撑所述第一叶片组成型的第一叶片组支撑和若干个用于支撑所述第二叶片组成型的第二叶片组支撑。

可选的，将所述叶盘一侧平面定义为第一基准面，将所述第一叶片组沿着所述主轴延伸方向远离所述第一基准面一侧的平面定义为第二基准面，所述若干个第一叶片组支撑设置于所述第一基准面和所述第二基准面之间，所述叶盘另一侧平面定位为第三基准面，将所述第二叶片组沿着所述主轴延伸方向远离所述第三基准面一侧的平面定义为第四基准面，所述若干个第二叶片组支撑设置于所述第三基准面和所述第四基准面之间。

可选的，每个所述第一叶片组支撑所在的平面、所述第一基准面和所述第二基准面等距分布，每个所述第二叶片组支撑所在的平面、所述第三基准面和所述第四基准面等距分布。

可选的，所述第一叶片组的密度为ρ₁，所述第一叶片组支撑的密度为ρ₂，所述第二叶片组密度为ρ₃，所述第二叶片组支撑的密度为ρ₄，ρ₁＞ρ₂，ρ₃＞ρ₄。

可选的，所述S2中，在制成所述第一叶片组和所述第二叶片组后，去除所述若干个第一叶片组支撑和所述若干个第二叶片组支撑。

可选的，所述S3具体为：通过铸造方法制成所述第一盖板和所述第二盖板，所述第一盖板平面位于所述第二基准面远离所述第一基准面的一侧，所述第二盖板平面位于所述第四基准面远离所述第三基准面的一侧，将所述第一盖板和所述第二盖板通过焊接方法与所述主轴固定连接；或者，通过激光直接成型方法制成所述第一盖板和所述第二盖板，所述第一盖板平面位于所述第二基准面远离所述第一基准面的一侧，所述第二盖板平面位于所述第四基准面远离所述第三基准面的一侧，所述第一盖板和所述第二盖板与所述主轴固定连接。

可选的，所述激光直接成型方法采用的成型材料为316L不锈钢或者TC4钛合金。

与现有技术相比，本发明提供的一种叶轮制造方法具有以下有益效果：

1、解决了铸造加工叶轮时易产生铸造缺陷的问题；

2、解决了车削加工叶片时不易加工复杂曲面的问题；

3、解决了采用3D打印方法制造叶轮时效率低下、成本较高的问题。

附图说明

图1为闭式叶轮整体结构示意图；

图2为闭式叶轮叶片结构示意图；

图3为本发明提供的叶轮制造方法的流程图；

图4为利用本发明提供的叶轮制造方法制成叶盘和主轴的结构示意图；

图5为利用本发明提供的叶轮制造方法制成第一叶片组和第二叶片组的结构示意图；

图6为利用本发明提供的叶轮制造方法制成第一盖板和第二盖板的结构示意图。

其中，1-叶盘，2-主轴，3-第一叶片组，31-第一叶片组支撑，4-第二叶片组，41-第一叶片组支撑，5-第一盖板，6-第二盖板。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

请参阅图1和图2，现有技术在加工闭式叶轮时，如果采用车削加工，需要将刀具深入到第一盖板4和第二盖板5之间，在实际加工中受机床尺寸和刀具类型的限制不易加工出理想的叶片；如果采用铸造加工时，第一叶片组3和第二叶片组4表面经常会出现铸造缺陷，进而铸造出的叶轮品质较低；如果使用3D打印方法时，由于闭式叶轮存在第一盖板5、第二盖板6、第一叶片组3和第二叶片组4，需要设计足够多的支撑以满足第一叶片组3和第二叶片组4的成型要求，浪费粉材、生产周期较长，而且影响抛光处理后内流道表面精度。本发明提供了一种叶轮制造方法，请参阅图3，用以制造闭式叶轮，所述叶轮制造方法包括：

S1：制成用于承载第一叶片组3及第二叶片组4的叶盘1和贯穿所述叶盘的主轴2；

S2：在叶盘1的一侧通过激光直接成型方法制成第一叶片组3，在叶盘1的另一侧通过激光直接成型方法制成第二叶片组4；

S3：制成用于封装第一叶片组3的第一盖板5和用于封装第二叶片组4的第二盖板6。

采用此方法，结合传统机械加工方法在加工基础零部件时技术成熟、成本较低的优点，同时拥有3D打印方法在打印复杂曲面结构时，不受加工机床空间、尺寸限制，又能提高结构精度的优点。

请参阅图4，优选地，所述S1具体为：采用铸造的方法制成叶盘1和主轴2，再对叶盘1和主轴2通过磨工工序得到精加工；或者采用车削加工的方法，选取毛坯进行车削加工，得到所需叶盘1和主轴2。采用此方法，在生产大型闭式叶轮时，技术成熟、成本较低，适用于水电轮机叶轮、船舶叶轮等大型叶轮的生产应用中。

优选地，所述S1还可以采用3D打印方法的技术方案，S1具体为：通过激光直接成型方法制成叶盘模型和主轴模型，将叶盘模型和主轴模型进行车削加工得到叶盘1和主轴2。采用此方法，合适生产中小尺寸的闭式叶轮和对精度要求较高的闭式叶轮。

请参阅图5，所述S2具体为：依据第一叶片组3和第二叶片组4的结构参数，在叶盘1的一侧通过激光直接成型方法制成第一叶片组3，在叶盘1的另一侧通过激光直接成型方法制成第二叶片组4。采用此方法，首先通过CAD或者CAE工具例如UG、Solidworks或者Catia对所要加工的叶片进行建模，再将所要加工的叶片结构参数导入铺/送粉式3D打印设备，在叶盘1的一侧通过激光直接成型方法(DMD)一次打印成型第一叶片组3，第一叶片组3与叶盘1固定连接，在叶盘1的另一侧通过激光直接成型方法(DMD)一次打印成型第二叶片组4，第二叶片组4与叶盘1固定连接。

优选地，所述叶轮制造方法还包括若干个用于支撑第一叶片组3成型的第一叶片组支撑31和若干个用于支撑第二叶片组4成型的第二叶片组支撑41，将叶盘1一侧平面定义为第一基准面，将第一叶片组3沿着主轴2延伸方向远离第一基准面一侧的平面定义为第二基准面，所述若干个第一叶片组支撑31设置于第一基准面和第二基准面之间，叶盘1另一侧平面定位为第三基准面，将第二叶片组4沿着主轴2延伸方向远离第三基准面一侧的平面定义为第四基准面，所述若干个第二叶片组支撑41设置于第三基准面和第四基准面之间。采用此方法，在激光直接成型方法(DMD)一次打印成型叶片过程中，通过制成第一叶片组支撑31和第二叶片组支撑41用以支持第一叶片组3和第二叶片组4的成型，防止在成型过程中因第一叶片组3和第二叶片组4结构不稳定而产生的结构变形。

优选地，每个第一叶片组支撑31所在平面、第一基准面和第二基准面等距分布，每个第二叶片组支撑41所在平面、第三基准和第四基准面等距分布。采用此设计，相邻的第一叶片组支撑31所在平面之间的第一叶片组3片段和相邻第二叶片组支撑41所在平面之间的第二叶片组4片段成型所受的应力分布更加均衡，更便于保持激光直接成型方法一次打印成型叶片时，稳固第一叶片组3和第二叶片组4的结构。

优选地，第一叶片组3的密度为ρ₁，第一叶片组支撑31的密度为ρ₂，第二叶片组4密度为ρ₃，第二叶片组支撑41的密度为ρ₄，ρ₁＞ρ₂，ρ₃＞ρ₄。叶轮制造方法还包括S21，S21具体为：制成第一叶片组3和第二叶片组4后，去除若干个第一叶片组支撑31和若干个第二叶片组支撑41。采用此设计，一方面，减少了打印第一叶片组支撑31和第二叶片组支撑41时的材料损耗，降低了成本；另一方面，由于第一叶片组支撑31和第二叶片组支撑41的结构密度分别小于第一叶片组3和第二叶片组4，进而第一叶片组支撑31和第二叶片组支撑41的结构强度分别小于第一叶片组3和第二叶片组4，在去除第一叶片组支撑3和第二叶片组支撑4时，避免了第一叶片组3和第二叶片组4的结构损坏。

请参阅图6，优选地，S3具体为：采用铸造方法，得到第一盖板5和第二盖板6，然后通过焊接技术将第一盖板5和第二盖板6焊接到主轴2上；或者，通过激光直接成型方法在第一基准面上制成第一盖板5，在第二基准面上制成第二盖板6，第一盖板5和第二盖板6与主轴2固定连接。采用此设计，当生产大型闭式叶轮时，铸造方法技术成熟、成本较低，适用于水电轮机叶轮、船舶叶轮等大型叶轮的生产应用中；当生产中小尺寸的闭式叶轮和对精度要求较高的闭式叶轮时，采用激光直接成型方法生产周期更短、第一盖板5和第二盖板6的结构精度更高。

优选地，激光直接成型方法采用的成型材料为316L不锈钢或者TC4钛合金。采用成型材料为316L不锈钢时，其具有良好的耐腐蚀性、耐高温、和抗蠕变性能，成型材料为TC4钛合金时，具有良好的耐蚀性、低密度、高强度、韧性和便于焊接等一系列优点，因此316L不锈钢或者TC4钛合金十分适合应用于叶轮制造。当激光直接成型方法采用铺粉设备3D打印零件时，设置切片层厚为0.03mm，功率为225W，扫描速度为1000mm/s，当激光直接成型方法选用粉材粒度在15-53um；进行送粉式3D打印零件时，设置层厚为0.7mm，功率650W，扫描速度为8mm/s，选用粉材粒度在53-150um。在实际加工应用中，可以在叶轮内流道表面以及叶片表面熔覆上耐磨耐腐蚀的涂层，提高内流道的表面性能，减少内流道表面的磨损，延长叶轮使用寿命。

综上，在本发明实施例提供的一种叶轮制造方法中，通过将铸造、车削及焊接加工技术与3D打印技术相结合，解决了叶轮制造不易加工、加工工艺复杂的问题，同时较3D打印技术相比成本较低、提高了生产效率。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种叶轮制造方法，用以制造闭式叶轮，其特征在于，所述叶轮制造方法包括：

S1：制成用于承载第一叶片组及第二叶片组的叶盘和贯穿所述叶盘的主轴；

S2：在所述叶盘的一侧通过激光直接成型方法制成所述第一叶片组，在所述叶盘的另一侧通过激光直接成型方法制成所述第二叶片组；

S3：制成用于封装所述第一叶片组的第一盖板和用于封装所述第二叶片组的第二盖板。

2.如权利要求1所述的一种叶轮制造方法，其特征在于，所述S1具体为：采用铸造方法制成所述叶盘和所述主轴，或者采用车削加工方法制成所述叶盘和所述主轴。

3.如权利要求1所述的一种叶轮制造方法，其特征在于，所述S1具体为：通过激光直接成型方法制成叶盘模型和主轴模型，将所述叶盘模型和所述主轴模型进行车削加工得到所述叶盘和所述主轴。

4.如权利要求1所述的一种叶轮制造方法，其特征在于，所述S2中，在制成所述第一叶片组和所述第二叶片组的过程中，还制成若干个用于支撑所述第一叶片组成型的第一叶片组支撑和若干个用于支撑所述第二叶片组成型的第二叶片组支撑。

5.如权利要求4所述的一种叶轮制造方法，其特征在于，将所述叶盘一侧平面定义为第一基准面，将所述第一叶片组沿着所述主轴延伸方向远离所述第一基准面一侧的平面定义为第二基准面，所述若干个第一叶片组支撑设置于所述第一基准面和所述第二基准面之间，所述叶盘另一侧平面定位为第三基准面，将所述第二叶片组沿着所述主轴延伸方向远离所述第三基准面一侧的平面定义为第四基准面，所述若干个第二叶片组支撑设置于所述第三基准面和所述第四基准面之间。

6.如权利要求5所述的一种叶轮制造方法，其特征在于，每个所述第一叶片组支撑所在的平面、所述第一基准面和所述第二基准面等距分布，每个所述第二叶片组支撑所在的平面、所述第三基准面和所述第四基准面等距分布。

7.如权利要求4所述的一种叶轮制造方法，其特征在于，所述第一叶片组的密度为ρ₁，所述第一叶片组支撑的密度为ρ₂，所述第二叶片组密度为ρ₃，所述第二叶片组支撑的密度为ρ₄，ρ₁＞ρ₂，ρ₃＞ρ₄。

8.如权利要求4所述的一种叶轮制造方法，其特征在于，所述S2中，在制成所述第一叶片组和所述第二叶片组后，去除所述若干个第一叶片组支撑和所述若干个第二叶片组支撑。

9.如权利要求5所述的一种叶轮制造方法，其特征在于，所述S3具体为：通过铸造方法制成所述第一盖板和所述第二盖板，所述第一盖板平面位于所述第二基准面远离所述第一基准面的一侧，所述第二盖板平面位于所述第四基准面远离所述第三基准面的一侧，将所述第一盖板和所述第二盖板通过焊接方法与所述主轴固定连接；

或者，通过激光直接成型方法制成所述第一盖板和所述第二盖板，所述第一盖板平面位于所述第二基准面远离所述第一基准面的一侧，所述第二盖板平面位于所述第四基准面远离所述第三基准面的一侧，所述第一盖板和所述第二盖板与所述主轴固定连接。

10.如权利要求3、4或者9任一所述的一种叶轮制造方法，其特征在于，所述激光直接成型方法采用的成型材料为316L不锈钢或者TC4钛合金。