CN116871531B - 一种离心泵轴复合加工工艺 - Google Patents
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Abstract
一种离心泵轴复合加工工艺，属于零件修复与再制造技术领域，包括新泵轴制造、泵轴复用处理、泵轴复合加工步骤，在制造新泵轴时，通过粉末冶金工艺在泵轴(10)与叶轮(20)连接部位制造出材料梯度过渡部(30)，泵轴(10)在叶轮(20)损坏或磨损超差返厂后，采用切割工具沿材料梯度过渡部(30)与叶轮(20)的交界线附近的切割轮廓切除叶轮部分，进行机械加工后将预制的叶轮背板(21)定位到泵轴(10)的材料梯度过渡部(30)，采用送粉式激光熔化设备对叶轮背板(21)和泵轴(10)进行最终熔接以及在叶轮背板(21)上增材制造叶轮的叶片部分。本发明在降低加工周期和制造成本的基础上实现了离心泵轴高效再制造。
Description
技术领域
本发明属于零件修复与再制造技术领域，是融合了粉末冶金、增材制造与普通材料加工技术的复合加工工艺，更具体为一种离心泵轴复合加工工艺。
背景技术
离心泵在工作时泵轴上的叶轮在高速旋转中承受流体介质的物理冲击和化学腐蚀，是最快损坏或失效的部位，泵轴由于受损相对较轻往往具有复用前景。
在工业生产中，离心泵的泵轴以及泵轴上的叶轮多采用分体复合加工方式生产，为了克服因泵轴材料和叶轮材料差异而在冶金结合面产生的力学性能缺陷，有的产品会通过粉末冶金的方式在泵轴与叶轮连接部位制造出过渡部，这种过渡部是由两层以上的具有成分梯度的材料构成，两侧的材质与邻接材料更接近，可实现泵轴与叶轮力学性能(强度、韧性)的平缓过渡。然而，无论该粉末冶金过渡部是通过传统烧结方式形成还是通过较先进一些的高能束熔覆方式形成，由于工艺耗时、材料复杂，都成为整个离心泵轴加工环节中的一个低效率、高成本工步。如何在泵轴的复用中一方面能够充分保留该过渡部以降低加工周期和制造成本，一方面又能够高效地在复原的离心泵轴上重新制作出合格叶轮，将会是决定离心泵轴复用工艺性和经济性的重要因素。
经检索现有技术，涉及离心泵轴复用和叶轮再造加工的技术并不多，少数专利例如公告号为CN104014903B的发明专利“一种离心风机叶轮叶片磨损后的手工电弧焊的修复方法”提供的技术只是用来修复损坏不严重(未失效)的叶轮叶片，不能解决本发明的问题。
发明内容
本发明的目的正是提供一种离心泵轴复合加工工艺以解决背景技术中提出的问题，在泵轴的复用中一方面通过保留粉末冶金过渡部以降低加工周期和制造成本，一方面高效地在复原的离心泵轴上结合先进的激光增材制造工艺重新制作出合格叶轮。
本发明所采取的技术方案具体是：
一种离心泵轴复合加工工艺，包括如下步骤：
S1：新泵轴制造
在制造新泵轴时，通过粉末冶金工艺在泵轴与叶轮连接部位制造出材料梯度过渡部；
S2：泵轴复用处理
S2-1：步骤S1中所述的泵轴在叶轮损坏或磨损超差返厂后，采用切割工具沿材料梯度过渡部与叶轮的交界线附近的切割轮廓切除叶轮部分；
S2-2：对切除掉叶轮部分的泵轴进行机械加工，去除表面腐蚀或损坏部位并达到复用尺寸和精度；
S3：泵轴复合加工
S3-1：将预制的叶轮背板按照设计安装位置定位到泵轴上；
S3-2：采用送粉式激光熔化设备对叶轮背板和泵轴进行最终熔接；
S3-3：采用送粉式激光熔化设备在叶轮背板上增材制造叶轮的叶片部分。
进一步，如上所述的离心泵轴复合加工工艺，步骤S1中，所述的粉末冶金工艺为粉末烧结工艺或者粉末高能束熔覆工艺。
进一步，如上所述的离心泵轴复合加工工艺，步骤S1中，指定所述材料梯度过渡部的周向为高度方向，厚度方向为宽度方向，则所述材料梯度过渡部至少在宽度方向上具有尺寸余量。
进一步，如上所述的离心泵轴复合加工工艺，步骤S2-1中，使所述切割轮廓距离所述交界线一定距离以确保只切割到叶轮部位的材料而不会切割到材料梯度过渡部部位的材料。
进一步，如上所述的离心泵轴复合加工工艺，步骤S2-2中，所述机械加工包括对泵轴本体表面的轮廓加工以及对泵轴本体上留存的材料梯度过渡部表面的轮廓加工，通过所述轮廓加工使所述泵轴本体和所述材料梯度过渡部的表面腐蚀或损坏部位被去除，同时使材料梯度过渡部在步骤S2-1中所留存的切割余量被去除，达到复用尺寸和精度。
进一步，如上所述的离心泵轴复合加工工艺，步骤S3-1中，多个叶轮背板在泵轴的材料梯度过渡部位置等间距定位或者不等间距定位。
进一步，如上所述的离心泵轴复合加工工艺，步骤S3-1中，所述的定位采用焊接辅助定位，所述预制的叶轮背板内孔边缘加工有辅助焊接坡口。
进一步，如上所述的离心泵轴复合加工工艺，步骤S3-1中，所述预制的叶轮背板内孔边缘加工有填粉槽或填粉坡口。
进一步，如上所述的离心泵轴复合加工工艺，步骤S3-2的熔接和步骤S3-3的增材制造中所使用的送粉式激光熔化设备为同一设备。
进一步，如上所述的离心泵轴复合加工工艺，步骤S3-2的熔接和步骤S3-3的增材制造均在保护气氛下实施。
有益效果：
本发明提供的离心泵轴复合加工工艺，以新产品开发阶段的余量设计为基础，为泵轴复用加工提供良好条件，通过在泵轴复用加工中充分保留材料梯度过渡部的完整性，节省了泵轴加工过程中工艺复杂且耗时的一个低效率、高成本环节，其后，通过科学的工艺设计和制造平台保障，借助先进的送粉式激光熔接技术和增材制造技术，高效地在复原的离心泵轴上重新制作出合格叶轮，保障了离心泵轴复用工艺性和经济性。
附图说明
图1为本发明一种离心泵轴复合加工工艺流程图。
图2为本发明一种完整离心泵轴(带叶轮)结构示意图。
图3为本发明一种去除叶轮、保留有材料梯度过渡部的离心泵轴结构示意图。
图4为对图3中的离心泵轴进行后续叶轮再造的工作原理图。
图中各附图标记所代表的组件是：
泵轴-10；
叶轮-20，叶轮背板-21，辅助焊接坡口A，填粉槽或填粉坡口B；
材料梯度过渡部30；
增材加工头40。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行更详细地描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供的离心泵轴复合加工工艺整体上包括新泵轴制造(S1)、泵轴复用处理(S2)、泵轴复合加工(S3)三个主要步骤，下面介绍各步骤的具体实施方式。
S1：新泵轴制造
图2所示的是本发明一种完整离心泵轴(带叶轮)结构示意图，在工业生产中，泵轴10以及泵轴上的叶轮20多采用分体复合加工方式生产，为了克服因泵轴材料和叶轮材料差异而在冶金结合面产生的力学性能缺陷，本实施例介绍的产品在生产中会通过粉末冶金的方式在泵轴10与叶轮20连接部位制造出过渡部，这种过渡部是由两层以上的具有成分梯度的材料构成，比如钢基体中C、Cr、Mn等若干种元素中的一种或几种梯度变化，一般为两种以上，以使过渡部两侧的材质与邻接材料更接近，可实现泵轴10与叶轮20力学性能(强度、韧性)的平缓过渡。
在图3所示的去除了叶轮的泵轴中，示意了上面所介绍的过渡部，在下文中统一标记为“材料梯度过渡部30”。
因此，在制造新泵轴时，本实施例通过粉末冶金工艺在泵轴10与叶轮20连接部位制造出了材料梯度过渡部30。该材料梯度过渡部30一般是直接由粉末烧结工艺形成，在烧结的时候叶轮20或者叶轮背板21也与泵轴10结合为一体。
其它较先进一些的粉末冶金工艺如粉末高能束熔覆工艺也可以用于实现上述目的。
S2：泵轴复用处理
离心泵在工作时泵轴上的叶轮20在高速旋转中承受流体介质的物理冲击和化学腐蚀，是最快损坏或失效的部位，泵轴10由于受损相对较轻往往具有复用前景，但由于步骤S1中的离心泵轴无论材料梯度过渡部30是通过传统烧结方式形成还是通过较先进一些的高能束熔覆方式形成，都成为整个加工环节中的一个低效率、高成本工步，因此，出于在泵轴的复用中充分保留该过渡部以降低加工周期和制造成本的目的，本发明按照接下来介绍的方式实施。
S2-1：步骤S1中所述的泵轴10在叶轮20损坏或磨损超差返厂后，采用切割工具沿材料梯度过渡部30与叶轮20的交界线附近的切割轮廓切除叶轮部分。
S2-2：对切除掉叶轮部分的泵轴10进行机械加工，去除表面腐蚀或损坏部位并达到复用尺寸和精度。
为了达到上述步骤中保留材料梯度过渡部30的目的，首先在前面介绍的新泵轴制造(步骤S1)中，就使材料梯度过渡部30具有可供进一步机械加工的尺寸余量，结合图3说明，指定所述材料梯度过渡部30的周向为高度方向，厚度方向为宽度方向，则所述材料梯度过渡部30至少在宽度方向上具有尺寸余量。这样，进一步在步骤S2-1的切割操作中，使所述切割轮廓距离所述交界线一定距离以确保割炬(或能束)只切割到叶轮20部位的材料而不会切割到材料梯度过渡部30部位的材料。
在步骤S2-2中，所述机械加工一般包括对泵轴本体表面的轮廓加工以及对泵轴本体上留存的材料梯度过渡部30表面的轮廓加工，通过所述轮廓加工使泵轴本体和材料梯度过渡部30的表面腐蚀或损坏部位被去除，同时使材料梯度过渡部30在步骤S2-1中所留存的切割余量被去除，达到复用尺寸和精度。
本发明以上手段以新产品开发阶段的余量设计为基础，为泵轴复用加工提供了良好条件，通过在泵轴复用加工中充分保留材料梯度过渡部30的完整性，节省了泵轴加工过程中工艺复杂且耗时的一个低效率、高成本环节。
接下来是本发明的另一个重要加工环节——S3：泵轴复合加工。
该步骤是在经步骤S2复原的离心泵轴上重新制作出合格叶轮，具体又细分为如下步骤：
S3-1：将预制的叶轮背板21定位到泵轴10的材料梯度过渡部30位置。
如图4所示，为了在本实施例步骤S2得到的离心泵轴上安装多级叶轮，本步骤中先将多个叶轮背板21在泵轴10的材料梯度过渡部30位置定位，这种定位可以是等间距定位，也可以是不等间距定位，由离心泵工作条件设计而定。这里所述的定位优选采用焊接辅助定位，所述预制的叶轮背板21内孔边缘加工有辅助焊接坡口A。
S3-2：采用送粉式激光熔化设备对叶轮背板21和泵轴10进行最终熔接。
如图4所示，步骤S3-1中所述的预制的叶轮背板21内孔边缘除了加工有小尺寸的辅助焊接坡口A，还加工有较大尺寸的填粉槽或填粉坡口B，所述辅助焊接坡口A和所述填粉槽或填粉坡口B相对设置。这样，通过在辅助焊接坡口A内的简单焊接操作将多个叶轮背板21在泵轴10的材料梯度过渡部30位置牢固定位后，就可以通过采用送粉式激光熔化设备在填粉槽或填粉坡口B内对叶轮背板21和泵轴10进行最终熔接。
接下来是步骤S3-3：采用送粉式激光熔化设备在叶轮背板21上增材制造叶轮的叶片部分。
本实施例搭建了科学的制造平台，提供了科学的生产方案，将步骤S3-2的熔接和步骤S3-3的增材制造采用同一套送粉式激光熔化设备来实施，能够高效地在复原的离心泵轴上重新制作出合格叶轮。
具体如图4所示，通过将步骤S3-1中已经定位好各个叶轮背板21的泵轴10竖直定位到送粉式激光熔化设备的可旋转工作台上，使叶轮背板21的填粉槽或填粉坡口B一面(同时也是需要生成叶片部分的一面)朝上，利用送粉式激光熔化设备的增材加工头40先在所述填粉槽或填粉坡口B中边填粉边熔化粉末对叶轮背板21和泵轴10的材料梯度过渡部30进行熔接，然后再在各个叶轮背板21上逐层打印，在各个叶轮背板21上得到叶轮的叶片部分，从而实现了在泵轴10上重新制作出合格叶轮20。
本实施例使用的送粉式激光熔化设备的主机是一种成本较低的小型集成化一体机，自身集成了激光光纤通道和送粉通道，并具有横向加长的增材加工头40，对工作空间和角度具有更高的适应性和灵活度，能够适应本发明中填粉槽或填粉坡口B的空间、角度和上下相邻叶轮背板21之间的工作空间。该主机可以使用成熟的三轴运动系统搭载，将增材加工头40送入工作部位，通过在水平面内和竖直方向运动进行步骤S3-2的填粉熔接和步骤S3-3的粉末增材制造。
虽然附图中没有示意，但作为必要的实施条件，步骤S3-2的熔接和步骤S3-3的增材制造均应当在保护气氛下实施，因此，附图4所示的正在加工中的离心泵轴优选是处在密闭的工作腔内的，而送粉式激光熔化设备的主机除了增材加工头40需要伸入工作腔外，机体其余部分优选是处在工作腔外的，搭载该机体的三轴运动系统自然也一起处在工作腔外，这样保证了需要密闭的工作腔的体积最小，在保护气氛的制造和维持方面实现高效性和低成本。为了增材加工头40能够伸入工作腔内工作，工作腔临近增材加工头40一侧的面板可以设置柔性/弹性密封以适应增材加工头40的运动幅度和运动范围，而步骤S3-2和步骤S3-3中之所以将泵轴10竖直定位到可旋转工作台上也是因为可以借助可旋转工作台的转动调整叶轮背板21的角度，从而将未加工部位送到增材加工头40的加工范围(图4中右侧)内，保证在叶轮背板21上的整周部位都能进行所述填粉熔接以及所述出叶片部分的增材制造，可旋转工作台可以借助旋转卡盘和配套夹爪来构建，具有高平稳性，不再赘述。
可见，在本发明的泵轴复合加工阶段，通过科学的工艺设计和制造平台保障，借助先进的送粉式激光熔接技术和增材制造技术，高效地在复原的离心泵轴10上重新制作出了合格叶轮20，进一步保障了离心泵轴复用工艺性和经济性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种离心泵轴复合加工工艺，其特征在于，包括如下步骤：
S1：新泵轴制造
在制造新泵轴时，通过粉末冶金工艺在泵轴（10）与叶轮（20）连接部位制造出材料梯度过渡部（30）；
所述材料梯度过渡部(30)两侧的材质与邻接材料更接近，实现所述泵轴（10）与叶轮（20）力学性能的平缓过渡；
指定所述材料梯度过渡部（30）的周向为高度方向，厚度方向为宽度方向，则所述材料梯度过渡部（30）至少在宽度方向上具有尺寸余量；
S2：泵轴复用处理
S2-1：步骤S1中所述的泵轴（10）在叶轮（20）损坏或磨损超差返厂后，采用切割工具沿材料梯度过渡部（30）与叶轮（20）的交界线附近的切割轮廓切除叶轮部分；
使所述切割轮廓距离所述交界线一定距离以确保只切割到叶轮（20）部位的材料而不会切割到材料梯度过渡部（30）部位的材料；
S2-2：对切除掉叶轮部分的泵轴（10）进行机械加工，去除表面腐蚀或损坏部位并达到复用尺寸和精度；本步骤中，材料梯度过渡部（30）在步骤S2-1中所留存的切割余量被去除；
S3：泵轴复合加工
S3-1：将预制的叶轮背板（21） 定位到泵轴（10）的材料梯度过渡部（30）位置；
S3-2：采用送粉式激光熔化设备对叶轮背板（21）和泵轴（10）进行最终熔接；
S3-3：采用送粉式激光熔化设备在叶轮背板（21）上增材制造叶轮的叶片部分。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵轴复合加工工艺，其特征在于，步骤S1中，所述的粉末冶金工艺为粉末烧结工艺或者粉末高能束熔覆工艺。
3.根据权利要求1所述的一种离心泵轴复合加工工艺，其特征在于，步骤S2-2中，所述机械加工包括对泵轴本体表面的轮廓加工以及对泵轴本体上留存的材料梯度过渡部（30）表面的轮廓加工，通过所述轮廓加工使所述泵轴本体和所述材料梯度过渡部（30）的表面腐蚀或损坏部位被去除，同时使材料梯度过渡部（30）在步骤S2-1中所留存的切割余量被去除，达到复用尺寸和精度。
4.根据权利要求1所述的一种离心泵轴复合加工工艺，其特征在于，步骤S3-1中，多个叶轮背板（21）在泵轴（10）的材料梯度过渡部（30）位置等间距定位或者不等间距定位。
5.根据权利要求1所述的一种离心泵轴复合加工工艺，其特征在于，步骤S3-1中，所述的定位采用焊接辅助定位，所述预制的叶轮背板（21）内孔边缘加工有辅助焊接坡口（A）。
6.根据权利要求1或5所述的一种离心泵轴复合加工工艺，其特征在于，步骤S3-1中，所述预制的叶轮背板（21） 内孔边缘加工有填粉槽或填粉坡口（B）。
7.根据权利要求1所述的一种离心泵轴复合加工工艺，其特征在于，步骤S3-2的熔接和步骤S3-3的增材制造中所使用的送粉式激光熔化设备为同一设备。
8.根据权利要求7所述的一种离心泵轴复合加工工艺，其特征在于，步骤S3-2的熔接和步骤S3-3的增材制造均在保护气氛下实施。
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