CN116921692B - 一种离心泵叶轮制造工艺 - Google Patents

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Abstract

一种离心泵叶轮制造工艺，涉及金属零件的增材制造技术领域，先制作带有多个背板(12)的离心泵轴(11)，再将离心泵轴(11)竖直定位到增材制造设备(20)的密闭工作腔(21)内，使背板(12)需要生成叶片(13)的一面朝上，利用增材制造设备(20)的送粉熔化一体激光加工器(27)的加工头在多个背板(12)上逐层打印，直至在多个背板(12)上得到完整叶片(13)，控制送粉熔化一体激光加工器(27)运动的多轴运动系统设置在密闭工作腔(21)外部。本发明为离心泵叶轮尤其是多级叶轮提供了科学的分步制造手段并基于送粉式激光增材制造技术搭建了简单、高效、低成本的制造平台，确保叶轮复杂部位的制造效率和品质。

Description

一种离心泵叶轮制造工艺
技术领域
本发明涉及金属零件的增材制造技术领域，具体为基于送粉式激光增材制造工艺实施的一种离心泵叶轮制造工艺。
背景技术
金属增材制造技术（3D打印技术）近年来已经被广泛应用到具有复杂机构的金属零件制造和修复中。尤其是具有曲面的叶轮、叶片等结构，由于传统制造技术工序复杂、制造精度无法保证，越来越多地被增材制造工艺所取代，应用的主要是金属粉末材料，例如江苏大学于2014年就申请过《一种激光3D打印泵用叶轮的装置及方法》（申请号CN201410435407.7），综合运动了多种金属粉末来针对叶轮不同的分区进行不同的制造和控制。
比起整个零件都使用增材制造工艺成型，通过增材制造工艺与传统制造工艺结合，在已有简单结构上只利用增材制造工艺成型复杂结构更符合产业效率的需要，离心泵叶轮从结构上比较适合这种制造方式，但现有技术公开的相关手段较少，尤其是带轴的叶轮，很多是多级叶轮，尺寸庞大，对这样的叶轮实施增材制造工艺，如何选择增材制造设备、搭建增材制造平台也缺乏值得借鉴的现有技术。
发明内容
为解决背景技术的问题，本发明提供一种离心泵叶轮制造工艺，为离心泵叶轮尤其是多级叶轮提供科学的分步制造手段，并基于送粉式激光增材制造技术搭建简单、高效、低成本的制造平台，确保叶轮复杂部位的制造效率和品质。
本发明所采取的技术方案具体是：
一种离心泵叶轮制造工艺，采用送粉式激光增材制造工艺，包括以下步骤：
步骤1：制作带有多个背板的离心泵轴，所述多个背板在离心泵轴上间隔排列；
步骤2：在步骤1中所述的离心泵轴的多个背板上，采用送粉式激光增材制造工艺制造叶片；
步骤2中所述的采用送粉式激光增材制造工艺制造叶片是通过将离心泵轴竖直定位到增材制造设备的密闭工作腔内，使所述背板需要生成叶片的一面朝上，利用增材制造设备的送粉熔化一体激光加工器的加工头在多个背板上逐层打印，直至在多个背板上得到完整叶片，从而制得离心泵叶轮；
其中，所述送粉熔化一体激光加工器是在多轴运动系统控制下在水平面内和竖直方向运动，所述多轴运动系统设置在所述密闭工作腔外部。
优选地，上述离心泵叶轮制造工艺，所述密闭工作腔设置为高度尺寸大于宽度尺寸，并且宽度尺寸不超过所述背板宽度的2倍，以使所述密闭工作腔的形状与所述离心泵轴的整体轮廓相适应。
优选地，上述离心泵叶轮制造工艺，所述密闭工作腔邻近送粉熔化一体激光加工器一侧的面板设置有柔性或弹性密封面，所述送粉熔化一体激光加工器的加工头穿设在所述柔性或弹性密封面上，从而使所述送粉熔化一体激光加工器的加工头部分位于所述密闭工作腔内，其余部分位于所述密闭工作腔外。
优选地，上述离心泵叶轮制造工艺，所述的将离心泵轴竖直定位到增材制造设备的密闭工作腔内具体为：通过安装在工作台上的旋转卡盘和夹爪将离心泵轴的下端部竖直定位到工作台。
优选地，上述离心泵叶轮制造工艺，所述旋转卡盘与安装在工作台内的旋转驱动组件相连接。
优选地，上述离心泵叶轮制造工艺，所述密闭工作腔邻近送粉熔化一体激光加工器一侧的面板包括刚性部分以及所述柔性或弹性密封面，所述刚性部分位于所述柔性或弹性密封面的外围。
优选地，上述离心泵叶轮制造工艺，所述密闭工作腔邻近送粉熔化一体激光加工器一侧的面板为方形面板，所述柔性或弹性密封面的宽度不超过所述方形面板宽度的2/3。
优选地，上述离心泵叶轮制造工艺，所述多轴运动系统为X-Y-Z轴运动系统，Z轴为竖直方向，所述送粉熔化一体激光加工器位于密闭工作腔外的所述其余部分搭载在所述X-Y-Z轴运动系统上，在水平面内和竖直方向运动。
优选地，上述离心泵叶轮制造工艺，所述X-Y-Z轴运动系统采用电机-丝杆机构作为运动机构。
优选地，上述离心泵叶轮制造工艺，所述送粉熔化一体激光加工器的加工头在多个背板上打印叶片的顺序是自最上侧的一个背板上开始打印或者自最下侧的一个背板开始打印。
有益效果
本发明提供的一种离心泵叶轮制造工艺，为离心泵叶轮尤其是多级叶轮提供了科学的分步制造手段，离心泵轴和背板部分可以保留传统制造工艺，采用送粉式激光增材制造工艺在离心泵轴的多个背板上打印形状复杂的叶片能节省制造程序并获得高的尺寸精度和品质。
市场上的增材制造设备型号和成本主要是取决于成型尺寸，由于离心泵叶轮尤其是多级叶轮尺寸较大，目前市场上能够满足生产需要的增材制造设备是昂贵的，成型尺寸大也导致为了维护增材制造过程中的惰性保护气氛而付出的生产时间变长，生产成本变高，而本发明提出的离心泵叶轮制造工艺基于送粉式激光增材制造技术搭建了简单、高效、低成本的制造平台，不仅保证了密闭工作腔尺寸最小，激光加工头的空间占用和运动幅度最小，也确保了叶轮复杂部位的制造效率和品质。
附图说明
图1为本发明实施例要制造的一种离心泵叶轮产品结构。
图2为本发明实施例的离心泵叶轮制造工艺的过程状态之一。
图3为图2中使用的增材制造设备右侧面板结构示意图。
图4为本发明实施例的离心泵叶轮制造工艺的过程状态之二。
图中各附图标记的含义：
离心泵叶轮10，离心泵轴11，背板12，叶片13；
增材制造设备20，密闭工作腔21，旋转卡盘22，夹爪23，保护气体进口24，保护气体出口25，柔性或弹性密封面26，送粉熔化一体激光加工器27，丝杆28，安装孔29。
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清楚、完整地描述。
实施例：一种离心泵叶轮制造工艺，采用送粉式激光增材制造工艺，包括以下步骤：
步骤1：制作带有多个背板12的离心泵轴11，所述多个背板12在离心泵轴11上间隔排列。
步骤2：在步骤1中所述的离心泵轴11的多个背板12上，采用送粉式激光增材制造工艺制造叶片13。
比起整个零件都使用增材制造工艺成型，通过增材制造工艺与传统制造工艺结合，在已有简单结构上只利用增材制造工艺成型复杂结构更符合产业效率的需要，离心泵叶轮从结构上比较适合这种制造方式，因此本发明步骤1中所称的带有多个背板12的离心泵轴11除非有特殊需要，否则默认为按照传统铸造、焊接、粉末冶金等工艺制作，而非通过增材制造工艺制作。而且，该带有多个背板12的离心泵轴11可以是分体制造后连接到一起，也可以是一体制造，优选为分体制造后连接到一起，这可以为分别控制离心泵轴部分和背板部分的材料提供前提，即离心泵轴部分和背板部分是由不同的材料制成，当二者材料成分差异大时，还可以通过在二者之间设置过渡材料而保证结合效果。过渡材料可以是粉末冶金或者其它的激光熔化加工工艺制造，但这不影响将本发明中带有多个背板12的离心泵轴11整体视为传统工艺（非增材制造工艺）制件。
为了实现上述工艺，在图2到图4中详细展示了本发明基于送粉式激光增材制造技术的应用所搭建的简单、高效、低成本的制造平台，该平台相比较于市场上用于成型特大尺寸制件的激光增材制造设备，成本变得非常低。
具体如图2到图4所示，本发明步骤2中所述的采用送粉式激光增材制造工艺制造叶片13是通过将已经制造好的离心泵轴11竖直定位到增材制造设备20的密闭工作腔21内，使所述背板12需要生成叶片13的一面朝上，利用增材制造设备20的送粉熔化一体激光加工器27的加工头在多个背板12上逐层打印，直至在多个背板12上得到完整叶片13，从而制得离心泵叶轮10。
本发明中的“步骤1”和“步骤2”的顺序用以表明先后关系，其可以是两个步骤的直接衔接或者间接衔接，即：不排除根据需要而在“步骤1”和“步骤2”之间进行的其它操作，例如在步骤1之后对离心泵轴11进行的必要的表面处理，又如在步骤2开始打印叶片13之前利用送粉熔化一体激光加工器27进行的其它三维结构特征的打印操作或对尚未完全焊合的离心泵轴11和背板12进行的辅助熔接操作等。
送粉熔化一体激光加工器27是一种成本较低的小型集成化增材制造设备，不需要依赖大型工作平台就能安装使用，其自身集成了激光光纤通道和送粉通道（图略），并具有横向加长的加工头，激光器和料箱尺寸也都可控，是一种类似于传统激光同轴送粉设备但比传统激光同轴送粉设备使用和控制更灵活的小型集成化增材制造设备，而且对成型空间和角度具有更高的适应性和灵活度，能够适应本发明中上下两个背板12之间的有限空间。
本发明中将送粉熔化一体激光加工器27利用多轴运动系统所搭载，从而使送粉熔化一体激光加工器27在多轴运动系统控制下能够伸入工作部位，通过在水平面内和竖直方向运动成形叶片13的三维形状。
具体参见各附图，本发明中所述多轴运动系统优选为X-Y-Z轴运动系统，其中Z轴为竖直方向，该X-Y-Z轴运动系统可以采用较为成熟的电机-丝杆机构作为运动机构，当然该X-Y-Z轴运动系统也可以采用其它运动机构。本发明中所述多轴运动系统也不限于X-Y-Z轴运动系统，其它能够实现在空间内三维运动的机构或者模块化运动工具只要能够满足本发明的目的，搭载送粉熔化一体激光加工器27运动，都可以用来解决本发明的问题。
如图2到图4所示，作为本发明重要的改进之一，本发明将用于搭载送粉熔化一体激光加工器27的多轴运动系统设置在了增材制造设备20密闭工作腔21外部，并且，为了使所述密闭工作腔21的形状与所述离心泵轴11的整体轮廓相适应，将所述密闭工作腔21设置为高度尺寸大于宽度尺寸，从图中可以看出，密闭工作腔21高度上超出离心泵轴11的顶部的余量有限，现场设备可以将该余量控制在50-100mm以内，并且密闭工作腔21宽度尺寸没有超出背板12宽度（这里为直径）很多，一般可以控制在不超过背板12宽度的2倍。
增材制造设备型号和成本主要是取决于成型尺寸，成型尺寸大也导致为了维护增材制造过程中的惰性保护气氛而付出的生产时间变长，生产成本变高，而本发明提出的上述手段保证了密闭工作腔21尺寸最小。
为了配合上面对密闭工作腔21的改进，本发明将密闭工作腔21邻近送粉熔化一体激光加工器27一侧的面板设置了柔性或弹性密封面26，这样送粉熔化一体激光加工器27的加工头就可以通过安装孔29穿设在所述柔性或弹性密封面26上，从而使所述送粉熔化一体激光加工器27的加工头部分位于所述密闭工作腔21内，其余部分位于所述密闭工作腔21外，不影响加工头部分的三维运动。
从图2、图4的示例中可以看出送粉熔化一体激光加工器27位于密闭工作腔21外的所述“其余部分”搭载在X-Y-Z轴运动系统上，在水平面内和竖直方向运动，送粉熔化一体激光加工器27的加工头在多个背板12上打印叶片13的顺序是自最下侧的一个背板12上开始打印（图2），最后打印的是最上侧的一个背板12上的叶片13（图4）。当然，根据需要，送粉熔化一体激光加工器27的加工头在多个背板12上打印叶片13的顺序也可以是自最上侧的一个背板12上开始打印。
由图3可以看出，为了尽量减少柔性或弹性材料的使用，上述密闭工作腔21邻近送粉熔化一体激光加工器27一侧的面板包括了刚性部分以及上述柔性或弹性密封面26，刚性部分位于柔性或弹性密封面26的外围，这样，柔性或弹性密封面26的尺寸就能控制，只要能够实现送粉熔化一体激光加工器27的加工头的各个方向上的最大运动距离即可。一般当所述密闭工作腔21邻近送粉熔化一体激光加工器27一侧的面板为方形面板时，所述柔性或弹性密封面26的宽度H不超过所述方形面板宽度的2/3，已足可满足加工头运动需要。
由于送粉熔化一体激光加工器27只处在密闭工作腔21的一侧，因此，本发明第三个方面的重要改进就是在将离心泵轴11竖直定位到增材制造设备20的密闭工作腔21内时使用了旋转卡盘22，通过安装在工作台上的旋转卡盘22和夹爪23将离心泵轴11的下端部竖直定位到工作台并使旋转卡盘22与安装在工作台内的旋转驱动组件（一般为电机，未图示）相连接，就能通过旋转卡盘22的转动调整背板12的角度，从而将未加工部位送到送粉熔化一体激光加工器27的加工范围内，保证在背板12上的整周部位都能制造出叶片13。
可见，本发明的方案不仅保证了密闭工作腔尺寸最小，也保证了送粉熔化一体激光加工器27的加工头的空间占用和运动幅度最小，从而大幅度降低了生产操作时间和生产成本，确保了叶轮复杂部位的制造效率和品质。
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。例如：本发明提供的工艺并不限制应用场合，只要采用了本发明的工艺，无论是出于全新的离心泵叶轮制造的目的，还是出于对已有离心泵叶轮改造、翻新或修复的目的，都应视为在本发明保护范围内所实施。

Claims (8)

1.一种离心泵叶轮制造工艺，采用送粉式激光增材制造工艺，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：制作带有多个背板（12）的离心泵轴（11），所述多个背板（12）在离心泵轴（11）上间隔排列；
所述带有多个背板（12）的离心泵轴（11）是分体制造后连接到一起，离心泵轴部分和背板部分是由不同的材料制成；
步骤2：在步骤1中所述的离心泵轴（11）的多个背板（12）上，采用送粉式激光增材制造工艺制造叶片（13）；
步骤2中所述的采用送粉式激光增材制造工艺制造叶片（13）是通过将离心泵轴（11）竖直定位到增材制造设备（20）的密闭工作腔（21）内，使所述背板（12）需要生成叶片（13）的一面朝上，利用增材制造设备（20）的送粉熔化一体激光加工器（27）的加工头在多个背板（12）上逐层打印，直至在多个背板（12）上得到完整叶片（13），从而制得离心泵叶轮（10）；
其中，所述送粉熔化一体激光加工器（27）是在多轴运动系统控制下在水平面内和竖直方向运动，所述多轴运动系统设置在所述密闭工作腔（21）外部；
所述送粉熔化一体激光加工器(27)的加工头为横向加长的加工头，并且，所述送粉熔化一体激光加工器(27)处在密闭工作腔（21）的一侧，所述密闭工作腔（21）邻近送粉熔化一体激光加工器（27）一侧的面板设置有柔性或弹性密封面（26），所述送粉熔化一体激光加工器（27）的加工头穿设在所述柔性或弹性密封面（26）上，从而使所述送粉熔化一体激光加工器（27）的加工头部分位于所述密闭工作腔（21）内，其余部分位于所述密闭工作腔（21）外；
所述的将离心泵轴（11）竖直定位到增材制造设备（20）的密闭工作腔（21）内具体为：通过安装在工作台上的旋转卡盘（22）和夹爪（23）将离心泵轴（11）的下端部竖直定位到工作台。
2.根据权利要求1所述的一种离心泵叶轮制造工艺，其特征在于，所述密闭工作腔（21）设置为高度尺寸大于宽度尺寸，并且宽度尺寸不超过所述背板（12）宽度的2倍，以使所述密闭工作腔（21）的形状与所述离心泵轴（11）的整体轮廓相适应。
3.根据权利要求1所述的一种离心泵叶轮制造工艺，其特征在于，所述旋转卡盘（22）与安装在工作台内的旋转驱动组件相连接。
4.根据权利要求1或3所述的一种离心泵叶轮制造工艺，其特征在于，所述密闭工作腔（21）邻近送粉熔化一体激光加工器（27）一侧的面板包括刚性部分以及所述柔性或弹性密封面（26），所述刚性部分位于所述柔性或弹性密封面（26）的外围。
5.根据权利要求4所述的一种离心泵叶轮制造工艺，其特征在于，所述密闭工作腔（21）邻近送粉熔化一体激光加工器（27）一侧的面板为方形面板，所述柔性或弹性密封面（26）的宽度（H）不超过所述方形面板宽度的2/3。
6.根据权利要求1所述的一种离心泵叶轮制造工艺，其特征在于，所述多轴运动系统为X-Y-Z轴运动系统，Z轴为竖直方向，所述送粉熔化一体激光加工器（27）位于密闭工作腔（21）外的所述其余部分搭载在所述X-Y-Z轴运动系统上，在水平面内和竖直方向运动。
7.根据权利要求6所述的一种离心泵叶轮制造工艺，其特征在于，所述X-Y-Z轴运动系统采用电机-丝杆机构作为运动机构。
8.根据权利要求1所述的一种离心泵叶轮制造工艺，其特征在于，所述送粉熔化一体激光加工器（27）的加工头在多个背板（12）上打印叶片（13）的顺序是自最上侧的一个背板（12）上开始打印或者自最下侧的一个背板（12）开始打印。
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