一种闭式叶轮的立式增减材复合制造方法与流程

1.本发明涉及叶轮加工领域，尤其是涉及一种闭式叶轮的立式增减材复合制造方法。


背景技术：

2.叶轮是泵中的做功零件，依靠其高速旋转对液体做功而实现液体的输送，是泵实现液体增压最重要的转动零件。叶轮一般由轮毂、叶片和盖板三部分组成，盖板分为前盖板和后盖板，按结构形式分为闭式叶轮、开式叶轮和半开式叶轮。
3.闭式叶轮具有效率高、应用广等特点，叶轮几何尺寸、流道形状对泵的性能影响很大，常规制造方法一般为铸造形式，但是铸造工艺产品往往对流道尺寸的控制精度低，表面粗糙度不高，在成形过程中，由于钢水冷凝收缩导致叶轮不同部件尺寸精度难以达到设计要求，从而影响泵的水力特性，导致铸造叶轮水力性能与理论设计预期产生偏差。
4.另外，一些闭式叶轮采用机械加工的方式成形，例如，申请号为200910220625.8，专利名称为“一种三元闭式叶轮的加工方法”的发明专利，其公开的加工方法为：在五轴联动数控加工中心上，将半精车完的锻件装卡后经钻孔、粗加工、半精加工、清根和精加工进行闭式通道的整体铣制，整体铣制出叶片及叶片通道。该加工方法采用了多道机械加工工序，虽然具备一定的加工精度，但是，同时也存在加工工序繁琐以及费时、费力的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术存在的缺陷，提供一种闭式叶轮的立式增减材复合制造方法。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.一种闭式叶轮的立式增减材复合制造方法，包括如下步骤：
8.s1、对叶轮部件进行三维建模，并分区分层、设置加工工艺参数，初步形成适合叶轮结构的增材成形轨迹和减材成形轨迹，对轨迹进行优化，使得成形过程为叶轮芯轴成形
→
叶轮中心实体成形
→
中心叶片和周围盖板
→
叶片流道及后盖板；在此基础上，形成减材成形轨迹；
9.s2、焊接前，对基板和金属焊丝进行清理并烘干，以去除水分、杂质和氧化膜；
10.s3、利用焊接打印的方法，将熔融的金属堆焊在基板上，打印工装芯轴，形成叶轮芯轴，对叶轮芯轴进行轧制和铣削加工；
11.s4、在工装芯轴上安装不锈钢基筒，并将转台翻转90
°
，让基筒呈水平放置，在基筒上焊接打印叶轮中心实体，对叶轮中心实体进行轧制和铣削加工；
12.s5、焊接打印中心叶片和周围盖板，并对中心叶片、周围盖板进行轧制和铣削加工；
13.s6、焊接打印叶片流道及后盖板，并对叶片流道及后盖板进行轧制和铣削加工。
14.进一步，闭式叶轮的立式增减材复合制造方法，还包括如下步骤：
15.s7、对成形后叶轮工件的外表面进行机加工；
16.s8、对工件进行消除应力热处理；
17.s9、对叶轮进行整体vt,pt,ut和rt检测。
18.进一步，所述步骤s3
‑
s6中，焊接打印时，旋转工件，以保证焊枪位置与工件呈垂直方向；单道次焊接完成后，辊轮紧跟在焊枪之后，控制轧制温度和轧制力，使金属发生充分压缩变形；
19.采用三维线激光进行熔池形貌检测，判断对零件表面高度标准差大于0.4mm的区域进行铣削；重复上述操作，直至加工到规定尺寸。
20.进一步，所述步骤s6中，打印叶片流道及后盖板时，每次打印两层，然后铣削叶片的正面，待正面铣削完成后，转台翻转适当角度，并铣削叶片背面，铣削完成后，打印后盖板部分，并铣削到规定尺寸和粗糙度。
21.进一步，所述步骤s3
‑
s6中，焊接打印的加工工艺参数为：
22.——焊接工艺方法为mig或tig；
23.——焊丝直径：0.8mm
‑
1.2mm；
24.——焊接电压：自适应；
25.——焊接电流：60a
‑
200a；
26.——焊接搭接率：30％
‑
80％；
27.——脉冲频率：0
‑
5hz；
28.——焊接速度：200
‑
500mm/min；
29.——保护气体及流量：氩气(或含co2，5％)，10
‑
25l/min；
30.其中，轧制过程的主要控制工艺参数为：
31.——轧制温度：800℃
‑
950℃；
32.——轧制变形量：30％
‑
50％；
33.——轧制频率：每焊一层或每焊两层或每焊三层；
34.其中，铣削过程的主要控制工艺参数为：
35.——铣刀直径：2mm
‑
8mm；
36.——铣刀转速：1000转/分
‑
3000转/分；
37.——铣刀直线速度：5
‑
10mm/min。
38.进一步，所述步骤s3
‑
s6中，焊接打印时，热源选用电弧热源，将金属焊丝熔化：直径为1.2mm的金属焊丝接入送料机构中，开启熔融热源，焊接功率2.9kw，送料机构将金属焊丝匀速熔融热源中，送丝速度设定为9.5m/min，弧长修正10％，熔融金属按预设的增材成形轨迹通过喷嘴沉积在基板上获得半凝固金属，喷嘴的移动速度为500mm/min。
39.进一步，所述步骤s3
‑
s6中，轧制过程：辊轮紧跟在喷嘴之后，控制轧制温度为900℃
‑
950℃，并控制轧制力，使金属变形量控制在30％左右，对半凝固金属进行辊压轧制，使之发生塑性变形。
40.进一步，所述步骤s3
‑
s6中，铣削过程：采用三维线激光进行熔池形貌检测，扫描速度为600mm/min，相机采集帧率50帧/s，扫描范围为宽60mm，高50mm，扫描精度为0.25mm/帧，判断对零件表面高度标准差大于0.4mm的区域进行铣削，铣削采用的铣刀直径为6mm，铣刀加工出叶片和盖板之间的r弧。
41.进一步，所述步骤s8中，对工件进行消除应力热处理时，热处理温度为600℃，并保温1h。
42.进一步，加工所选原材料为er410nimo，原材料的形态为金属焊丝，供给方式为送丝。
43.本发明的有益效果为：本发明采用焊轧铣复合增减材制造工艺，采用立式方法制造闭式叶轮，其中锻轧工艺可以使闭式叶轮达到锻件性能，铣削工艺可以保证闭式叶轮具有较高的尺寸精度和表面粗糙度，立式成形可以避免闭式叶轮的制造过程中采用支撑材料，采用本工艺方法可用于泵用高品质闭式叶轮的制造。
附图说明
44.图1为本发明的加工工艺流程图；
45.图2为本发明加工得到的闭式叶轮的结构示意图；
46.图3为本发明加工得到的闭式叶轮的另一角度结构示意图。
具体实施方式
47.如图1所示，一种闭式叶轮的立式增减材复合制造方法，包括如下步骤：
48.s1、对叶轮部件进行三维建模，并分区分层、设置加工工艺参数，初步形成适合叶轮结构的增材成形轨迹和减材成形轨迹，对轨迹进行优化，使得成形过程为叶轮芯轴成形
→
叶轮中心实体成形
→
中心叶片和周围盖板
→
叶片流道及后盖板；在此基础上，形成减材成形轨迹；
49.s2、焊接前，对基板和金属焊丝进行清理并烘干，以去除水分、杂质和氧化膜；
50.s3、利用焊接打印的方法，将熔融的金属堆焊在基板上，打印工装芯轴，形成叶轮芯轴，对叶轮芯轴进行轧制和铣削加工；
51.s4、在工装芯轴上安装不锈钢基筒，并将转台翻转90
°
，让基筒呈水平放置，在基筒上焊接打印叶轮中心实体，对叶轮中心实体进行轧制和铣削加工；
52.s5、焊接打印中心叶片和周围盖板，并对中心叶片、周围盖板进行轧制和铣削加工；
53.s6、焊接打印叶片流道及后盖板，并对叶片流道及后盖板进行轧制和铣削加工。
54.进一步，闭式叶轮的立式增减材复合制造方法，还包括如下步骤：
55.s7、对成形后叶轮工件的外表面进行机加工；
56.s8、对工件进行消除应力热处理；
57.s9、对叶轮进行整体vt,pt,ut和rt检测。
58.步骤s3
‑
s6中，焊接打印时，旋转工件，以保证焊枪位置与工件呈垂直方向；单道次焊接完成后，辊轮紧跟在焊枪之后，控制轧制温度和轧制力，使金属发生充分压缩变形；
59.采用三维线激光进行熔池形貌检测，判断对零件表面高度标准差大于0.4mm的区域进行铣削；重复上述操作，直至加工到规定尺寸。
60.所述步骤s6中，打印叶片流道及后盖板时，每次打印两层，然后铣削叶片的正面，待正面铣削完成后，转台翻转适当角度，并铣削叶片背面，铣削完成后，打印后盖板部分，并铣削到规定尺寸和粗糙度。
61.步骤s3
‑
s6中，焊接打印的加工工艺参数为：
62.——焊接工艺方法为mig或tig；
63.——焊丝直径：0.8mm
‑
1.2mm；
64.——焊接电压：自适应；
65.——焊接电流：60a
‑
200a；
66.——焊接搭接率：30％
‑
80％；
67.——脉冲频率：0
‑
5hz；
68.——焊接速度：200
‑
500mm/min；
69.——保护气体及流量：氩气(或含co2，5％)，10
‑
25l/min；
70.其中，轧制过程的主要控制工艺参数为：
71.——轧制温度：800℃
‑
950℃；
72.——轧制变形量：30％
‑
50％；
73.——轧制频率：每焊一层或每焊两层或每焊三层；
74.其中，铣削过程的主要控制工艺参数为：
75.——铣刀直径：2mm
‑
8mm；
76.——铣刀转速：1000转/分
‑
3000转/分；
77.——铣刀直线速度：5
‑
10mm/min。
78.另外，步骤s3
‑
s6中，焊接打印时，热源选用电弧热源，将金属焊丝熔化：直径为1.2mm的金属焊丝接入送料机构中，开启熔融热源，焊接功率2.9kw，送料机构将金属焊丝匀速熔融热源中，送丝速度设定为9.5m/min，弧长修正10％，熔融金属按预设的增材成形轨迹通过喷嘴沉积在基板上获得半凝固金属，喷嘴的移动速度为500mm/min。
79.步骤s3
‑
s6中，轧制过程具体为：辊轮紧跟在喷嘴之后，控制轧制温度为900℃
‑
950℃，并控制轧制力，使金属变形量控制在30％左右，对半凝固金属进行辊压轧制，使之发生塑性变形。
80.步骤s3
‑
s6中，铣削过程：采用三维线激光进行熔池形貌检测，扫描速度为600mm/min，相机采集帧率50帧/s，扫描范围为宽60mm，高50mm，扫描精度为0.25mm/帧，判断对零件表面高度标准差大于0.4mm的区域进行铣削，铣削采用的铣刀直径为6mm。
81.步骤s8中，对工件进行消除应力热处理时，热处理温度为600℃，并保温1h。
82.闭式叶轮的具体加工方式如下：
83.如图1所示，所选原材料为er410nimo，原材料的形态为金属焊丝，供给方式为送丝，具体包括以下步骤：
84.步骤1、根据待成形叶轮的三维cad模型和特征，进行分区分层、加工工艺参数，生成适合零件结构的增材成形轨迹和减材成形轨迹；
85.步骤2、对基板和金属焊丝进行清理并烘干，以去除水分、杂质和氧化膜。
86.步骤3、打印工装芯轴，其中成形设备及主要参数如下：
87.(1)焊接过程，热源选用电弧热源，采用福尼斯焊接电源cmt advanced4000(mig),送料设备选择配套的送丝机构vr 7000cmt，将金属焊丝熔化，直径为1.2mm的金属焊丝接入送料机构中，开启熔融热源，焊接功率2.9kw，送料机构将金属焊丝匀速熔融热源中，送丝速度设定为9.5m/min，弧长修正10％，熔融金属按预设的增材成形轨迹通过喷嘴沉积在基板
上获得半凝固金属，喷嘴的移动速度为500mm/min；
88.(2)轧制过程：辊轮紧跟在喷嘴之后，控制轧制温度为900℃
‑
950℃，并控制轧制力，使金属变形量控制在30％左右，对半凝固金属进行辊压轧制，使之发生塑性变形。
89.(3)铣削过程：采用三维线激光进行熔池形貌检测，扫描速度为600mm/min，相机采集帧率50帧/s，扫描范围宽60mm高50mm，扫描精度0.25mm/帧，判断对零件表面高度标准差大于0.4mm的区域进行铣削，铣削采用的铣刀直径为6mm(为了加工出叶片和盖板之间的r弧)。
90.步骤4、打印叶轮中心实体，成形设备及参数与步骤3相同；
91.步骤5、打印中心叶片部分和周围盖板,成形设备及参数与步骤3相同；
92.步骤6、打印叶片流道区及后盖板部分,成形设备及参数与步骤3相同；
93.步骤7、对成形件进行外表面进行机加工，完成叶轮毛坯的制造；
94.步骤8、对工件进行消除应力热处理，热处理温度为600℃，并保温1h。
95.步骤9、对叶轮整体进行vt,pt和rt检测，得到的成形产品如图2，图3所示。
96.本发明采用焊轧铣复合增减材制造工艺，采用立式方法制造闭式叶轮，其中锻轧工艺可以使闭式叶轮达到锻件性能，铣削工艺可以保证闭式叶轮具有较高的尺寸精度和表面粗糙度，立式成形可以避免闭式叶轮的制造过程中采用支撑材料，采用本工艺方法可用于泵用高品质闭式叶轮的制造。
97.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。