叶轮制作工艺关键控制点及工装夹具设计

叶轮制作工艺关键控制点及工装夹具设计
作者：叶双春
来源：《科学导报·学术》2018年第22期
摘要：随着国内叶轮制作厂家制作工艺的提升，焊接叶轮大量应用于机械制造和设备相关行业。

越来越多的风机动力系统也采用了焊接叶轮，焊接叶轮的制作工艺有了极大改进，相应的工装夹具设计也更加合理，制作质量和效率也得到大大的提升。

因而叶轮制作工艺及工装夹具设计也成为重点的研究方向之一。

关键词：叶轮；制作工艺；焊接；工装夹具
一、前言
风机动力系统在扫路车、清扫车等环卫特种车中广泛应用，而焊接叶轮又是其中的最核心的部件之一。

以前高质量的叶轮都大部分都需要到国外采购，随着国内叶轮制作厂家制作工艺的提升，已经实现高质量叶轮的国产化，并大量应用于机械制造和设备行业。

在当今的叶轮制造工艺中，焊接叶轮占主导地位，其制作质量至关重要，直接影响整个风机动力系统的质量。

本文对叶轮的制作工艺总结了关键控制点，并根据叶轮特点设计了相应的工装夹具，以保证叶轮制作质量。

二、叶轮结构特点
叶轮结构见图1，本叶轮由11片叶片在轮盘上焊接而成，叶片和叶片之间的夹角和间距都较小，焊接难度较大。

叶片和轮盘盘采用6mm的耐磨钢板，轮盖采用4mm的耐磨钢板。

三、叶片和轮盖成型控制
1、叶片成型
叶片是叶轮中的关键件，其制作关键控制点是要保证每个叶片外形尺寸和弯曲弧度都一致。

为了保证叶片的一致性，采用等离子编程下料工艺，保证了每片叶片尺寸一致。

并设计了专用模具进行叶片冲压成型，使得每片叶片都有相同的弯曲弧度。

叶片成型后要對每个叶片要用检验样板逐一进行检验，对有偏差的叶片要及时矫正，保证叶片弧度和尺寸符合图纸要求。

2、轮盖成型
因轮盖上圈高度较高，无法用圆板一次冲压成型，为了保证轮盖的成型质量，将轮盖进行轮盖上圈和轮盖下圈分别成型。

轮盖上圈采用钢板焊接的管圈冲压翻边成型，轮盖下圈采用开孔圆形板进行曲面成型。

因分两次冲压成型，再进行轮盖上下圈的对接焊，关键是要控制轮盖上下圈对接处的圆环直径，同时还要考虑凹凸模的间隙。

凹凸模的间隙对冲载件的断面质量与
尺寸精度、模具寿命、卸料力、推件力、冲载力等的影响规律均不相同。

在批量制作前需要对轮盖上圈和下圈进行多次冲压试验，根据试验结果修正凹凸模的直径和间隙，间隙一般取材料壁厚的16%～19%，使得轮盖上下圈焊接处的直径完全吻合，试验产品经评定合格后将模具定型，再进行批量生产。

四、轮毂和轮盘铆接
轮毂采用整体铸造件机加工而成，轮盘采用等离子切割后到钻床进行钻孔。

轮毂和轮盘采用沉头铆钉进行铆接，以减少焊接量和焊接变形。

在工作平台上将轮毂和轮盘对接好，并穿好铆钉，对称进行铆钉的铆接，防止轮盘和轮毂偏移，铆接好后检查铆接处的外观质量。

关键是控制轮毂中心孔和轮盘的垂直度，并保证铆钉与轮盘完全贴合，轮毂和轮盘无松动。

五、叶轮制作控制要点及工装夹具设计
1、叶片定位
叶片定位关键是要保证叶片的位置以及叶片组成的环形圈对轮毂中心轴的同轴度。

所以工装设计时要以轮毂中心轴为基准，设计叶片定位工装以保证叶片位置准确。

因而工装需要分成底座、叶片定位花盘工装、压盘等几部分。

工装底座的底盘外圈靠近叶片位置开11个V型槽，采用等离子切割，V形槽的存在是便于叶片定位点焊时焊枪操作。

工装的中心销轴是整个叶轮工装的基准件，需要保证销轴与底盘上表面的垂直度，同时通过销轴保证叶轮各个部件的同轴度，如图2所示。

根据叶片的位置设计叶片定位花盘工装，在叶片外侧两端设计两处定位点，保证每片叶片定位准确，并在定位点的两侧开30mm宽的槽形条，便于叶片定位后点焊操作。

在定位工装上焊接一块定位板，焊后采用机加工中心孔，使中心孔与叶轮定位销轴成配合关系，保证叶片定位位置准确和同轴度符合要求，如图3所示。

轮盖上圈压盘工装板中心孔与销轴成配合关系，下压盘外圈与轮盖上圈内壁配合，保证轮盖上圈的同轴度要求。

将轮毂和轮盘组合件穿销轴固定在工装上，将叶片定位花盘工装穿入销轴固定在轮盘上方，沿着花盘逐一定位叶片，并点焊固定。

之后拆除叶片定位工装，将轮盖上圈用压盘定位板工装穿入销轴固定好，并将叶片逐一点焊固定在轮盖上圈上，销轴上加螺母固定。

本道工序控制关键点，是必须采用同一根销轴确保轮盘、轮毂、叶片、轮盖相互之间的同轴度要求。

2、叶片与轮盘焊接
在工装上进行叶片与轮盘的焊接，叶片需要全部满焊，采用气体保护焊焊接。

从内侧向外侧对叶片进行施焊，焊接时要对称施焊，当焊完一叶片后，接着焊接轴对面的叶片，按同一顺向施焊，焊接时要采用合理的焊接参数，尽量减小焊接变形。

叶片焊完后要进行检查，并矫正焊接变形，保证叶片无明显变形。

3、轮盖固定：
因轮盖壁厚较薄，又分层上下两圈，焊接变形较大。

设计了专用的轮盖下圈压盘，采用30mm厚的钢板机加工而成，压盘下表面坡度比叶轮轮盖外表面的坡度小1°～2°，夹紧后使得轮盖外圈略微上翘，焊后因焊接变形轮盖外圈将向下收缩，利用反变形原理尽量减小焊接变形对叶轮的影响。

将轮盖装到叶轮上面，调整轮盖上圈和轮盖下圈之间的间隙，使得间隙在1～3mm之间，偏差较大之处可用砂轮机进行打磨，确保轮盖对接焊能焊透。

将轮盖点焊固定，在轮盖下圈上方加压盘圈，并用夹子夹紧轮盖。

将叶片逐一与轮盖下圈点焊固定后，在工装上进行轮盖上圈和轮盖下圈对接焊缝的焊接，焊缝要保证完全焊透，无焊接缺陷，焊接质量合格。

焊后焊缝外表面打磨圆滑和均匀，减小叶轮最终的表面跳动和动平衡偏差。

4、叶片与轮盖焊接：
叶轮剩余焊缝的焊接，设计一个手动叶轮变位工装，在工装框架顶部焊接一个销套管，并穿入销轴，使叶轮能在销轴上自由转动。

将叶轮连同夹紧压盘一起拆下，装入焊接专用变位工装的销轴上，在工装转动叶轮，保证在最佳位置进行焊接，关键是焊接顺序和焊接参数，要严格按照焊接作业指导书中的焊接参数进行焊接，可采用较小的焊接线能量焊接，以减小焊接变形。

先焊轮盖上圈内侧的叶片，焊接时要对称焊，焊完一叶片后转到轴对称侧叶片进行焊接。

上圈焊缝焊完后，再进行轮盖下圈叶片的焊接，焊接时也要对称施焊。

5、叶轮总成焊后矫正变形
焊接完成后，拆除压盘工装，根据叶轮的变形情况，进行机械或者火焰矫正。

矫正后可在焊接工装上转动叶轮，检查叶轮的跳动和变形量，对偏差超标处再次进行变形矫正。

六、葉轮机加工
叶轮焊接完成后，轮盘和轮盖外缘会存在直径大小偏差，需要将叶轮夹到机床上，对叶轮外轮廓进行机加工，以保证叶轮高度符合要求，并使叶轮轮盘和轮盖外缘齐平。

同时也可以在机床上检查轮盖的圆度偏差和表面跳动，并进行必要的矫正，以保证叶轮的制作质量符合图纸要求。

七、叶轮动平衡
叶轮机加工后，需要进行动平衡操作。

动平衡的重点是要控制不平衡量偏差量，即在加重块施焊完后进行最终测量，若满足不平衡量在3g范围内即为合格，否则需对加重块及叶轮相关部位进行修磨，直至满足要求为止。

动平衡注意事项如下：
1）加重块经电子秤称重的重量应尽量接近测得的所需加重量减20g。

2）每个叶轮每侧只允许添加一个加重块，并且尺寸不得超过50mm*40mm*10mm，重量不得超过150g。

3）加重块在焊接时，至少应焊接两面，并且焊缝牢固、可靠，焊后清渣，打磨。

4）在一侧面的加重块施焊完，若发现仍需加重，可在其中心对称位置对叶轮表面进行修磨。

5）在去重时，需要在刻度线位置左右对称打磨，打磨要圆滑，打磨减薄量不得超过
0.3mm，不得对单个位置大量打磨，打磨面积可以适当放大。

八、叶轮吊装
成品叶轮属于重点控制零件，应采用专用夹具夹在对称的4张叶片上进行吊装，也可以入穿销轴在销轴上进行吊装，或在轮毂孔中穿入软吊带进行吊装，不得用钢板夹直接夹在轮盖上进行吊装，因轮盖为薄板容易引起吊装变形。

若吊装过程造成叶轮变形，需要进行矫正，并重新进行动平衡操作。

九、结论
叶轮制作工艺最终是要控制轮盘和轮盖的表面跳动，以及整个叶轮的动平衡。

本套工装夹具设计理念是以中心销轴为基准，设计相应的配套定位工装，保证叶片和轮盖的位置和同轴度符合要求。

工装和夹具定位方法合理，夹紧可靠，制作中对每道工序的制作工艺关键点要严格把控，使得叶轮的加工精度和形位公差符合图纸的要求。

而且本制作工艺也较为方便快捷，使得叶轮制作效率大大提升，给制造厂带来了较大的效益。

参考文献
[1] 赵健仓.风机叶轮焊接工艺的现状及展望. 风机技术，2001年第1期：23-27.
[2] 朱加强.控制风机叶轮焊接变形及裂纹的工艺措施.小氮肥，2015年第6期：19-20.。