刀具移距在诱导轮叶片加工中的作用

于 捷，杜方平

（西安航天发动机厂，陕西西安 710100）

0 引言

诱导轮技术广泛应用于航空、航天以及民用涡轮泵中，作用是提高涡轮泵的抗气蚀性能。采用诱导轮和离心轮组成的泵机组，可使涡轮泵转速大幅提高，不仅减小了涡轮泵的尺寸和质量，提高了涡轮泵的性能，而且由于泵抗气蚀性能的提高，涡轮泵可以在入口压力较低的情况下稳定可靠地工作。

气蚀是造成涡轮泵出现故障的重要原因之一。为了防止泵在工作过程中发生气蚀，最有效的方法是在离心泵前增加一个诱导轮。诱导轮的抗气蚀性能体现在两个方面：一是诱导轮作为与泵的进口装置直接相连的部件，本身应具有良好的抗气蚀性能；二是诱导轮能对进口液流进行预旋和预增压，改善离心轮部分的进口条件，增强离心轮的抗气蚀性能。

由于泵机组抗气蚀性能在一定程度上主要取决于诱导轮性能，因此诱导轮的设计、加工尤为重要。诱导轮加工中的关键技术是叶片的铣削，铣削叶片时，刀具中心若与诱导轮轴线移距不适当，加工出的诱导轮叶片会产生根切、顶切现象，降低诱导轮叶片强度，影响泵的抗气蚀性能。所以，有必要对诱导轮叶片加工中的刀具移距进行研究。

1 气蚀现象

气蚀现象是指在液体流动系统中，当液体静压低于该处温度下液体的饱和蒸气压时，液体将发生沸腾，生成蒸气泡。如果这些气泡随液流流向高压区，由于该处压力大大超过该温度下液体的饱和蒸气压，这时气泡将产生剧烈的凝结，气泡突然消失。液体的沸腾和蒸气泡的突然凝结均以很高的速度进行，于是产生局部水击，局部压力可达几十甚至几百兆帕，水击的频率可以达到每秒几千次甚至几万次，并伴随着振动和噪声。

在离心泵中，气蚀现象是在进口压力较低的情况下发生的，虽然这时泵进口压力还大于该液体温度下的饱和蒸气压，但由于液体流过叶片进口边缘时，像流过任何型面一样会形成低压区，对于离心泵，当具有正攻角时，其低压区发生在叶片进口部分的背面，流速越大，则静压越低，在进口边上离轴线最远的点速度最大，当该处静压低于推进剂温度下的饱和蒸气压时，就会发生气蚀现象。在泵发生气蚀后，离心轮表面受到局部水击，一定时间后零件表面开始遭受破坏。当气蚀现象严重时，会导致泵的振动加剧，噪声增大，泵的流量和扬程剧烈下降，甚至有可能导致泵体结构遭受严重破坏[1]。

2 诱导轮型面加工中铣刀移距的研究

2.1 移距概念

诱导轮的叶片上窄下宽且根部有圆角，整体形状呈螺旋结构。因此，为使诱导轮加工出的型面、叶根圆角与设计图纸完全相符，必须使铣刀相对于零件轴线有一个合适的移距，移距过大或过小，都会使加工出的叶片产生顶切或根切现象。

图1所示为左旋诱导轮当移距e=0时的情况：

如图1所示，在e=0时，铣刀若铣到叶顶处时，叶片其它部位，尤其是叶根处已经铣到一部分叶型，即发生根切现象。同理，当移距e过大时，将发生顶切现象。诱导轮加工中产生根切和顶切现象后，诱导轮叶片强度和抗气蚀性能将大幅降低。

2.2 移距的确定

理论上讲，必须将刀具移到叶片的法向平面上，才能加工出完全符合图样要求的叶形，即让叶顶与叶根处的螺旋线与刀具同时相切，也就是说，移距的大小与诱导轮的结构参数相关，铣加工诱导轮叶片时，铣刀与零件的对应关系见图2所示。

诱导轮按导程不同，可分为等螺距诱导轮和变螺距诱导轮。

2.2.1 等螺距诱导轮刀具移距的确定

如图3所示，为了使加工出的叶片不产生根切或顶切现象，必须让叶顶处和叶根处的螺旋线与刀具共同相切。

移距计算公式的推导：

如图3所示，在三角形△OCD中

螺旋升角的计算公式：

式中：S为诱导轮导程。

将式（2），（3），（4）代入式（1）中，得出刀具移距的计算公式：

2.2.2 变螺距诱导轮刀具移距的确定

对于变螺距诱导轮，根据设计给出的导程等特性参数，按等螺距诱导轮移距的计算方法，计算出每个程序段的铣刀移距值e，再求得增量△e即可。

移距值得出后，根据诱导轮需要铣削的叶片是工作面或非工作面，将移距前面加±符号。

3 诱导轮加工工艺流程

诱导轮加工工序安排的原则为：零件的热处理工序应安排在粗车和精车之间，铣键槽工序应安排在加工叶片之前，动平衡工序最后完成。诱导轮加工工艺流程如图4所示。

诱导轮是由棒料或锻件切削加工制成的。主要加工部位是叶片型面，一般采用铣削的方法在立式铣床或数控加工中心上完成，铣加工诱导轮前，应设计制作专用装夹心轴和专用铣刀，确保加工出的诱导轮型面与叶根圆角与设计图纸完全相符。在普通立铣床上加工诱导轮时，需要根据诱导轮导程，铣床丝杠螺距和分度头定数计算挂轮比，确定交换齿轮的齿数，挂轮比i的计算方法如下[2]：

Z1，Z2，Z3和Z4为4个交换齿轮的齿数；40为分度头的定数；6为丝杠螺距；S为诱导轮的导程。

根据上式计算出来的齿轮齿数应是机床常用的齿轮。

4 某型号涡轮泵诱导轮的加工

在某型号液体火箭发动机涡轮泵研制中，诱导轮为等螺距诱导轮，与其它型号涡轮泵的诱导轮相比较，其导程小、叶片薄、刚性较差，为保证叶片加工强度，防止顶切或根切，加工难度更大。诱导轮的加工流程按图4所示流程进行，叶片的铣削在数控加工中心上进行，根据产品结构设计制作了专用刀具，根据诱导轮及专用铣刀尺寸，按公式（5）计算得出了铣刀中心与诱导轮轴线移距为0.91 mm，铣削叶片加工工艺参数见表1。

按表1所述的工艺参数加工出的诱导轮，尺寸检测结果与设计图纸尺寸完全相符，检测结果见表2。

表1 加工中心铣叶型工艺参数Tab.1 Blade milling parameters of machining center

表2 诱导轮加工后检测结果Tab.2 Inspection results of inducer machined with proposed process and parameters

表3 涡轮泵参加水力试验结果Tab.3 Results of hydraulic test for turbopump

产品参加水力试验考核，各项参数测试均满足设计要求，试验结果见表3。产品最终通过了地面热试车考核。

5 结束语

本文所述的加工诱导轮时铣刀的移距计算公式和加工方法，已在科研生产中得到了应用，经过涡轮泵水力试验和发动机地面热试车及飞行考验成功，产品和工艺方法得到了验证，由此表明该工艺方法正确、可靠，可推广应用于航空、航天以及民用涡轮泵诱导轮的加工之中。

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