离心式压缩机异型风筒法兰车削简图的计算模型研究

白俊峰

（沈阳鼓风机集团股份有限公司透平工艺部， 辽宁 沈阳 110869）

引言

风筒法兰是离心式压缩机机壳中重要的部件，由于离心压缩机压力较高，所以多数风筒法兰采用锻件作为主要材料，部分外形复杂的风筒法兰也有采用铸造的方式进行生产。从加工制造方面来分，风筒法兰可分为回转式常规风筒法兰，非回转式异型风筒法兰和铸造风筒法兰三种形式，其中非回转式异型风筒法兰加工工艺最为复杂。

对于非回转式异型风筒法兰，常规加工制造方法为先车削再铣削。鉴于铣削采用数控加工，相较于车削加工周期较长，因此为提高加工效率，缩短制造周期，通常要求车削时最大限度去除加工余量，以减小后序铣削的加工时间，故需要绘制精准的风筒法兰的工艺车削简图，以作为车削加工的参照依据。实际生产过程中，由于车削简图绘制难度较大，绘制规则不一，经常出现图纸错误的情况，并且绘制时间较长，总体来说绘制效率较低。

本文以非回转式异型风筒法兰为研究对象，依据三角函数，总结不同类型非回转式异型风筒法兰的数学计算方法，最终归纳出非回转式异型风筒法兰中车削简图各尺寸的计算公式。

1 非回转式异型风筒法兰的类型

本文所研究的非回转式异型风筒法兰是指锻件材料、等壁厚且形状规则的非回转式异型风筒法兰。此种非回转式异型风筒法兰主要分为两种形式，两者主要不同之处在于风筒法兰与机壳筒体结合处的形状，第一种形式的风筒法兰与机壳筒体结合处为平面，简称为I形异型风筒法兰，如图1所示；第二种形式的风筒法兰与机壳筒体结合处为马鞍面，简称为II形异型风筒法兰，如图2所示。

图1 I形异型风筒法兰简图

图2 II形异型风筒法兰简图

图3 I形异型风筒法兰工程示意图

2 I形异型风筒法兰车削简图的计算模型

I形异型风筒法兰的工程示意图标注方式如图3所示。通过工程示意图可知，此风筒法兰底面内孔及外圆均为回转尺寸，但随高度的增加，风筒顶部内孔及外圆均为非回转尺寸，即随高度增加尺寸也随之渐变。为实现最大车削加工去除量，且不造成局部缺欠的情况，需采用内孔按小回转尺寸计算，外圆按最大回转尺寸的计算原则，因此，对于I形异型风筒法兰，应将图3-1和图3-2按中心线重叠，即可出现车削简图的基本轮廓，如图4-1所示。鉴于焊接坡口属于渐变尺寸，无法回转车削，故绘制简图时不予体现，因此，整合绘制后的风筒法兰车削简图如图4-2所示。

图4 I形异型风筒法兰车削简图示意图

由于异型风筒法兰车削简图必须为回转体，不同尺寸风筒法兰的车削简图图形相似，故只需确定图纸中 8 个标注数值（d1、d2、h1、h2、h3、l1、l2、l3）即可完成车削简图的绘制工作，标注位置及示意图如图5所示。经研究发现，对于I形异型风筒法兰的车削简图除l2、l3以外，其余尺寸均很容易计算求得。

图5 异型风筒法兰车削简图

简图中l3的数值可以通过相似三角形原理求得，如图6所示，通过两个阴影直角三角形内α三角函数值相等原则列出等式，即可计算得出图中X数值，因此可解出简图中l3的数值。推导公式如下：

同时，根据图3、图4还可知：

因此，将公式（2）代入公式（1）中，得出：

故归纳l3的计算公式如下：

针对简图中l2的数值也可通过相似三角形原理计算求出，如图7所示，通过阴影直角三角形内相似三角形理论，可推导公式如下：

图6 l3数值计算附图

再将公式（2）代入公式（5）中，得出：

故归纳l2的计算公式如下：

图7 l2数值计算附图

综上可知，对于I形异型风筒法兰车削简图中所标注的8个尺寸均对应明确计算模型，如表1所示。

表1 I形异型风筒法兰车削简图尺寸数值表

3 II形风筒法兰车削简图的计算模型

II形异型风筒法兰的工程示意图如下页图8所示。此种风筒法兰底面内孔及外圆均为回转尺寸，随高度的增加，风筒顶部内孔及外圆均为非回转尺寸，同样需采用内孔按小回转尺寸计算，外圆按最大回转尺寸的计算原则，将图8-1和图8-2按中心线重叠，即可得出车削简图的基本轮廓，如图9-1所示，整合绘制后的风筒法兰车削简图如图9-2所示。

图8 II形异型风筒法兰工程示意图

图9 II形异型风筒法兰车削简图示意图

由于II形异型风筒法兰的车削简图同样必须为回转体，故也只需填好图纸中 8个标注（d1、d2、h1、h2、h3、l1、l2、l3）的数值即可完成绘制，车削简图样式及标注方式如图5所示。经研究发现，II形异型风筒法兰的车削简图中难点为l1、l2、l3和h2的数值计算。

针对h2数值的计算，如图10所示，计算公式如下：

同时根据勾股定理可知：

将公式（8）代入公式（9）中得出h2计算公式：

图10 h2数值计算附图

针对l1数值的计算，如图11所示，根据相似三角形原理，计算公式如下：

变换后可得：

同时，由图11可知：

将公式（13）代入公式（12）中，得到l1的计算公式：

图11 l1数值计算附图

针对l3数值的计算，根据I形异型风筒法兰的计算结果可知，对于II形异型风筒法兰的计算方式不发生变化，仅需将H2尺寸替换为h2，因此得l3的公式如下：

针对l2数值的计算，计算方式也不发生变化，仅需将H2尺寸替换为h2，可得l2的公式如下：

综上可知，对于II形异型风筒法兰车削简图中所标注的8个尺寸均对应明确计算模型，如下页表2所示。

4 结论

1）通过研究异型风筒法兰的加工工艺方法，总结了两种非回转式异型风筒法兰结构形式和车削简图的标注样式，归纳了标注异型风筒法兰车削简图的8个尺寸计算模型。

2）以几何函数和已知的设计尺寸为理论计算基础，得出了两种非回转式异型风筒车削简图关键尺寸数值的计算公式。

3）通过对两种非回转式异型风筒法兰简图尺寸计算模型的归纳可知，异型风筒法兰工艺车削简图可通过计算机编程自动绘制输出。

表2 II形异型风筒法兰车削简图尺寸数值表