闭式叶轮整体加工技术在商用空调上的研究与应用

唐华敏 黄泽坚

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000）

引言

近年来，随着商用空调的快速发展，离心式中央空调已广泛运用于大型工业、建筑楼宇、数据中心、机场等多个领域，对空调能效要求日益提高[1]，使得企业在产品品质和可靠性管控方面面临巨大挑战。

压缩机是空调的核心部件，叶轮又是离心压缩机的心脏零件。常见焊接制造工艺为：机加、钎焊。将叶轮分为轮毂与轮盖两部分，叶片在轮毂上由五轴铣削而成，采用钎焊技术与轮盖焊接成型。焊接完成后做着色探伤、动平衡、超转速、二次着色、三坐标复检等一系列检测试验，合格后才能使用。全流程多达13道工序，工序复杂、周期长；其中焊接工艺对焊工技术要求高，耗时长，很容易产生质量问题造成叶轮报废，成本高昂。

一方面，因为制造周期长、工序复杂及焊接工艺人为依赖，导致叶轮动平衡合格率非常低，一次动平衡合格率不到30 %，其中：初始不平衡量大于5 g占比62.79 %，大于10 g占比13.95 %，叶轮直径越大，一次合格率越低。

另一方面，动平衡超差的叶轮需要人工去重进行配平（要求在100 mg以下），人工打磨一个超5 g的叶轮需要2 h，效率低下；容易出现人工打磨失误造成叶轮报废事故，重新加工又将面临冗长的制造周期，对于核心零件，存在极大的质量安全隐患及客户订单延误隐患。

为提高离心压缩机叶轮制造效率与质量水平，特开发闭式叶轮整体加工技术：一次成型，取消焊接。

1 理论分析

1.1 加工可行性分析

在航空发动机领域，对于叶轮叶盘整体加工已有成功应用案例，但在商用空调行业尚属第一次。整体加工方案技术难点分析如下：

1.1.1 典型案例分析

以450 RT一级叶轮为例：叶片数量15，进气口处最小间距约10.1 mm，叶片曲线曲率大，刀具无法一次到位，如图1所示。

图1 450 RT叶轮三维模型分析

1.1.2 刀具应用分析

刀具无完整加工空间；为保证加工到位，需设计加长刀具，刚性差，容易产生震刀纹，且效率低下；以D6刀具为例，伸出长度达80 mm，长径比（长度/直径）大于13，刚性不足。如图2所示。

图2 刀具长度、刀具路径仿真

常规刀具无完整加工空间，需设计专用非标刀具。

1.1.3 设备参数分析

出气侧叶片后弯角较大，对机床A轴角度有较高要求，A轴角度要求接近-110 °（现有HSC55机床A轴角度行程+10 °～-110 °），容易造成设备超程甚至机床干涉、撞机事故；如图3所示。

图3 机床干涉碰撞模拟仿真

1.1.4 夹具分析

刀具从进气口进入时，容易与锁紧工装螺栓干涉；从出气口进入时，容易与工装干涉；工装过高时，又容易导致设备Z轴行程超程；对于工装设计、零件定位装夹方式有较高要求。

2 实验验证

2.1 加工方案设计

原焊接叶轮工艺流程（如图4）：主要五道工序，轮毂、轮盖分开加工，整体焊接成型。

图4 原焊接工艺流程图

整体加工叶轮工艺设计流程图（如图5）：主要三道工序，取消轮盖加工，取消焊接工序，整体加工成型。

图5 整体加工叶轮工艺设计流程图

2.2 夹具设计

2.2.1 夹具高度定义（H）：

现有HSC55机床Z轴行程460 mm大于（工装高度+工件高度+刀具长度+刀柄长度）之和，所以工装高度小于（460 mm-工件高度-刀具长度-刀柄长度）之差。

2.2.2 夹具极限直径定义（D）：

为保证刀具从出气口进入加工时不产生干涉，工装最大直径D小于工件外径。

2.2.3 工件定位、装夹方式设计：

轮毂底面D20销钉槽防旋转定位；为保证刀具从进气口进入时不产生干涉，销柱锁紧方式调整为“嵌入式”锁紧，轮毂内孔增加沉台，使用M12或M16螺栓连接工装；夹具整体效果如图6。

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图6 叶轮夹具示意图

2.3 刀具设计

加工刀具设计：为保证切削效果及足够的避让空间，设计专用刀具“棒棒糖”进行整体式加工，刀具组成结构及效果如图7所示。

图7 棒棒糖刀具设计图

刀柄夹持段：Φ6，主要起连接机床刀柄作用。

刀具避让段：Φ3.6-Φ6，长度60 mm，主要起避让、减重作用。

球形切削段：Φ6（0，-0.01），主要起切削作用。

同时为提高开粗效率，使用平底刀具进行第一轮开粗，最终梳理、确定刀具方案：

开粗刀具：采用Φ8、Φ10整硬平刀进行；

半精、精加工刀具：采用Φ6、Φ8棒棒糖刀具进行，如图8所示。

图8 整体加工刀具方案清单

2.4 编程软件及策略设计

编程软件选择了行业内著名的叶轮叶盘CAM软件：美国CONCEPTS NREC公司MAX-SI闭式叶轮加工专用模块，最终解决了机床A轴角度限制问题，完成了整体式叶轮加工，加工过程图如图9。

图9 闭式叶轮整体加工过程

3 实验结果分析

3.1 叶轮加工尺寸精度检测

径向尺寸Φ42（0，+0.025），实际测量结果Φ42.014 5 mm；

同心度要求0.015 mm，实际测量结果在0.000 6～0.011 9 mm之间；

符合图纸尺寸公差要求，如图10所示。

图10 三坐标尺寸检验报告

3.2 叶轮性能检测

为进一步确定整体加工叶轮效果，我们将叶轮换上了成品机组，从试验数据看，整体加工叶轮性能优于焊接叶轮，效果良好。如图11所示，装上整体加工叶轮后，在同样运行工况下（如名义制冷、最大制冷），性能系数提升2 %以上。

3.3 首次动平衡精度检测

整体加工叶轮较焊接叶轮首次不平衡量，吸气侧下降29.3 %，排气测下降42.2 %，精度明显提升。具体数据见图12。

图12 整体加工叶轮与焊接叶轮首次动不平衡数据对比

3.4 制造周期对比

3.4.1 制造工序精简

整体加工叶轮工序减少至6道，较焊接叶轮工序减少53.8 %。

3.4.2 等待时间缩短

假设理论工序等待时间平均为2 h（以商用大型压缩机实际生产节拍计算），则焊接叶轮制造周期=（74.9+12*2）=98.9 h；整体加工叶轮制造周期=（70.6+5*2）=80.6 h，提效18.5 %；工序越多，等待时间越多，制造周期越长。

3.5 制造成本对比

分别从材料、机加工、焊接、检验等方面逐项细化对比：

3.5.1 材料成本

材料成本：单个节约780 元，材料成本下降43.8 %；按年产1 200 台计算，年度可节约加工材料成本约187.2万元（780*2*1 200=187.2万）。

3.5.2 机加工成本

焊接叶轮单件机加工成本1 420.8元，整体加工叶轮机加工时长，单件机加工成本5 251.2元，较焊接叶轮高270 %。如图13所示。

图13 整体加工叶轮与焊接叶轮机加工成本对比

3.5.3 焊接成本

单件焊接成本1 428.78 元，整体加工可省去此项。

3.5.4 检验成本

整体加工叶轮较焊接叶轮，每件节省14.8 %成本。如图14所示。

图14 整体加工叶轮与焊接叶轮检验成本对比

3.5.5 综合成本

综合材料、机加工、焊接、检验等各项成本，焊接叶轮单件5 345.38元，整体加工叶轮单件6 861元，成本高于焊接成本（高28.4 %），主要体现在机加工成本上。如图15所示。

图15 整体加工叶轮与焊接叶轮综合成本对比

4 结论

本文验证了闭式叶轮的整体加工方案，从实验数据看，在动平衡精度、叶轮性能、制造周期方面，较常规制造方案均有明显优势，验证效果良好，主要有以下两个关键技术点：

1）关键技术点一：整体加工方案设计

整体加工叶轮在商用空调领域属于首创，对于工艺技术人员来说，是一次全新的挑战与创新。与焊接叶轮制造过程不同，整体加工工序更少，对于工艺方案要求更清晰、更严格。

2）关键技术点二：棒棒糖刀具设计

根据叶轮结构及模拟仿真结果，刀具长径比（长度/直径）高达13倍，如何保证刀具刚性及叶轮加工效果？为解决这个问题，只能通过寻找“刀具避让段”最大临界尺寸，来保证刀具的最佳使用效果；我们利用MAX-SI软件，多次计算刀具参数，最终得到“刀具避让段”最大临界值，确定了刀具设计方案。

通过以上关键技术点攻关及该项目的研究与应用，成功开发了新一代商用空调离心叶轮加工技术，整体加工叶轮较焊接叶轮首次动平衡精度明显提升，制造工序精简53.8 %，制造精度、效率均有明显提升，进一步增加了产品竞争力。