浅议涡轮的加工与测量

[摘 要]通过对计量产品中的关键零件――涡轮的加工工艺和测量方法的探讨，为技术部门选择技术方案，拟定涡轮加工工艺及为检测其各部位的关键尺寸提供技术支持。从而为提高计量产品的精确度提供技术保障。

[关键词]涡轮 加工 测量

中图分类号：TG661 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）11-0090-02

一、引言

涡轮是计量产品中的关键零件，其制造误差会影响计量产品的精确度。为使计量产品提高精确度并获得质量的稳定性，首要条件是要求各零部件要有稳定的质量。而涡轮的重量，叶片厚度，迎风面角度是涡轮的重要指标参数，对其质量的控制至关重要，其中叶片最不易加工。由于加工批量不同，迫切需要用特殊的方法来检测其叶片厚度和迎风面角度，以区分同规格，但不同批量的涡轮在加工上的差异，来满足生产的需要。

二、涡轮的结构与加工工艺（方法与手段）

为提高计量产品最小流量时的灵敏度，扩大量程比，涡轮的材质一般选用锻铝（比重为2.7）或为聚甲醛（比重为1.2）。以DN100口径的涡轮为例，其构造见图Ⅰ。

此叶片为平板叶栅式等螺旋叶片，16头，左旋。我国目前还没有这方面的正式国家标准。

从图中可知，除叶片加工有难度外，其余用一般普通工艺方法加工就能达到要求。为此，经分析涡轮加工不外乎有以下两种方法：

1.用普通车床加工涡轮叶片的工艺

以上述涡轮（如图Ⅰ）锻铝为例，其加工路线为：

锻造（或棒料下料φ110×350）车端面、打中心孔放余量粗车外圆按要求热处理精车外圆至图纸尺寸车涡轮叶片（16头）放余量钻孔，精车端面、端面上的中间凹槽、内孔、倒角至图纸尺寸，放0.5mm余量割下调面。精车端面、端面上的中间凹槽、倒角至图纸尺寸涡轮叶片一侧倒角喷丸处理零件检验入库。

用车床加工涡轮叶片，如同加工多头蜗杆，需已知螺距。由涡轮设计图纸可算出此叶片的螺距为：

t=C×tg（900-β）， 其中C=2πR

得出： t=2πR×tg（900-β） （1）

式中： t――螺距 C――涡轮叶片顶圆周长 β――螺旋升角 R――涡轮叶片顶圆半径

按上式DN100涡轮（如图Ⅰ）的螺距为t=2π×52×tg（900-33.50）=493

显然，加工这么大的螺距，必须对车床进行改制，或调换车床上的挂轮齿数比配，以获得所要求的螺距。

另外，还有两种仅为加工涡轮叶片的方法可讨论：

第一种方法，对上述涡轮叶片采用的是先加工成一个长度超出螺距长度的数个涡轮，然后，再将其每个切割下后成型。

第二种方法，也可将每个涡轮先加工成型（除叶片外），然后利用内孔用芯棒将数个涡轮连在一起，再用车床加工涡轮叶片（如图Ⅱ）。

图Ⅲ：铣床加工涡轮叶片

采用上述车床加工工艺，显然，涡轮叶片表面质量好，精度高，效率也高。无疑，适合于大批量生产。这是其它加工手段无法取代的优点。缺点是对操作者的技能要求较高。

2.用普通铣床加工涡轮叶片的工艺

同样以上述涡轮（如图Ⅰ）锻铝为例，其加工路线为：

锻造（或棒料下料φ110×35）放余量钻孔，粗车端面、外圆、端面上的中间凹槽调面。放余量粗车端面、外圆接平、端面上的中间凹槽按要求热处理精车端面、外圆、端面上的中间凹槽、内孔、倒角至图纸尺寸调面。精车端面、端面上的中间凹槽、倒角至图纸尺寸铣涡轮叶片（16头）一侧倒角喷丸处理零件检验入库。

用铣床加工涡轮叶片，是将每个涡轮先加工成型（除叶片外），然后利用内孔用芯棒将数个涡轮连在一起，用铣刀加工涡轮叶片，见图Ⅲ。

显然，用铣床加工涡轮叶片的方法，变形大，表面质量不如车床加工来得好，精度不高，效率也不高，可适合小批量生产。但对铣床也要进行改制，以保证获得叶片的螺旋升角。其优点是，对操作者的技能要求不是很高。

三、涡轮的测量

涡轮零件加工完成后，除叶片厚度及螺旋升角难以测量外，其它尺寸用通用量具就可测量。而叶片厚度及螺旋升角由于不在一个平面上，它是一个曲面或圆弧面，这就要求必须使用专门的量具来进行检测。经分析思考目前有以下几种检测方法可以实现：

1.用三坐标进行检测

用三坐标可以测量涡轮叶片的厚度及螺旋升角，但测量计算繁琐，效率低下，投入费用高，对测量人员有一定要求，又不适合现场测量。只能作为最终判断测量结果的一种手段。

2.用专用游标卡尺或千分尺测量叶片的厚度

用专用游标卡尺或专用千分尺测量叶片厚度的方法是设想将两卡爪头部做成球面，见图Ⅳ或图Ⅴ。

专用游标卡尺的测量读数可达0.02mm。专用千分尺测量读数可达0.001mm。

以上两种测量方法是将面接触变成点接触，可满足测量要求。现场测量，效率高，量具的制造也不复杂，且投入少，操作简便，对测量人员要求也不高。是较理想的涡轮叶片厚度测量量具之一。

3.涡轮叶片螺旋升角的测量

涡轮叶片螺旋升角的测量有两种设想方法，分别为直接法和间接法。

（1）直接法测量操作简单，直观。就像样板一样，见图Ⅵ。量具可用透明的有机玻璃制成，以被测涡轮的内孔定位，在叶片外沿的圆周某一点上刻出有角度的引线，并在底面以此点为基准，安装一支点，作为量角度的起点。

此法量具制造简单，可现场使用。但只能测量同规格的涡轮，通用性不强，精度也不高，测量读数在0.50（30′）内。

（2） 间接法测量操作也简单，但不直观，测量结果要通过计算得出。同样以被测涡轮的内孔定位，在上、下分度盘上各有一支点，在上分度盘上有刻度盘，以两支点的圆周距离来测量某一叶片的螺旋升角，见图Ⅷ。

此法量具制造也不复杂，可现场使用，并能移动上、下分度盘上的支点，用于测量不同规格的涡轮，通用性强，一般可取DN50～DN100为同一档规格，精度也高，测量读数在0.0330（2′）内。不足之处在于，测量后要通过计算才能得出涡轮叶片的螺旋升角。同样，以DN100涡轮为例，测量角度应为：

α=H×3600/ 2πR×tg（900-β） （2）

式中：H――量具下分度盘至测量块的高度

若H为20mm，则：α=20×3600/ 2π×52×tg（900-33.50）=14.590

反之。知测量结果α，就可求出涡轮叶片的螺旋升角β是否符合设计图纸的要求。

另外，在平面上滚动涡轮圆周，将涡轮螺旋升角复印在平面上，然后用量角器测量平面上的涡轮螺旋升角也是一种间接的方法。

四、结束语

综上，计量产品中的涡轮加工，可结合本公司的设备，操作者的技能和产品的批量，来选择拟定加工方案。

在检测上，涡轮叶片的厚度，无论是用专用游标卡尺还是用专用千分尺测量都是可行的。而涡轮螺旋升角，用直接法测量，速度快；用间接法测量，准确度高，但计算复杂。总之，测量手段视现场情况，可综合运用。

以上涡轮螺旋升角间接法测量方面还亟需解决改进，即能否将间接法的刻度读数先通过计算后，改变成直接刻度读数或做成一个模块使用液晶读数来表示。若能实现，这无疑是一种较理想的涡轮螺旋升角测量专用量具之一。

参考文献

[1] 赵如福《金属机械加工工艺人员手册》（第四版）上海科学技术出版社 2006.10.1

[2] 孔晓玲《公差与测量技术》北京大学出版社，2009.8