一种船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法与流程

本发明涉及叶轮制造领域，具体而言，涉及一种船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法。

背景技术：

1、船用生活污水处理泵、循环泵等设备中的叶轮长期接触含氯离子、盐分及悬浮颗粒的介质，部分铜合金叶轮在实际使用过程中容易出现腐蚀、冲蚀和磨损。对于进口或非标泵组，叶轮损坏后往往还存在备用件价格高、供货周期长的问题，难以满足现场快速恢复设备运行的需要。

2、传统叶轮一般采用铸造后机械加工或整料切削方式制造。对于单件或小批量应急替换，重新开模和铸造周期较长；采用整料切削时，连续螺旋叶片与中心轮毂之间空间受限，材料去除量较大，加工可达性和加工效率均受到限制。

3、现有增减材复合制造通常侧重于单一增材热源与减材加工的交替使用，或者仅根据厚大区域和复杂区域选择不同增材方式。若将电弧送丝和激光同轴送粉增材联合用于叶轮的制造，还需要解决三个相互关联的问题：其一，如何使电弧送丝形成的轮毂经中间减材后成为高精度、可重复定位的基体；其二，如何在激光同轴送粉阶段使喷嘴、粉末流和激光束能够始终以合适姿态作用于各层沉积位置，进而完整成形整个连续螺旋叶片；其三，如何使激光增材后的叶片与最终五轴精加工继续沿用同一基准体系，避免工艺转序产生的定位误差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，以解决现有技术中需要在船载条件下应急制造叶轮时，需要重新开模以及铸造造成周期较长，或者采用整料切削时材料去除余量较大的问题。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，包括如下步骤：

4、s1.获取目标叶轮的三维几何数据；

5、s2.对目标叶轮进行制造对象划分，轮毂作为轮毂基体区，通过电弧送丝增材制造，连续螺旋叶片整体作为叶片区，通过激光同轴送粉增材制造，中心通孔在中间五轴减材阶段加工形成；

6、s3.采用电弧送丝增材制造单一圆柱轮毂毛坯；

7、s4.对电弧送丝增材所得的圆柱轮毂毛坯实施中间五轴减材加工；

8、s5.将完成加工的轮毂安装在五轴设备的回转轴上，通过激光同轴送粉从轮毂外表面开始，沿目标螺旋轨迹逐层沉积形成叶片；

9、s6.采用五轴数控加工对叶片进行二次精加工，去除激光增材余量并获得目标叶片的厚度、螺距和流道轮廓；

10、s7.完成尺寸、形位精度、静平衡或动平衡检测，并根据实际需要进行去毛刺、表面处理和装机验证。

11、可选的，步骤s1中，三维几何数据至少包括中心通孔的尺寸、端面的尺寸、叶片的叶片螺距及叶片厚度。

12、可选的，步骤s3中，轮毂毛坯仅包括形成轮毂的圆柱实体，并为中心通孔、轮毂的外圆和两个端面预留中间减材余量。

13、可选的，步骤s4中，先加工中心通孔或定位轮毂的外圆建立回转轴线基准，并加工轴向端面及周向定位特征；随后精加工轮毂的外圆，使轮毂成为后续激光增材的基体，周向定位特征用于与定位工装配合确定轮毂绕自身轴线的角位置。

14、可选的，步骤s5中，将完成加工的轮毂相对于电弧送丝增材时的轴向姿态旋转90°，并将轮毂水平安装在五轴设备的回转轴上，使轮毂的中心轴线与回转轴的轴线相重合，激光同轴送粉的喷嘴布置在轮毂外圆工作点上方或其局部法向方向，通过回转轴的连续转动与直线轴向进给的联动，首层使激光束和粉末流在同一汇聚区域作用于轮毂外表面，后续各层作用于已沉积叶片的生长部位，并随叶片径向高度调整喷嘴位置，沿目标螺旋轨迹逐层形成叶片。

15、可选的，步骤s5中，叶片从轮毂的外表面开始逐层、逐道堆积至目标径向近净形高度，整个连续螺旋叶片均由粉末沉积形成，并预留最终五轴减材所需的均匀余量。

16、可选的，步骤s6中，激光同轴送粉增材完成后，使工件冷却，并利用步骤s4形成的中心通孔的回转轴线或者轮毂的外圆的回转轴线、端面及周向定位特征重新进行定位，或者，保持同一基准装夹，随后采用五轴数控加工对叶片两侧的水力型面、叶缘、叶根过渡区及轮毂配合面进行二次精加工，去除激光增材余量并获得目标叶片的厚度、螺距和流道轮廓。

17、可选的，轮毂和叶片采用相同牌号或冶金相容性的材料。

18、可选的，电弧送丝增材可采用cmt、mig/mag、tig送丝或等离子送丝中的任一种。

19、可选的，叶片增材采用激光同轴送粉方式，不采用侧向送粉。

20、相对于现有技术，本发明的一种船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法具有以下优势：

21、（1）本发明仅利用电弧送丝制造几何简单的单一圆柱轮毂，可减少激光沉积体积和粉末消耗；整个连续螺旋叶片由激光同轴送粉增材形成，可降低叶片区域热输入并提高复杂叶片的近净成形能力。

22、（2）中间五轴减材建立中心通孔、外圆和端面统一基准，并使轮毂具有可重复转位的高精度几何基础；轮毂旋转90°后仍可通过芯轴与中心通孔的配合、端面及周向定位特征重复建立工件基准及相应坐标关系，从而降低增材转序与最终精加工中的定位误差。

23、（3）轮毂水平安装后，回转轴运动与设备直线轴/摆动轴协同，能够使同轴送粉沉积点沿连续螺旋轨迹稳定移动，为整个叶片由粉末直接近净成形提供明确的可实施运动方式。

1.一种船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，步骤s1中，三维几何数据至少包括中心通孔（1）的尺寸、端面（4）的尺寸、叶片（3）的叶片螺距及叶片（3）厚度。

3.根据权利要求1所述的船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，步骤s3中，轮毂（2）毛坯仅包括形成轮毂（2）的圆柱实体，并为中心通孔（1）、轮毂（2）的外圆和两个端面（4）预留中间减材余量。

4.根据权利要求1所述的船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，步骤s4中，先加工中心通孔（1）或定位轮毂（2）的外圆建立回转轴线基准，并加工轴向端面（4）及周向定位特征；随后精加工轮毂（2）的外圆，使轮毂（2）成为后续激光增材的基体，周向定位特征用于与定位工装配合确定轮毂绕自身轴线的角位置。

5.根据权利要求1所述的船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，步骤s5中，将完成加工的轮毂（2）相对于电弧送丝增材时的轴向姿态旋转90°，并将轮毂（2）水平安装在五轴设备的回转轴上，使轮毂（2）的中心轴线与回转轴的轴线相重合，激光同轴送粉的喷嘴布置在轮毂（2）外圆工作点上方或其局部法向方向，通过回转轴的连续转动与直线轴向进给的联动，首层使激光束和粉末流在同一汇聚区域作用于轮毂外表面，后续各层作用于已沉积叶片的生长部位，并随叶片径向高度调整喷嘴位置，沿目标螺旋轨迹逐层形成叶片（3）。

6.根据权利要求1所述的船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，步骤s5中，叶片（3）从轮毂（2）的外表面开始逐层、逐道堆积至目标径向近净形高度，整个连续螺旋叶片（3）均由粉末沉积形成，并预留最终五轴减材所需的均匀余量。

7.根据权利要求1所述的船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，步骤s6中，激光同轴送粉增材完成后，使工件冷却，并利用步骤s4形成的中心通孔（1）的回转轴线或者轮毂（2）的外圆的回转轴线、端面及周向定位特征重新进行定位，或者，保持同一基准装夹，随后采用五轴数控加工对叶片（3）两侧的水力型面、叶缘、叶根过渡区及轮毂（2）配合面进行二次精加工，去除激光增材余量并获得目标叶片（3）的厚度、螺距和流道轮廓。

8.根据权利要求1所述的船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，轮毂（2）和叶片（3）采用相同牌号或冶金相容性的材料。

9.根据权利要求1所述的船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，电弧送丝增材可采用cmt、mig/mag、tig送丝或等离子送丝中的任一种。

10.根据权利要求1所述的船载条件下水泵叶轮分区增减材复合应急制造方法，其特征在于，叶片（3）增材采用激光同轴送粉方式，不采用侧向送粉。