利用翼型结构型材制造高效节能风机叶轮的方法

摘要

本发明公开了利用翼型结构型材制造高效节能风机叶轮的方法，属于风机叶轮加工领域。本发明采用标准翼型风机叶片型材，通过叶片型材的扭角、叶片根部与轮毂接触曲面的加工、叶轮连接件的设置、叶片表面修饰、叶片与轮毂的联接和叶轮表面进行防腐保护处理加工制造低噪节能风机叶轮。该方法在满足用户的个性化设计要求的同时实现叶片的大批量规模化生产，生产效率高、产品性能好，可广泛地应用在多种风机叶轮的加工制造中，具有很好的推广应用价值。

说明书

                         技术领域

本发明涉及一种风机叶轮的加工方法，更准确地说是利用翼型结构型材制造高效节能风机叶轮的方法。

                          背景技术

风机叶轮的性能在很大程度上取决于风机叶轮叶片的形状，而现有技术中，翼型风机叶片通常的加工方法是模压、铸造，靠模铣、手工修形的方法加工成形，叶轮重、能耗高，大规模生产难度大，质量不易保证。目前还没有一种具有明确加工基准、可以真正适应大批量规模化生产翼型风机叶片的加工方法。公开号为CN 1406708A的专利文献中公开了一种轴流风机叶片加工方法，它是在挤压机上挤压出机翼型等截面铝合金型材，然后用夹具夹住叶片两端或将叶片分成若干段夹住每段两端给叶片毛坯一扭转力矩，使叶片产生扭转变形。此方法存在以下不足：(1)受风机使用条件的影响，叶片的形式也就多种多样，所以加工时就会对应多种截面形式的型材，而此发明中整个加工过程无明确的加工基准，不仅难以形成大批量、标准化、系列化的生产，而且会严重影响风机的性能，使产品性能与设计结果、样机性能有较大的差异，难以达到设计要求；(2)扭角加工方法上存在不足，文件中公开的方法之一：“用夹具夹住叶片两端，让两夹具间相对旋转，给叶片毛坯一扭转力矩”，此方法加工出来的叶片，从叶根到叶顶各部位的扭角均匀一致，不能达到风机叶片各位置扭角值变化的气动力设计要求；方法之二：“将叶片分成若干段，夹住每段的两端让两夹具相对旋转，给叶片毛坯一扭转力矩，使叶片产生扭曲变形”，此方法虽然可以使叶片的叶根到叶顶各部位产生不同的扭角，但扭角值难以形成连续、均匀的变化，同样会影响风机的性能。

风机性能对叶片的安装角和叶片与轮毂之间接触曲面的配合有很高的精度要求，而对于带有一定扭角的风机叶片，这个曲面的加工就非常困难，目前一般还只是采用手工磨锉的方法加工，但这种方法生产效率和精度都很低，很难保证叶片与轮毂的连接精度。

                          发明内容

本发明的技术任务是针对上述现有技术中的不足，提供一种利用翼型结构型材制造高效节能风机叶轮的方法，该方法生产的风机叶轮因其叶片具有连续变化的扭角值及叶片与轮毂高精度的定位连接，可以很好的符合空气动力学要求，使批量生产的风机具有与样机一致的高性能。

本发明的技术任务是按以下方式实现的：利用翼型结构型材制造高效节能风机叶轮的方法，是采用标准翼型风机叶片型材，通过叶片型材的扭角、叶片根部与轮毂接触曲面的加工、叶轮连接件的设置及叶片表面修饰、叶片与轮毂的联接，加工制造低噪节能风机叶轮；

其加工步骤如下：

1)翼型风机叶轮叶片型材的加工步骤是：

a)根据不同用途风机的性能要求设计翼型叶片的截面结构，然后通过挤压、挤出的方法制作铝合金、塑料翼型叶片型材；

b)根据风机叶片尺寸要求切割型材下料；

2)叶片的扭角设计加工：

a)通过对叶片扭角曲线的线性化处理，找出曲线中间部位一个折点，作为叶片扭角加工时径向定位的限位点A，分别计算出从叶根到A点的扭角差Δβ₁和从A点到叶顶的扭角差Δβ₂，整个叶片的扭角为Δβ＝Δβ₁+Δβ₂；

b)以叶片型材剖面上的中心轴孔作为扭转轴，点A所在截面为限位截面，叶片型材两端为加力扭转截面使叶片型材产生扭角变形，其中，限位截面与两个加力扭转截面之间的扭角差分别为Δβ₁、Δβ₂；

3)叶片根部与轮毂接触曲面的加工

设定一加工平面，并设定该平面上的一点为轮毂的虚拟中心，以轮毂的半径确定带锯条与该虚拟中心的间距；推动叶片以虚拟中心为旋转中心，平行于加工平面的方向旋转，在叶片通过带锯条时，即可在叶片根部加工出与轮毂相吻合的接触曲面；

4)叶轮连接件的设置

以螺柱为叶片与轮毂的连接件，将其一端固定在叶片的定位孔中，另一端用于将叶片与轮毂固定为一体；

5)叶片表面修饰

对叶片顶部进行堵孔处理；

6)叶片与轮毂联接

用螺柱按照计算确定的安装角，将叶片固定在轮毂上。

7)对叶轮进行防腐保护处理；

在叶片型材强度刚度不能满足叶片扭角要求时，在叶片生产过程中还应对叶片进行增强处理。

对叶片进行增强处理时可以在叶片空心部分填充入填充物质。

在采用铝合金型材制造翼型风机叶片时，要将型材硬度控制在维氏70-90度之间。

叶片根部与轮毂接触曲面的加工还可以采用以下方案：设定一加工平面，并设定该平面上的一点为轮毂的虚拟中心，以轮毂的半径确定叶片根部与该虚拟中心的间距；使切割锯条以虚拟中心为旋转中心，平行加工平面方向通过叶片根部作圆周运动，即可在叶片根部加工出与轮毂相吻合的接触曲面。

设置叶轮连接件时可以选择叶片根部端面上的1-3个孔作为定位孔，这些孔既可以是叶片的中心轴孔，也可以是质量调节孔。

在对叶片进行顶部堵孔处理时可以用以下方法中的一种：①焊接封孔；②填塞堵孔。

在对叶轮进行防腐保护处理时，可以采用以下工艺中的一种：氧化、喷漆、喷塑。

还可以通过焊接的方法将叶片与轮毂固定为一体。

在进行叶片型材的加工时，叶片型材截面结构设计要遵循以下技术要求：

1、根据风机使用的要求，选定相适应的标准航空气动力翼型。在选择翼型时除了升阻比系数一定要高之外，必须考虑叶片的连接结构强度和连接方式。

2、叶片型材的截面结构中心轴线和工艺加工轴线合一，截面的重心位置一定在中心轴线前方，同时在风机工况变化时，压力中心变化范围应落在重心的前方位置上，保证风机叶片的操控稳定性。中心轴线即为中心轴孔的轴心线。

3、叶片型材的截面结构，在满足刚度、强度的前提下，要尽可能多地设计一些方形或圆形质量调节孔，减轻重量、提高空心率，保证结构最轻。在采用挤压成形工艺时，保证截面各部分的收缩率相协调。

本发明的带中心轴孔翼型叶片的加工方法具有以下突出的有益效果：

(1)在整个风机叶轮的加工过程中，叶片型材的中心轴孔始终作为明确的加工基准，使风机叶轮实现了大批量精确加工；

(2)在叶片的扭角加工中，以限位点A所在截面为限位截面，叶片型材两端为加力截面对叶片进行扭角加工，既可以满足风机叶片从根部到叶顶扭角不断变化的要求，又可以满足扭角值要连续变化的要求；

(3)铝合金材料叶片型材的硬度控制在维氏70-90度之间，使型材既有一定的弹性和刚度，又可以产生一定的塑性变形，利用型材的塑性变形扭角，又利用型材的弹性使叶片的扭角的变化是连续的，平滑过渡的，并且在风机运转中不会再改变；

(4)叶片根部的加工方法，克服了手工磨锉方式的诸多不足，大大提高了加工效率和精度。

                           附图说明

附图1-7为实现本发明的叶片型材的几种典型的剖视结构示意图；

附图8为叶片与轮毂连接的双螺柱结构示意图；

附图9为叶片与轮毂连接的三螺柱结构示意图；

附图10为叶片与轮毂连接的主螺柱轴受力，小定位螺柱定桨距结构示意图；

附图11为叶片与轮毂连接的螺柱镶嵌块结构示意图；

附图12为叶片与轮毂连接的纵向大梁连接结构示意图；

附图13为本发明的叶轮结构示意图；

附图14为用于实现本发明的方法中扭角加工部分的扭角设备的一种实施例的结构示意图；

附图15为图14中扭角设备的左视结构示意图；

附图16为图14中扭角设备的俯视结构示意图；

附图17为图14中扭角设备的A-A向剖视结构示意图；

附图18为本发明的利用翼型结构型材制造高效节能风机叶轮的方法中用于叶片型材根部切割加工的切割设备一种实施例的结构示意图；

附图19为图18中切割设备A处的局部放大结构示意图；

附图20为图18中切割设备的B-B向剖视结构示意图；

附图21为图18中切割设备的C-C向剖视结构示意图。

图中：

1-1.中心轴孔；1-2.质量调节孔；

2-1.基座；2-2.固定机架；2-3.滑动导杆；2-4.扭角转盘；2-5.夹具转盘；2-6.扳动加力柄；2-7.调节螺栓；2-8.圆周刻度环；2-9.中心定位销；2-10.滑动机架；2-11.滑槽；2-12.夹板；

3-1.滑块；3-2.定位顶杆；3-3.动割台；3-4.待加工叶片；3-5.支架；3-6.带锯条；3-7.定位转轴；3-8.梯形槽；3-9.工作台；3-10.带锯槽；3-11.锯床；3-12.角度调节盘：3-13.顶丝；3-14.模孔夹板；

4-1.叶片；4-2.螺柱；4-3.螺母；4-4.轮毂。

                            具体实施方式

参照说明书附图和具体实施例对本发明的利用翼型结构型材制造高效节能风机叶轮的方法作以下详细地说明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1：叶片型材

本发明所使用的叶片型材已在申请人本人提交的专利文件中公布(专利号：200420052872.4；发明名称：带中心轴孔的中空翼型风机叶片型材)。

其型材典型的截面设计结构可分为如下几类：

一、在扭角时无需填充的成型叶片截面结构，如附图1、2、5、6；

二、在扭角时必须填充的成型叶片截面结构，如附图3、4；

三、可以修型的叶片截面结构，如附图5、6；

四、组合式插接结构翼型截面结构，如附图7。

实施例2：叶片扭角时无需填充的风机叶轮的制造(叶片剖面结构见附图1、2、5、6所示)

步骤：

(1)根据不同用途风机性能指标的要求以及前面提到的叶片的设计要求设计翼型叶片的结构，然后通过挤压的方法制作铝合金翼型叶片型材，型材硬度控制在70-90度之间；

根据风机叶片尺寸要求切割型材下料；

(2)利用扭角设备对型材进行扭角加工。

(3)利用切割设备对型材根部进行切割加工；

(4)叶轮连接件的设置

选择合适型号的螺柱为叶轮连接件，将螺柱的一端固定在叶片根部的定位孔中；

(5)叶片表面修饰

使用焊接封孔或填塞堵孔对叶片顶部进行堵孔处理；

(6)叶片与轮毂联接

用固定在叶片上的螺柱和相对应的螺母，按照计算得到的安装角，将叶片固定在轮毂上。

(7)对组装好的叶轮进行氧化、喷漆或喷塑等防腐保护处理。

实施例3：叶片扭角时必须填充的风机叶轮的制造(叶片剖面结构如附图3、4所示)

步骤：

(1)根据不同用途风机的性能要求以及前面提到的叶片的设计要求设计翼型叶片的结构，然后通过挤压的方法制作铝合金翼型叶片型材，型材硬度控制在70-90度之间；

根据风机叶片尺寸要求切割型材下料；

(2)利用细砂或其它材料填充型材方孔；

(3)利用扭角设备对型材进行扭角加工；

(4)清除粉状填充材料；

(5)利用切割设备对叶片根部进行切割加工；

(6)叶轮连接件的设置

根据叶片所受风压选择合适型号的螺柱为叶轮连接件，将螺柱的一端固定在叶片根部的定位孔中；

(7)叶片表面修饰

对叶片顶部进行焊接封孔或填塞堵孔；

(8)叶片与轮毂联接

按照计算得到的安装角，将叶片连接在轮毂上。

(9)对组装好的叶轮进行氧化、喷漆或喷塑等表面防腐保护处理。

实施例4：扭角加工设备及使用

如附图14-17所示，实现本发明的加工方法的叶片扭角设备，其结构包括基座2-1、固定机架2-2和滑动机架2-10，固定机架2-2设置在基座2-1的两端，四个滑动导杆2-3固定在两个固定机架2-2之间，两个滑动机架2-10设置在两个固定机架2-2之间的滑动导杆2-3上，并能沿滑动导杆2-3左右滑动，其中一个固定机架2-2和两个滑动机架2-10上设置有叶片夹紧扭角装置。

叶片夹紧扭角装置由夹具转盘2-5、扭角转盘2-4、圆周刻度环2-8、滑槽2-11、夹板2-12、调节螺栓2-7和扳动加力柄2-6构成，夹具转盘2-5和扭角转盘2-4背靠背的镶嵌在机架中央的圆孔内，顶端设置有中心定位销2-9的圆周刻度环2-8设置在转盘外侧且固定在机架的两面上，转盘的轴心和圆周刻度环2-8的轴心都与机架中央圆孔的轴心一致，夹具转盘2-5的外侧固定有滑槽2-11，夹板2-12设置在滑槽2-11内，夹板2-12的上端设置有调节螺栓2-7，夹板2-12可通过调节螺栓2-7在滑槽2-11内做开启闭合滑动，夹板2-12闭合时夹板中央为与叶片型材外形相同的翼型孔，扭角转盘2-4的外侧上端固定有扳动加力柄2-6。

为了方便地确定机架间的相对距离，即限位截面与扭转截面的距离，可以在基座2-1上设置长度刻度。

在进行扭角加工之前，要对三个夹具装置进行同轴度检测，同轴度误差不大于0.05毫米，三个夹具装置以型材的中心轴孔作为回转中心，同时在进行扭角操作时以型材的中心轴孔的轴线为轴扭转；通过对叶片扭角曲线的分析，找出曲线中间部位一个折点，作为叶片扭角加工时径向定位的限位点A，分别计算出从叶根到A点的扭角差Δβ₁和从A点到叶顶的扭角差Δβ₂，整个叶片的扭角为Δβ＝Δβ₁+Δβ₂；型材叶片夹持在三个扭角转盘2-4中，中间扭角转盘2-4在圆周方向固定不动，两端的两个扭角转盘2-4，分别按照Δβ₁和Δβ₂进行扭转，使叶片产生扭角。

前面所述为加力扭角成型最基本的人工加力操作设备，除此之外还可以实施为液压、电动或智能加力操作自动或半自动加工设备。

实施例5：叶片根部与轮毂联接处相贯曲面的加工设备及加工方法

实现本发明的加工方法的叶片切割设备，如附图18-21所示，在锯床3-11的工作台3-9上设置有动割台3-3，动割台3-3的一端设置有定位转轴3-7，定位转轴3-7将动割台3-3和工作台3-9连接在一起，并可使动割台3-3绕定位转轴3-7转动，动割台3-3的另一端设置有叶片定位器；动割台3-3中部靠近锯床3-11的带锯条3-6的部位设置有角度定位器，带锯条3-6下端固定于动割台3-3的带锯槽3-10中。定位转轴3-7和叶片定位器的滑块3-1分别可以在动割台3-3的梯形槽3-8中滑动。

调整定位转轴3-7在动割台3-3上的位置，使定位轴3-7到锯床3-11的带锯条3-6之间的距离等于待加工叶片3-4对应的轮毂的半径，将待加工叶片3-4用模板夹板3-14固定好，安装在角度调节盘3-12上，旋转角度调节盘3-12使待加工叶片3-4被加工端的倾斜角度等于叶片在轮毂上的安装角，用支架3-5顶端的顶丝3-13将角度调节盘3-12固定住使之不能转动；调整叶片定位器的滑块3-1的左右位置和定位顶杆3-2在滑块3-1上的高度，使定位顶杆3-2能顶紧待加工叶片3-4的尾端，使待加工叶片3-4的中心轴孔的轴线处于水平并与定位轴3-7的轴心相交，开动锯床3-11，带锯条3-6工作，扳动动割台3-3尾端，使动割台以定位转轴3-7为中心转动，带锯条3-6从待加工叶片3-4上割过，得到所需曲面。

如果待加工叶片3-4的轮毂为锥形，可以调节工作台3-9，使工作台3-9倾斜一定角度，倾斜角度的大小等于锥形轮毂顶角的一半，这样就可以加工出符合锥形轮毂的接触曲面了。

上述相贯面的加工是固定带锯条3-6，以定位轴3-7的位置为虚拟中心及旋转中心旋转叶片3-4，从而形成带锯条3-6与叶片3-4的相对移动来实现相贯面的加工的。另外，还可以固定叶片位置，以切割锯条的旋转来实现相贯面的加工，可以起到同等效果。

实施例6：叶片与轮毂连接

如附图13所示，以叶片的中心轴孔为连接轴心，靠近叶片前缘的质量调节孔为螺柱固定孔，连接时，螺柱4-2的一端固定在叶片4-1的中心轴孔和质量调节孔内，另一端通过螺母4-3固定在轮毂4-4上。

叶片还可以通过焊接的形式固定在轮毂上，但在焊接过程中，定位夹具的设计要以叶片的中心轴孔的轴心线作为设计基准。