本文從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度分析了葉片軸向高度h、節(jié)距a、葉片角α、葉片數(shù)z、葉片厚度δ 等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓縮比的影響，并基于分析結(jié)論提出了薄葉片分子泵葉輪的設(shè)計(jì)思想;采用有限元計(jì)算分析渦輪分子泵運(yùn)行時(shí)葉片的應(yīng)力狀態(tài)，獲知葉片工作時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力幾乎與葉片厚度無(wú)關(guān)，從而為薄葉片的設(shè)計(jì)提供在強(qiáng)度理論方面的支持;最后，通過(guò)工藝優(yōu)化，試制出薄葉片的小型渦輪分子泵，該試制件在測(cè)試中轉(zhuǎn)速達(dá)到了60000 rpm，使用效果良好。

　　渦輪分子泵是一種高真空獲得設(shè)備，用于提供清潔的高真空環(huán)境，在電子工業(yè)、光學(xué)工程、表面科學(xué)等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。小型渦輪分子泵以其體積小，質(zhì)量輕，功耗少等優(yōu)勢(shì)，常用于要求真空度而不強(qiáng)調(diào)抽速的設(shè)備或儀器中，比如作為質(zhì)譜分析儀與檢漏儀的真空獲得設(shè)備。

　　渦輪分子泵以葉輪組作為其抽氣的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，葉輪組由交替排列的動(dòng)、靜葉輪組成，工作時(shí)動(dòng)葉輪高速旋轉(zhuǎn)，其速度接近分子熱運(yùn)動(dòng)速度，而靜葉輪保持靜止。本文針對(duì)某小型分子泵應(yīng)用需求，對(duì)其動(dòng)葉輪的設(shè)計(jì)與加工成型技術(shù)進(jìn)行了研究。

1、葉片設(shè)計(jì)

　　渦輪分子泵的抽氣特性主要體現(xiàn)為泵的抽速和壓縮比，而泵的壓縮比與葉輪級(jí)數(shù)成指數(shù)關(guān)系，增加葉輪級(jí)數(shù)可大大提高泵的壓縮比。工業(yè)設(shè)計(jì)中，一般希望各級(jí)葉輪的葉片軸向高度h 盡量小，這樣使得有限空間內(nèi)可放置盡量多列的葉輪，從而獲得更高的壓縮比。對(duì)于動(dòng)葉輪，葉片軸向高度h 主要由節(jié)距a 和葉片角α 確定的(忽略葉片厚度影響)，即如式(1)。

圖1 葉片幾何參數(shù)示意圖

　　葉片間的節(jié)距近似等于葉頂圓周長(zhǎng)與葉片數(shù)z 的商。因此葉片軸向高度可寫(xiě)為下式：

　　根據(jù)式(2)可見(jiàn)，增加葉片數(shù)或減小葉片角均可有效的降低葉片軸向高度h，并且葉片角的減小還可以增大單級(jí)葉輪的壓縮比，從而使泵的整體壓縮比提高。葉片角與壓縮比關(guān)系如圖2所示，圖2 中數(shù)據(jù)的計(jì)算條件為：輪圓周速度與分子熱運(yùn)動(dòng)速度比為C1= 0.5，節(jié)弦比a/b = 1。

圖2 葉片角與壓縮比關(guān)系(C1= 0.5,a/b = 1)

　　然而，直接增加葉片數(shù)z 或減小葉片角α 會(huì)導(dǎo)致葉輪的有效吸氣面積降低，從而影響抽速。有效吸氣面積計(jì)算公式為：

　　由式(3)可見(jiàn)，有效吸氣面積隨葉片數(shù)z 的增加或葉片角α 的減小而減小，但隨葉片厚度δ的減小而增加。因此，若希望增加葉片數(shù)或減小葉片角來(lái)降低葉片軸向高度，同時(shí)又不希望犧牲有效吸氣面積，則需要減小葉片的厚度。通常情況下，渦輪分子泵的各級(jí)葉輪的葉片角度由上游向下游逐漸減小，以獲得最優(yōu)的抽氣性能。本研究中設(shè)計(jì)了葉片角度不同的三種葉輪，其葉片角度分別為40°，30°，20°，它們的具體結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)如下表所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)葉輪比較

2、葉片應(yīng)力分析

　　分子泵葉輪的材料通常采用鋁合金，其彈性模量取70 GPa，泊松比為0.33。計(jì)算葉片角為30°但葉片厚度不同的兩個(gè)葉輪在60000 rpm 下轉(zhuǎn)動(dòng)的應(yīng)力狀態(tài)，它們的葉片厚度分別為0.6 mm和0.3 mm。

圖3 0.6mm 葉片動(dòng)葉輪應(yīng)力分析　圖4 0.3mm 葉片動(dòng)葉輪應(yīng)力分析

　　計(jì)算結(jié)果如圖3 與圖4 所示。從圖中可以看到，0.6 mm 的葉片在60000 rpm 轉(zhuǎn)速下的最大應(yīng)力出現(xiàn)在葉片的葉根附近，為30.4 MPa;而0.3 mm 的葉片在同樣轉(zhuǎn)速下，最大應(yīng)力也出現(xiàn)在葉根附近，為30.7 MPa�？梢�(jiàn)，在同一轉(zhuǎn)速下兩種葉片的最大應(yīng)力基本相等且位置相同。這是因?yàn)�，葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的載荷力為慣性力，而慣性力與質(zhì)量成正比，在葉片厚度減小使截面面積比例下降時(shí)，葉片的質(zhì)量也以同樣比例下降，因此所產(chǎn)生的應(yīng)力基本不變。

　　基于以上分析可知，葉片工作時(shí)產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力幾乎與葉片厚度無(wú)關(guān)，因此基本可以認(rèn)為葉片的強(qiáng)度條件也與葉片厚度無(wú)關(guān)，而主要依賴于葉片材料自身的強(qiáng)度。所以減小葉片厚度不會(huì)造成高速旋轉(zhuǎn)下的葉片強(qiáng)度條件的下降，這為薄葉片的設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)度理論方面的支持。

3、葉片制造工藝研究

　　一種動(dòng)葉輪的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，其加工難度主要體現(xiàn)在：①葉輪雖為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，但具有空間扭轉(zhuǎn)面。②葉輪轉(zhuǎn)速較高，需要達(dá)到較高的動(dòng)平

　　衡等級(jí)才能保證穩(wěn)定運(yùn)行。這要求運(yùn)動(dòng)零部件具有盡量小的殘余不平衡量，因此對(duì)葉輪的加工精度提出了很高的要求。但減薄后的葉片其結(jié)構(gòu)剛度較低，加工中易發(fā)生彎曲變形，從而影響加工精度。③葉輪的葉片間距非常小(30°葉輪其葉根處間距僅2.5 mm)，需要使用微細(xì)加工刀具。針對(duì)葉輪結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)了兩種技術(shù)方案：一種方案是采用三軸加工中心同時(shí)設(shè)計(jì)一旋轉(zhuǎn)工裝，完成葉輪的銑削;另一種方案是直接采用五軸加工中心銑削成型。

　　本文試制不同結(jié)構(gòu)的葉輪時(shí)，采用的是五軸數(shù)控高速高效銑削方案。此方案加工時(shí)重點(diǎn)是解決防刀具干涉、刀具軌跡規(guī)劃、刀具切削用量?jī)?yōu)化等問(wèn)題;由于葉輪設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為60,000 rpm，葉輪徑向需要承受極大的離心力，因此材料徑向拉伸強(qiáng)度是一個(gè)重要考核指標(biāo)，通過(guò)對(duì)材料不同溫度和時(shí)間的固溶時(shí)效熱處理工藝研究獲得最優(yōu)的材料徑向拉伸強(qiáng)度。

　　圖5 為加工完成后的動(dòng)葉輪，其葉片角度為30°，葉片厚度為0.3 mm。從加工的結(jié)果來(lái)看，工件表面光滑平整，沒(méi)有的嚴(yán)重的葉片變形，表明此工藝方法取得了較好的效果。

圖5 加工的動(dòng)葉輪實(shí)物照片

4、結(jié)論

　　分子泵動(dòng)葉輪的加工制造是小型渦輪分子泵制造中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文基于抽氣特性分析以及強(qiáng)度理論分析，提出了薄葉片的設(shè)計(jì)思想，并對(duì)薄葉片葉輪的制造技術(shù)進(jìn)行探索研究。從試制結(jié)果來(lái)看，薄葉片葉輪在設(shè)計(jì)與制造上是基本可行的，能夠滿足渦輪分子泵的使用要求，該研究為小型渦輪分子泵的研制提供關(guān)鍵技術(shù)支持。