本文從結構設計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 等結構參數(shù)對壓縮比的影響，并基于分析結論提出了薄葉片分子泵葉輪的設計思想;采用有限元計算分析渦輪分子泵運行時葉片的應力狀態(tài)，獲知葉片工作時產(chǎn)生的應力幾乎與葉片厚度無關，從而為薄葉片的設計提供在強度理論方面的支持;最后，通過工藝優(yōu)化，試制出薄葉片的小型渦輪分子泵，該試制件在測試中轉速達到了60000 rpm，使用效果良好。

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

　　渦輪分子泵以葉輪組作為其抽氣的執(zhí)行機構，葉輪組由交替排列的動、靜葉輪組成，工作時動葉輪高速旋轉，其速度接近分子熱運動速度，而靜葉輪保持靜止。本文針對某小型分子泵應用需求，對其動葉輪的設計與加工成型技術進行了研究。

1、葉片設計

　　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數(shù)成指數(shù)關系，增加葉輪級數(shù)可大大提高泵的壓縮比。工業(yè)設計中，一般希望各級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。對于動葉輪，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與葉片數(shù)z 的商。因此葉片軸向高度可寫為下式：

　　根據(jù)式(2)可見，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。葉片角與壓縮比關系如圖2所示，圖2 中數(shù)據(jù)的計算條件為：輪圓周速度與分子熱運動速度比為C1= 0.5，節(jié)弦比a/b = 1。

圖2 葉片角與壓縮比關系(C1= 0.5,a/b = 1)

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

　　由式(3)可見，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)或減小葉片角來降低葉片軸向高度，同時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。本研究中設計了葉片角度不同的三種葉輪，其葉片角度分別為40°，30°，20°，它們的具體結構與性能參數(shù)如下表所示。

表1 不同結構參數(shù)葉輪比較

2、葉片應力分析

　　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。計算葉片角為30°但葉片厚度不同的兩個葉輪在60000 rpm 下轉動的應力狀態(tài)，它們的葉片厚度分別為0.6 mm和0.3 mm。

圖3 0.6mm 葉片動葉輪應力分析　圖4 0.3mm 葉片動葉輪應力分析

　　計算結果如圖3 與圖4 所示。從圖中可以看到，0.6 mm 的葉片在60000 rpm 轉速下的最大應力出現(xiàn)在葉片的葉根附近，為30.4 MPa;而0.3 mm 的葉片在同樣轉速下，最大應力也出現(xiàn)在葉根附近，為30.7 MPa�？梢姡�在同一轉速下兩種葉片的最大應力基本相等且位置相同。這是因為，葉輪轉動所產(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，葉片的質(zhì)量也以同樣比例下降，因此所產(chǎn)生的應力基本不變。

　　基于以上分析可知，葉片工作時產(chǎn)生的內(nèi)應力幾乎與葉片厚度無關，因此基本可以認為葉片的強度條件也與葉片厚度無關，而主要依賴于葉片材料自身的強度。所以減小葉片厚度不會造成高速旋轉下的葉片強度條件的下降，這為薄葉片的設計提供了強度理論方面的支持。

3、葉片制造工藝研究

　　一種動葉輪的結構如圖5 所示，其加工難度主要體現(xiàn)在：①葉輪雖為對稱結構，但具有空間扭轉面。②葉輪轉速較高，需要達到較高的動平

　　衡等級才能保證穩(wěn)定運行。這要求運動零部件具有盡量小的殘余不平衡量，因此對葉輪的加工精度提出了很高的要求。但減薄后的葉片其結構剛度較低，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)，需要使用微細加工刀具。針對葉輪結構的復雜性，設計了兩種技術方案：一種方案是采用三軸加工中心同時設計一旋轉工裝，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。

　　本文試制不同結構的葉輪時，采用的是五軸數(shù)控高速高效銑削方案。此方案加工時重點是解決防刀具干涉、刀具軌跡規(guī)劃、刀具切削用量優(yōu)化等問題;由于葉輪設計轉速為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度是一個重要考核指標，通過對材料不同溫度和時間的固溶時效熱處理工藝研究獲得最優(yōu)的材料徑向拉伸強度。

　　圖5 為加工完成后的動葉輪，其葉片角度為30°，葉片厚度為0.3 mm。從加工的結果來看，工件表面光滑平整，沒有的嚴重的葉片變形，表明此工藝方法取得了較好的效果。

圖5 加工的動葉輪實物照片

4、結論

　　分子泵動葉輪的加工制造是小型渦輪分子泵制造中的關鍵技術之一。本文基于抽氣特性分析以及強度理論分析，提出了薄葉片的設計思想，并對薄葉片葉輪的制造技術進行探索研究。從試制結果來看，薄葉片葉輪在設計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鍵技術支持。