本文從結構設計角度分析了葉片軸向高度h、節距a、葉片角α、葉片數z、葉片厚度δ 等結構參數對壓縮比的影響，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，獲知葉片工作時產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境，在電子工業、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，質量輕，功耗少等優勢，常用于要求真空度而不強調抽速的設備或儀器中，比如作為質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為泵的抽速和壓縮比，而泵的壓縮比與葉輪級數成指數關系，增加葉輪級數可大大提高泵的壓縮比。工業設計中，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 葉片幾何參數示意圖

　　葉片間的節距近似等于葉頂圓周長與葉片數z 的商。因此葉片軸向高度可寫為下式：

　　根據式(2)可見，增加葉片數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 中數據的計算條件為：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如下表所示。

表1 不同結構參數葉輪比較

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，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，最大應力也出現在葉根附近，為30.7 MPa。可見，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，葉輪轉動所產生的載荷力為慣性力，而慣性力與質量成正比，在葉片厚度減小使截面面積比例下降時，葉片的質量也以同樣比例下降，因此所產生的應力基本不變。

　　基于以上分析可知，葉片工作時產生的內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、刀具軌跡規劃、刀具切削用量優化等問題;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。