渦輪增壓器轉(zhuǎn)子在批量生產(chǎn)中的可靠性控制

（.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海00438；.上海菱重增壓器有限公司，上海0707）

渦輪增壓器轉(zhuǎn)子在批量生產(chǎn)中的可靠性控制

薛偉1，顧雪陽2
（1.上海柴油機(jī)股份有限公司，上海200438；2.上海菱重增壓器有限公司，上海201707）

渦輪增壓器轉(zhuǎn)子作為渦輪增壓器的核心部件，其加工質(zhì)量直接影響整機(jī)性能的可靠性。本文著重介紹渦輪轉(zhuǎn)子在批量生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵控制點(diǎn)。

渦輪增壓器 渦輪轉(zhuǎn)子 可靠性

1 前言

增壓技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用已日趨普及，加裝增壓器使內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放特性都得到提升和優(yōu)化。增壓器可以分為機(jī)械增壓、氣波增壓、渦輪增壓、復(fù)合增壓等多種增壓方式，渦輪增壓是其中最主要的一種增壓方式，目前國內(nèi)各發(fā)動(dòng)機(jī)廠普遍應(yīng)用的就是渦輪增壓技術(shù)。

渦輪增壓器是一種通過提高發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣密度、使發(fā)動(dòng)機(jī)增加輸出功率的部件。它利用內(nèi)燃機(jī)廢氣排放的動(dòng)能，驅(qū)動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)子高速運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而帶動(dòng)壓氣機(jī)葉輪，使被壓縮的空氣進(jìn)入進(jìn)氣系統(tǒng)，提高內(nèi)燃機(jī)的進(jìn)氣密度，使空氣和燃油混合更加充分，燃燒更理想，因此可以提升功率、降低油耗、改善排放[1，2]。

渦輪增壓器最核心的零部件是渦輪轉(zhuǎn)子，其主要工作特點(diǎn)是：高溫工作（柴油機(jī)排溫550～800℃，汽油機(jī)排溫850～1 100℃）；高速運(yùn)轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速達(dá)數(shù)萬至數(shù)十萬轉(zhuǎn)/分）；工況多變（車用最為典型）將造成渦輪轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速急劇變化，其工作力學(xué)環(huán)境也非常惡劣。這些工作特點(diǎn)，都對(duì)渦輪轉(zhuǎn)子的可靠性提出了非常高的要求。

本文即著重討論在批量生產(chǎn)過程中，如何通過有效控制渦輪轉(zhuǎn)子可靠性相關(guān)特性，達(dá)到保證零部件整體性能可靠的目的，主要包括渦輪和軸焊接過程的控制、熱處理過程的控制以及內(nèi)圓角加工精度的控制等。

2 渦輪轉(zhuǎn)子批量生產(chǎn)工藝流程

渦輪轉(zhuǎn)子主要工藝由焊接、粗加工、半精加工和精加工組成。

焊接相關(guān)工序

OP010打渦輪中心孔磨焊接端面

OP020清洗渦輪和軸

OP030電子束焊接渦輪和軸

OP040拉伸試驗(yàn)粗加工相關(guān)工序

OP050打軸端中心孔

OP060粗車

OP070熱處理

OP080磨輪背基準(zhǔn)半精加工相關(guān)工序

OP090粗磨

OP100磨渦輪R

OP110去毛刺

OP120車螺紋及槽精加工相關(guān)工序

OP130磨槽

OP140精磨

OP150精磨

OP160動(dòng)平衡（測試及去重）

3 渦輪和軸焊接過程的控制

3.1 渦輪轉(zhuǎn)子軸焊工藝

渦輪轉(zhuǎn)子是由高溫合金的渦輪和低合金碳素鋼的軸焊接而成，廣泛應(yīng)用的有摩擦焊接和電子束焊接二種工藝。

（1）摩擦焊接工藝

摩擦焊接是使相對(duì)旋轉(zhuǎn)的渦輪和轉(zhuǎn)子軸接觸而產(chǎn)生摩擦，使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，同時(shí)在壓力的作用下，二種金屬融合在一起，冷卻后就結(jié)合為一個(gè)整體。其設(shè)備要求相對(duì)簡單，對(duì)焊前工件的清潔度要求也不高；但其由二種金屬融合而成得凸出焊縫巨大（圖1），焊接件的熱影響區(qū)和變形量也較大，需單獨(dú)安排工序清理，其一致性影響流水線的排布。

圖1 摩擦焊接

（2）電子束焊接工藝

電子束焊接是一種利用電子束作為熱源的焊接工藝，電子束焊接機(jī)主要由陰極發(fā)射、高壓電源、電磁透鏡、真空支持、運(yùn)動(dòng)支持以及相應(yīng)的伺服控制系統(tǒng)組成。當(dāng)電子束焊接機(jī)的陰極加熱到一定的溫度后會(huì)逸出電子，電子在高壓電場中被加速，通過電磁透鏡聚焦后，形成能量密集度極高的電子束。當(dāng)電子束轟擊焊接表面時(shí)，電子的動(dòng)能將轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽购附蛹慕Y(jié)合處的金屬熔融。當(dāng)電子束相對(duì)于焊接件移動(dòng)時(shí)，可在焊件結(jié)合處形成一條連續(xù)的焊縫。電子束焊接具有焊縫深而窄、焊接件的熱影響區(qū)小、焊件變形小、焊接接頭強(qiáng)度高、質(zhì)量一致性好等優(yōu)點(diǎn)，見圖2。當(dāng)然，由于電子束穿過空氣時(shí)，將被極大地衰減，需要在真空中條件下才能有效地操控和使用，其設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)要求較高。

圖2 電子束焊接

3.2 電子束焊接的質(zhì)量控制

電子束焊接過程可靠性控制應(yīng)從以下幾點(diǎn)考慮：（1）控制諸如發(fā)射源、加速及聚焦控制系統(tǒng)、定位控制系統(tǒng)、環(huán)境支持系統(tǒng)等設(shè)備相關(guān)參數(shù)，使其穩(wěn)定；當(dāng)參數(shù)異常時(shí)，確保有缺陷的產(chǎn)品不流出；（2）控制待焊接零件的焊接表面雜質(zhì)；（3）監(jiān)控過程，確保有缺陷的產(chǎn)品不流出；

為保證電子束焊接批量生產(chǎn)的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵途徑如下：

（1）陰極的監(jiān)控

陰極作為電子束的發(fā)射源，擔(dān)負(fù)穩(wěn)定提供足量電子的任務(wù)。其電子逸出的數(shù)量同加熱溫度及陰極本體材料有關(guān)。

應(yīng)首先監(jiān)控其加熱電流和加熱溫度，確保逸出電子的數(shù)量。當(dāng)加熱電流發(fā)生異常時(shí)報(bào)警。

陰極還應(yīng)進(jìn)行壽命監(jiān)控，可采用計(jì)時(shí)法，達(dá)到預(yù)期壽命前報(bào)警。

（2）高壓電源及電磁透鏡的監(jiān)控

高壓電源的主要作用在于加速電子，其電子束的加速速度同加速電壓直接相關(guān)。應(yīng)監(jiān)控其加速電壓，當(dāng)加速電壓發(fā)生異常時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。

電磁透鏡的主要作用在于控制電子聚焦。應(yīng)監(jiān)控其偏轉(zhuǎn)電壓，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)系統(tǒng)報(bào)警。

（3）運(yùn)動(dòng)及其控制系統(tǒng)的控制

運(yùn)動(dòng)及其控制系統(tǒng)的作用是控制工件與電子束的相對(duì)位置。其保養(yǎng)控制方與普通數(shù)控系統(tǒng)相同。

（4）真空系統(tǒng)的監(jiān)控

真空系統(tǒng)主要由陰極室、加速室、加工室，以及相應(yīng)的氣密管道及真空泵組成。整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)在加工過程中確保氣密性和真空度。

真空泵的控制主要是日常保養(yǎng)。其日常保養(yǎng)關(guān)鍵在于潤滑，應(yīng)制作專門點(diǎn)檢表予以確保。

陰極室和加速室在整個(gè)焊接過程中應(yīng)確保真空度。這一點(diǎn)，只要按設(shè)備說明書的指示，定期清潔更換其密封件即可。

而加工室則一方面由于需要進(jìn)出工件，頻繁抽氣；另一方面，由于焊接過程中會(huì)有逸出的金屬蒸汽、碳微粒在加工室內(nèi)表面凝結(jié)、沉積，需要對(duì)其密封件進(jìn)行更為頻繁的清潔保養(yǎng)。實(shí)際中，其清潔保養(yǎng)周期很難確定。一種具有類似預(yù)測保養(yǎng)的方法是通過監(jiān)控系統(tǒng)的抽氣時(shí)間的變化，預(yù)測其清潔保養(yǎng)點(diǎn)。

（5）焊接材料的控制

電子束焊接前，焊接件必須確保清潔，尤其是禁絕油脂類污垢。其原因在于，如果焊接表面殘留油脂，會(huì)在焊接過程中氣化，形成焊縫內(nèi)氣泡，影響焊接強(qiáng)度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，直徑超過0.8 mm的單個(gè)氣泡就會(huì)對(duì)焊接強(qiáng)度產(chǎn)生致命的影響。當(dāng)然，其他粉塵類雜質(zhì)，也應(yīng)去除。

為確保完全去除污垢，在焊接前必須清洗。并且，應(yīng)確保焊接表面不能殘留清洗劑（也是一種雜質(zhì)）。這樣水溶性清洗劑就不適合了，可利用鹵代烴類有機(jī)溶劑（ODS）進(jìn)行氣相清洗。

（6）焊接質(zhì)量的可靠確認(rèn)

焊接質(zhì)量的確認(rèn)可以采用抽樣的破壞性試驗(yàn)法，結(jié)合全數(shù)的非破壞性試驗(yàn)法進(jìn)行。

非破壞性試驗(yàn)有探傷法和拉伸試驗(yàn)法。相對(duì)更為直接可靠的方法是，以根據(jù)渦輪轉(zhuǎn)子工作條件計(jì)算出的拉伸力，全數(shù)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，以確保安全承受工作載荷。

破壞性試驗(yàn)有破壞性拉伸試驗(yàn)、與縱向剖開后評(píng)價(jià)焊接斷面的形狀、尺寸二種方法，參見圖3和圖4。

4 熱處理過程的控制

渦輪轉(zhuǎn)子工作時(shí)轉(zhuǎn)速非常高，決定了其軸承接觸部位具有“外硬內(nèi)軟”的特性，軸承接觸部位應(yīng)采用表面熱處理工藝。

以下將以某型自動(dòng)表面熱處理機(jī)為例，介紹表面熱處理工藝在批量生產(chǎn)中的過程特性控制。圖5為渦輪轉(zhuǎn)子軸表面熱處理要求。

4.1 表面熱處理機(jī)的工作原理

圖3 焊接部位

圖4 熱處理部位

圖5 轉(zhuǎn)子軸熱處理要求

該表面熱處理機(jī)是利用渦流的原理，在回轉(zhuǎn)體的工件外包裹線圈（實(shí)際是工件插入線圈內(nèi)），并通以強(qiáng)大的高頻電流，使其線圈內(nèi)（及工件處）將產(chǎn)生強(qiáng)大的交變磁場。由于工件為鐵磁導(dǎo)體，產(chǎn)生渦流效應(yīng)，將在工件表面形成局部加熱作用。其加熱深度與電流頻率及通電加熱時(shí)間有關(guān)。

結(jié)合淬火液循環(huán)噴射系統(tǒng)、線圈冷卻系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)及工位控制系統(tǒng)、工件拾取系統(tǒng)等，就形成了加熱、淬火、二級(jí)回火等工步在一臺(tái)設(shè)備上一次完成的自動(dòng)表面熱處理設(shè)備。

4.2 可靠性控制的關(guān)鍵措施

（1）設(shè)備的控制與日常保養(yǎng)

影響熱處理批量一致的關(guān)鍵，在于監(jiān)控其加熱電流和淬火液的溫度與流量。一方面設(shè)備一定要有實(shí)時(shí)監(jiān)控這些特性的功能；另一方面，應(yīng)針對(duì)這些功能，建立合理的保養(yǎng)規(guī)范，并有效實(shí)施。

（2）淬火液的控制

淬火液的選型與維護(hù)不容忽視。尤其是應(yīng)采取有效措施，發(fā)現(xiàn)并避免淬火液內(nèi)微生物的繁殖。其原因在于，微生物的繁殖將導(dǎo)致淬火液表層形成膜狀物質(zhì)，這些物質(zhì)極易導(dǎo)致循環(huán)管路堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致淬火液流量不足，造成工件的硬度與淬硬深度不良。

（3）夾具（高頻線圈）

夾具（高頻線圈）的主要控制點(diǎn)在于：一是定期保養(yǎng)其內(nèi)部細(xì)微管路（淬火液噴口）；二是確保其導(dǎo)通件和絕緣件的電氣性能，必要時(shí)可用搖表檢測。

（4）熱處理質(zhì)量的可靠確認(rèn)

當(dāng)初次設(shè)定工藝參數(shù)或工藝參數(shù)調(diào)整后，應(yīng)做破壞性試驗(yàn)，即將工件縱向剖開，研究其斷面熱處理有效區(qū)的形狀、大小及硬度特性。

平時(shí)，為保證批量質(zhì)量，并監(jiān)控過程參數(shù)的變化趨勢，還應(yīng)較為頻繁地采用非破壞性方法，抽檢硬度和熱處理有效區(qū)的大小和位置。

5 內(nèi)圓角的控制

渦輪轉(zhuǎn)子零件結(jié)構(gòu)上有許多肩面過渡圓角和溝槽，如圖6所示。這些結(jié)構(gòu)的底部內(nèi)圓角如果加工偏大，則會(huì)造成裝配時(shí)同其他零件卡滯，增壓器不能工作；如果加工偏小，則將產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而可能造成工件高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙加工成形這些細(xì)微結(jié)構(gòu)，確保工件使用的可靠性。

應(yīng)考慮采用的可靠加工及控制方法如下：（1）采用相對(duì)可靠的加工手段

推薦加工這些溝槽類結(jié)構(gòu)盡量采用磨削方式。相對(duì)于車削，磨削除能夠獲得更為光潔的加工表面，可提高零件抗疲勞特性，其加工過程更為穩(wěn)定可靠，而且其多刃切削方式更能容忍切削工具的異常缺損。同時(shí)，磨床能夠在不停機(jī)的情況下實(shí)現(xiàn)定期（定數(shù)量）在線修磨切削工具。這一優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于批量生產(chǎn)具有重要意義。

圖6 渦輪轉(zhuǎn)子軸上過渡圓角和溝槽結(jié)構(gòu)及要求

（2）選用相對(duì)長壽且壽命穩(wěn)定的切削工具，并確定可靠的切削工具更換或修磨周期

推薦更多地采用CBN刀具、CBN砂輪加工，這樣可以相對(duì)低成本地監(jiān)控其加工質(zhì)量。需要特別指出的是，經(jīng)長期大批量生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，采用金屬結(jié)合劑的CBN砂輪，完全可以穩(wěn)定地一次性加工成形寬度1～2 mm，槽寬公差0.02左右，槽底圓角穩(wěn)定控制的密封環(huán)槽，其使用壽命可達(dá)萬件以上。

（3）有效地質(zhì)量監(jiān)控

鑒于成本控制，生產(chǎn)現(xiàn)場可采用抽檢頻度相對(duì)密集的通止規(guī)方式測量，而以相對(duì)較長的周期，使用諸如輪廓度儀之類的測量設(shè)備收集工藝系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，不斷識(shí)別并著手消除系統(tǒng)變差。

6 結(jié)束語

批量生產(chǎn)過程控制是否有效，其關(guān)鍵在于能否確保過程參數(shù)的有效監(jiān)控。只有及時(shí)、準(zhǔn)確地獲得了關(guān)鍵過程參數(shù)的變化，才能分析原因、采取對(duì)策、持續(xù)改進(jìn)。

1朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器.兵器工業(yè)第七零研究所內(nèi)部刊物.

2陸家祥.柴油機(jī)渦輪增壓技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.

Reliability Control of Turbine Rotor in Scale Production

Xue Wei1,Gu Xueyag2
（1.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China; 2.Shanghai MHI Turbocharger Co.,Ltd.,Shanghai 201707,China）

The cylinder head of NSE engine is newly developed by SAIC.It has high technical requirements and requires complicated machining process.Moreover,its production time cycle is short. Detailed introduction of this cylinder head and of its main technical requirements is presented,providing head production flow,making analysis and discussion on the features of key process of this head production line,summarizing process features and what needs to be improved.

turbocharger，turbine rotor，reliability

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.0012

來稿日期：2010-09-07

薛偉（1973-），男，工程師，主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)業(yè)務(wù)規(guī)劃和新產(chǎn)品項(xiàng)目管理。