關(guān)于渦輪增壓器葉片加工方法的比較分析

摘要：葉輪是整個渦輪增壓器中的核心部件，當(dāng)發(fā)動機(jī)處于工作狀態(tài)時，高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的強烈離心力，以及所處高溫工作條件，會使渦輪葉片運行中需承受比較大的熱應(yīng)力與拉應(yīng)力，非常容易發(fā)生變形彎曲情況。因此，在對渦輪增壓器葉片進(jìn)行加工時，選擇合適技術(shù)方法尤為重要。本文對比了渦輪增壓器葉片的傳統(tǒng)加工方法與新型加工工藝，剖析新工藝的實用價值，望能為此領(lǐng)域應(yīng)用研究有所借鑒。

關(guān)鍵詞：渦輪增壓器葉片;線切割加工;榫齒

0? 引言

葉輪可謂渦輪增壓器的心臟，在整個渦輪增壓器架構(gòu)當(dāng)中，葉輪位于其轉(zhuǎn)子上，結(jié)構(gòu)尤為復(fù)雜;當(dāng)渦輪增壓器處于工作狀態(tài)時，葉輪會把得到凈化的空氣壓進(jìn)氣缸當(dāng)中，并向動能轉(zhuǎn)化，以此實現(xiàn)發(fā)動機(jī)輸出功率的增加。在此運作流程中，葉輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，輪緣有著比較快的切向速度，所以葉輪有著較復(fù)雜的流動情況，且常處于高壓、高溫及高腐蝕狀態(tài)。因此，在設(shè)計、生產(chǎn)葉輪時，其水平高低會直接影響到渦輪增壓器的工作性能。當(dāng)前，大多渦輪增壓器葉片所用材質(zhì)以低碳鎳基合金居多，用無余量真空精鑄成葉片，葉身型面無序機(jī)械加工，主要對樅樹形榫齒部分進(jìn)行加工。本文分別從傳統(tǒng)加工方法與新型加工工藝兩方面，對比渦輪增壓器葉片的加工工藝，現(xiàn)對此作一探討。

1? 渦輪增壓器葉片概述

在整個渦輪增壓器渦輪驅(qū)動組件當(dāng)中，葉片作為其核心部件，發(fā)揮著舉足輕重的作用;當(dāng)發(fā)動機(jī)處于運作狀態(tài)時，由于旋轉(zhuǎn)速度快，因而會產(chǎn)生持續(xù)且強烈的離心力，另外，由于所處環(huán)境溫度比較高，因而渦輪葉片需要承受比較大的熱應(yīng)力與拉應(yīng)力。針對此情況，要求渦輪增壓器葉片無論是在抗拉強度上，還是在屈服強度上，均需足夠大，而且還需要有較高的溫氧化、抗高溫蠕變性。需要指出的是，葉片主要由兩部分構(gòu)成，其一為榫頭，其二是葉身;針對葉身來講，其空間形狀比較復(fù)雜，主要由多個型面組成（截面不同）。各個截面之間扭成特定角度，最后便能形成處于扭轉(zhuǎn)狀態(tài)的葉身、對于榫頭來講，其借助榫齒，能夠?qū)⑷~片在渦輪盤上比較準(zhǔn)確合理且安全可靠的固定，以此渦輪驅(qū)動組件的高效、安全運行提供切實保障。針對榫齒而言，其主要有樅樹形、圓柱形、T形等。

在對葉片進(jìn)行加工時，難度較大，原因在于如下方面：①所用材質(zhì)是耐熱合金鋼，有著非常高的韌性、硬度與強度，而且對加工刀具也有著比較高的要求，因而有著較低的生產(chǎn)效率;②葉身外形比較復(fù)雜，大多是變扭截面，傳統(tǒng)的機(jī)械加工難以滿足現(xiàn)實要求;③有著比較高的精度要求，尤其是榫齒，如果仍采用成形銑削加工技術(shù)，則精度難以達(dá)標(biāo)，因此，現(xiàn)階段多用蠕動進(jìn)給磨削加工。

因榫齒無論是在形位公差上，還是在尺寸精度上，均有著比較高的要求，而且所用材料還是比較難切削的耐熱合金，因此，在對榫齒進(jìn)行加工時，其定位基準(zhǔn)僅能采用葉片曲線型面，而在對榫頭其他部位進(jìn)行加工時，通常將榫齒當(dāng)作定位基準(zhǔn)。

2? 渦輪增壓器葉片加工方法

2.1 傳統(tǒng)加工方法

傳統(tǒng)加工方法實際就是蠕動進(jìn)給磨削加工，針對此方法而言，其在業(yè)內(nèi)又被稱之為強力成形磨削加工，主要采用的是緩進(jìn)給速度及大切削深度，僅需要一個工作循環(huán)，便能夠磨削成形。主要優(yōu)點為：①有著比較高的生產(chǎn)效率，除了高于傳統(tǒng)磨削外，還優(yōu)于銑削;②加工工藝得到簡化，工件表面的當(dāng)前狀態(tài)不會對其造成影響，所以能夠直接由精鑄毛坯磨削成形;③能夠較好的改善工件表面質(zhì)量，而在具體的表面粗糙度上，能夠達(dá)到Ra0.7～0.3μm;④對于那些無法切削的高強度合金，同樣能夠加工。

①加工設(shè)備。即緩進(jìn)成形強力磨床，其中包含1套砂輪反靠裝置和2套滾輪支架，而配套設(shè)備主要有平面磨床、光學(xué)曲線磨床等。針對所用的緩進(jìn)成形強力磨床來講，其不僅有著較好的系統(tǒng)剛性，而且操作簡便、精度高，此外，還有著比較高的加工效率。在機(jī)床上，還配置有冷卻系統(tǒng)與高壓沖洗系統(tǒng)，因而在磨削時，能夠冷卻砂輪與工件，并且冷卻液經(jīng)過濾系統(tǒng)過濾后，能夠向冷卻與沖洗噴嘴重新輸送，因而可達(dá)到循環(huán)使用的目的。②工裝。主要包含榫齒標(biāo)準(zhǔn)檢具、磨榫齒側(cè)面夾具、磨榫齒小夾具、磨榫齒大夾具及磨榫凸緣夾具等。③加工工藝。在磨削加工過程中，將葉身型面當(dāng)作定位基準(zhǔn)，葉片安裝在專用夾具上，且完成定位、夾緊后，會在蠕動磨床上經(jīng)磨削后成形。為了能夠?qū)忂M(jìn)磨用砂輪加工工藝參數(shù)的可行性以及幾何尺寸的正確性進(jìn)行驗證，首先需進(jìn)行加工樣件的試驗。加工樣件之后，采用光學(xué)投影儀對榫齒型面的幾何尺寸進(jìn)行檢測，并用熒光滲透法對磨削表層狀況進(jìn)行檢測，在明確合格后，便能進(jìn)行批量生產(chǎn)。④砂輪。針對所用砂輪來講，主要有三種，分別為鋼擠輪、普通平磨砂輪與磨用砂輪;此榫齒所使用的加工工藝實際就是成形磨削，因此，決定產(chǎn)品合格與否的關(guān)鍵，即為磨削砂輪的輪廓正確與否，為了確保砂輪輪廓始終處于正確狀態(tài)，可采用標(biāo)準(zhǔn)鋼擠輪（內(nèi)置有光學(xué)曲線磨），對“硬砂輪”進(jìn)行修正，并用硬砂輪對磨削用的“砂輪”進(jìn)行修整。

由于渦輪與葉輪均處于同一轉(zhuǎn)子上，當(dāng)處于工作狀態(tài)時，其便會高速旋轉(zhuǎn)，所以，會對其工作性能有比較高的要求，制造葉輪的常規(guī)方法即鑄造成型、打磨、拋光等。但此方法有著比較低的生產(chǎn)效率，而且流道、葉片的精度與強度難以得到保障，所以當(dāng)葉輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)時，會有較差的平衡性，因而會對渦輪增壓器的整體工作效率造成直接影響。

2.2 新型加工工藝

在整個電火花加工體系中，電火花線切割加工為其重要分支，實際就是直接利用熱能、電能完成加工的一種工藝技術(shù)。對于此種加工技術(shù)而言，通常用作下列情況：①在對特殊合金及硬質(zhì)材料進(jìn)行加工時;②在對那些比較復(fù)雜的幾何形狀零件進(jìn)行加工時;③價格昂貴、高精度及小型化的零件;④加工其他方法無法加工的零件;⑤加工常規(guī)加工時要求選用貴重刀具的工件。

①加工設(shè)備。在具體的加工設(shè)備上，主要為RA90型線切割機(jī)床（日本三菱公司產(chǎn)），此機(jī)床不僅有著較高的精度，而且加工效率高，操作簡便;另外，在機(jī)床上，還專門配置有與之相匹配的冷卻系統(tǒng)與高壓沖洗系統(tǒng)，能夠在切割時，為工件及時冷卻提供保障;并且當(dāng)冷卻液經(jīng)過濾系統(tǒng)過濾之后，能夠向冷卻與沖洗噴嘴重新輸送，因而可以實現(xiàn)循環(huán)利用。②工裝。新工藝所選用的工裝實際就是切榫齒自制夾具。③加工工藝。在進(jìn)行實際加工過程中，將葉身型面當(dāng)作定位基準(zhǔn)，在專用夾具上進(jìn)行葉片安裝，并對其進(jìn)行定位、夾緊等操作后，依照輸入程序，在線切割機(jī)床上直接自動切割成形。在加工好制件之后，采用光學(xué)投影儀由目的性的對榫齒型面的幾何尺寸進(jìn)行詳細(xì)檢測，并在明確合格后，便可開展批量加工。④表面處理。在線切割之后，便可圍繞榫齒部位，實施有針對性的電化學(xué)拋光處理。

另外，還需要指出的是，因葉輪的葉片實為一種薄壁片體型零件，因此，在加工過程中，非常容易發(fā)生形變情況，為了能夠防止此情況的出現(xiàn)，可采取如下措施：①在粗加工并非第一流道時，可以將物質(zhì)填充于已經(jīng)加工的流道處，以此達(dá)到支撐葉片的目的，此外，還能避免出現(xiàn)葉片在粗加工時出現(xiàn)走形情況;②在對葉片進(jìn)行粗加工與細(xì)加工時，都采用多層銑削的方法，這有助于單次進(jìn)給量的減少;③采用一些有著較硬材質(zhì)的刀具、刀柄，在加工時防止出現(xiàn)讓刀情況，盡可能使其吻合于設(shè)計形狀。當(dāng)對葉片的外弧面、內(nèi)弧面進(jìn)行實際加工時，由于這兩個面均為最大葉身曲率的地方，而在機(jī)床加工過程中，走刀選擇的是線性插補，因而會出現(xiàn)一定的非線性誤差。為了能夠較好的滿足渦輪增壓器運作時的各項性能要求，可選用曲率差值法將此問題解決掉。

3? 結(jié)語

綜上，針對蠕動進(jìn)給磨削加工而言，其在實際操作中，通常需要較多比較復(fù)雜的工裝、量具、專用機(jī)床及夾具，設(shè)備比較昂貴，而且還有著較強的專用性，難以兼顧其它產(chǎn)品的生產(chǎn);此外，整個工裝制造還有著比較長的周期，費用比較高，需持續(xù)性的修整砂輪，因而有著比較大的消耗量。而對于線切割加工來講，其所需要的工裝數(shù)量少，而且簡單，設(shè)備大多是常規(guī)機(jī)床，能夠兼顧其它產(chǎn)品的生產(chǎn)，因而靈活簡便。當(dāng)前，新工藝被在生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，效果理想。

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作者簡介：張建國（1978-），男，山東濰坊人，高級工程師，研究方向為機(jī)械工程。