一種渦輪增壓器轉子軸焊接移動夾具的結構優化設計*

牛金霞 　白連杰　李　戩

(①青海大學機械工程學院，青海 西寧 810016；②江蘇銳成機械有限公司，江蘇 宜興 214200)

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一種渦輪增壓器轉子軸焊接移動夾具的結構優化設計*

牛金霞①白連杰②李戩①

(①青海大學機械工程學院，青海 西寧 810016；②江蘇銳成機械有限公司，江蘇 宜興 214200)

渦輪增壓器轉子軸是由葉輪和連接軸經過摩擦焊接而成的，焊接質量至關重要，摩擦焊機的裝夾方式和定位精度決定了工件的焊接精度。通過對移動夾具結構進行優化設計，提高了移動夾具的定位精度，并且提高了夾具的剛性和強度，解決了渦輪增壓器轉子軸的焊接精度超差問題。

結構優化；移動夾具；摩擦焊機；渦輪增壓器轉子軸

RC-MCH-20型連續驅動式旋轉摩擦焊機床是專門用于渦輪增壓器轉子軸的摩擦焊接設備，該機床的專用移動夾具是渦輪增壓器轉子軸的焊接工序中不可缺少的重要環節之一。該機床在實際使用過程中出現了焊接完成后的轉子軸兩端的中心孔加工位置偏差較大，影響后面的以兩端中心孔定位的精加工工序。本文通過加工工藝流程和夾具結構工藝性分析，確定對移動夾具結構進行優化設計,以中心孔定位代替內六方孔定位結構，單氣缸代替雙油缸結構，提高了夾具的剛性和強度，使結構緊湊簡單，操作方便，使用安全，同時降低經濟成本。

1　渦輪增壓器轉子軸的加工工藝流程分析

如圖1所示，渦輪增壓器轉子軸加工工藝流程：第一步，首先在焊接前將葉輪的左端面a、右端面b進行磨削加工，保證兩端面的平行度，然后在葉輪的端面a處加工2.5 GB145中心孔，同時將連接軸的左端面c、右端面d進行加工，其右端面d處的中心孔不要進行加工；第二步，再將葉輪安裝在摩擦焊機床的移動夾具上夾緊定位，同時將連接軸安裝在主軸箱上的旋轉夾具上并夾緊定位；第三步，移動夾具裝置前進，相互焊接面接觸并預頂緊，移動夾具后退至設定位置；第四步，主軸旋轉，同時移動夾具工進，在摩擦壓力作用下，焊件被焊表面相互摩擦，產生熱能，使被焊表面達到塑性狀態，摩擦時間結束，主軸制動，頂鍛，頂鍛時間結束，旋轉夾具松開，移動夾具后退到起始點，移動夾具松開，取出轉子軸，焊接工序完成。第五步，以轉子軸的葉輪端面a處的中心孔和端面e定位，在專用打孔機上加工轉子軸d端面處的中心孔，最后以工件兩端中心孔定位在其它機床上進行精加工處理，轉子軸加工完成后包裝入庫，工作結束。

在轉子軸的整個生產過程中，摩擦焊機的焊接工序是重要的一環節，相應的摩擦焊機的專用夾具也是整機的重要組成部分，它的好壞直接決定了焊接部位的質量和整件的精度。如果轉子軸焊接完成后的端面d處的中心孔加工位置偏差較大，將很大程度上影響后面的以兩端中心孔定位的精加工工序，通過反復驗證的分析，主要問題出現在移動夾具的結構上，所以確定對移動夾具進行結構改進優化設計。

2　優化前的移動夾具設計結構和工作原理

圖2是優化前的移動夾具的設計結構示意圖，它的工作原理是首先將葉輪4的六方頭端放置在夾緊套6的內六方孔內，然后通過兩個油缸10帶動壓板2后退，壓板2的端面與葉輪4的e端面(轉子結構圖)接觸，葉輪(工件)的a端面與頂桿11前端面接觸，(頂桿11的后端面是由一個頂緊螺桿機構承受軸向力的)，這樣達到夾緊工件的目的。其中保持內套3和保持外套5的作用是保證葉輪在自然狀態不會因下垂而掉下來。

但是該夾具結構存在不足之處：①兩件油缸10達不到同步，不同步時容易將工件壓偏；②頂桿11和它后端的螺桿頂緊裝置均為細長桿，在承受頂鍛軸向力時容易彎曲，造成工件軸線傾斜，其剛性最好的夾具座1沒有承受多少軸向力； ③設計結構中的前端蓋7和后端蓋9組合結構，多了一層組合，增加了一定的裝配誤差和零件的制造誤差，并且軸向力最后均被螺釘分擔；④利用葉輪(工件)4的外六方和夾緊套6的內六方孔作為定位基準，其組合后的制造間隙誤差增大了移動夾具與主軸的同軸度誤差；⑤保持內套3和保持外套5的設計是多余的，可以不用，葉輪4只要安裝在夾緊套6的孔內也不會掉落的。⑥如果調整墊12取消，結合面通過刮研來保證的接觸，其效果會更好些。

3　優化后的移動夾具設計結構和工作原理

圖3是改進后的移動夾具設計結構示意圖，它的工作原理是首先將葉輪4(工件)的六方頭端放置在定位套3的內六方孔內，其中心位置是由葉輪4(工件)的中心孔與小頂尖9的前端錐面相結合確定；然后通過一個氣缸8帶動壓板5后退，壓板5的端面與葉輪4(工件)的e面(轉子結構圖)接觸，葉輪4(工件)的a面與定位座的前端面拉觸，這樣達到夾緊工件的目的。

在改進結構設計中，為提高夾具座剛性和強度，增加了加強筋，同時夾具座上的三孔位置結構緊湊，整體外形尺寸有所減小，零件重量減少了；因為壓板的作用只是將工件夾持，力量不會太大，所以選用氣缸；因為只使用一個氣缸，所以壓板的尺寸大大減小，為保證壓板5的受力均衡和定位可靠，增加了氣缸的起導同作用的導向桿7和起分擔壓板分力的導向套6，葉輪4(工件)在壓緊的同時，壓板也與導向套6的端面接觸承擔來自壓板的壓力，以保證葉輪在夾緊狀態時壓板和氣缸活塞桿不傾斜，導向套6的具體位置是根據工件的型號尺寸來確定的；為保證中心孔的完好無損，增設了彈簧11彈性保護結構，當以中心孔定位時，小頂尖9不會承擔頂鍛力；這樣，所有的頂鍛力是由夾具體1來承擔的(夾具體1的后端的一個螺桿頂緊裝置作用在夾具體上，由它來分擔頂鍛力，取消原夾具的頂桿)。優化設計將定位裝置設計成由定位座2和定位套3組成，是出于零件自身加工工藝性和定位套的多規格互換性方面考慮而分開設計的。原夾具座下面的調整墊取消以提高夾具體的裝配強度。

4　結語

渦輪增壓器轉子軸焊接移動夾具的結構優化設計，結構緊湊簡單，操作方便，使用安全，保證了加工精度，提高了夾具的強度和剛性，保證了機床工作可靠性，同時也降低了經濟成本，達到了結構優化的目的。

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Structure optimization design of moving welding fixture of turbocharger rotor shaft

NIU Jinxia①, BAI Lianjie②, LI Jian①

(①School of Mechanical Engineering, Qinghai University, Xining 810016, CHN;②Jiangsu Rui Cheng Machinery Co., Ltd., Yixing 214200, CHN)

The rotor shaft of turbocharger is composed of impeller and the connecting shaft through the friction welding, the welding quality is very important, the welding precision of the workpiece is determined by the way of clamping and positioning precision of the friction welding machine. Through the optimization design of the structure of moving fixture, the positioning accuracy of mobile fixture is improved, and the rigidity and strength of fixture are improved. As a result, overproof of the welding precision is solved.

optimization of structure; moving fixture; friction welding machine; rotor shaft for turbocharger

TH122

B

牛金霞，女，1978年生，副教授。主要從事機械設計等方面的教學與科研工作。

(編輯李靜)(2015-05-05)

160124

*青海大學2015年中青年基金項目“渦輪增壓器轉子軸磨擦焊機床的移動夾具結構設計”(2015-QGY-14)