關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，當發動機處于工作狀態時，高速旋轉所產生的強烈離心力，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力與拉應力，非常容易發生變形彎曲情況。因此，在對渦輪增壓器葉片進行加工時，選擇合適技術方法尤為重要。本文對比了渦輪增壓器葉片的傳統加工方法與新型加工工藝，剖析新工藝的實用價值，望能為此領域應用研究有所借鑒。

關鍵詞：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當中，葉輪位于其轉子上，結構尤為復雜;當渦輪增壓器處于工作狀態時，葉輪會把得到凈化的空氣壓進氣缸當中，并向動能轉化，以此實現發動機輸出功率的增加。在此運作流程中，葉輪處于高速旋轉狀態，輪緣有著比較快的切向速度，所以葉輪有著較復雜的流動情況，且常處于高壓、高溫及高腐蝕狀態。因此，在設計、生產葉輪時，其水平高低會直接影響到渦輪增壓器的工作性能。當前，大多渦輪增壓器葉片所用材質以低碳鎳基合金居多，用無余量真空精鑄成葉片，葉身型面無序機械加工，主要對樅樹形榫齒部分進行加工。本文分別從傳統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動組件當中，葉片作為其核心部件，發揮著舉足輕重的作用;當發動機處于運作狀態時，由于旋轉速度快，因而會產生持續且強烈的離心力，另外，由于所處環境溫度比較高，因而渦輪葉片需要承受比較大的熱應力與拉應力。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狀態的葉身、對于榫頭來講，其借助榫齒，能夠將葉片在渦輪盤上比較準確合理且安全可靠的固定，以此渦輪驅動組件的高效、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。

在對葉片進行加工時，難度較大，原因在于如下方面：①所用材質是耐熱合金鋼，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效率;②葉身外形比較復雜，大多是變扭截面，傳統的機械加工難以滿足現實要求;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，則精度難以達標，因此，現階段多用蠕動進給磨削加工。

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，在對榫齒進行加工時，其定位基準僅能采用葉片曲線型面，而在對榫頭其他部位進行加工時，通常將榫齒當作定位基準。

2? 渦輪增壓器葉片加工方法

2.1 傳統加工方法

傳統加工方法實際就是蠕動進給磨削加工，針對此方法而言，其在業內又被稱之為強力成形磨削加工，主要采用的是緩進給速度及大切削深度，僅需要一個工作循環，便能夠磨削成形。主要優點為：①有著比較高的生產效率，除了高于傳統磨削外，還優于銑削;②加工工藝得到簡化，工件表面的當前狀態不會對其造成影響，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量，而在具體的表面粗糙度上，能夠達到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加工設備。即緩進成形強力磨床，其中包含1套砂輪反靠裝置和2套滾輪支架，而配套設備主要有平面磨床、光學曲線磨床等。針對所用的緩進成形強力磨床來講，其不僅有著較好的系統剛性，而且操作簡便、精度高，此外，還有著比較高的加工效率。在機床上，還配置有冷卻系統與高壓沖洗系統，因而在磨削時，能夠冷卻砂輪與工件，并且冷卻液經過濾系統過濾后，能夠向冷卻與沖洗噴嘴重新輸送，因而可達到循環使用的目的。②工裝。主要包含榫齒標準檢具、磨榫齒側面夾具、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，將葉身型面當作定位基準，葉片安裝在專用夾具上，且完成定位、夾緊后，會在蠕動磨床上經磨削后成形。為了能夠對緩進磨用砂輪加工工藝參數的可行性以及幾何尺寸的正確性進行驗證，首先需進行加工樣件的試驗。加工樣件之后，采用光學投影儀對榫齒型面的幾何尺寸進行檢測，并用熒光滲透法對磨削表層狀況進行檢測，在明確合格后，便能進行批量生產。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，決定產品合格與否的關鍵，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，可采用標準鋼擠輪（內置有光學曲線磨），對“硬砂輪”進行修正，并用硬砂輪對磨削用的“砂輪”進行修整。

由于渦輪與葉輪均處于同一轉子上，當處于工作狀態時，其便會高速旋轉，所以，會對其工作性能有比較高的要求，制造葉輪的常規方法即鑄造成型、打磨、拋光等。但此方法有著比較低的生產效率，而且流道、葉片的精度與強度難以得到保障，所以當葉輪處于高速旋轉狀態時，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。對于此種加工技術而言，通常用作下列情況：①在對特殊合金及硬質材料進行加工時;②在對那些比較復雜的幾何形狀零件進行加工時;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加工常規加工時要求選用貴重刀具的工件。

①加工設備。在具體的加工設備上，主要為RA90型線切割機床（日本三菱公司產），此機床不僅有著較高的精度，而且加工效率高，操作簡便;另外，在機床上，還專門配置有與之相匹配的冷卻系統與高壓沖洗系統，能夠在切割時，為工件及時冷卻提供保障;并且當冷卻液經過濾系統過濾之后，能夠向冷卻與沖洗噴嘴重新輸送，因而可以實現循環利用。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。在進行實際加工過程中，將葉身型面當作定位基準，在專用夾具上進行葉片安裝，并對其進行定位、夾緊等操作后，依照輸入程序，在線切割機床上直接自動切割成形。在加工好制件之后，采用光學投影儀由目的性的對榫齒型面的幾何尺寸進行詳細檢測，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，非常容易發生形變情況，為了能夠防止此情況的出現，可采取如下措施：①在粗加工并非第一流道時，可以將物質填充于已經加工的流道處，以此達到支撐葉片的目的，此外，還能避免出現葉片在粗加工時出現走形情況;②在對葉片進行粗加工與細加工時，都采用多層銑削的方法，這有助于單次進給量的減少;③采用一些有著較硬材質的刀具、刀柄，在加工時防止出現讓刀情況，盡可能使其吻合于設計形狀。當對葉片的外弧面、內弧面進行實際加工時，由于這兩個面均為最大葉身曲率的地方，而在機床加工過程中，走刀選擇的是線性插補，因而會出現一定的非線性誤差。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? 結語

綜上，針對蠕動進給磨削加工而言，其在實際操作中，通常需要較多比較復雜的工裝、量具、專用機床及夾具，設備比較昂貴，而且還有著較強的專用性，難以兼顧其它產品的生產;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，其所需要的工裝數量少，而且簡單，設備大多是常規機床，能夠兼顧其它產品的生產，因而靈活簡便。當前，新工藝被在生產中得到廣泛應用，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，研究方向為機械工程。