某異形渦輪殼加工工藝難點分析及解決方案*

奚 霞，盧 彬，連碧華，呂 巍

(1.南京機電職業技術學院，江蘇 南京 210016；2.南京精益鑄造有限公司，江蘇 南京 210022)

渦輪殼是渦輪增壓器的主要零件之一，它直接連接在發動機的排氣管上，處在高溫、高壓和高速運轉的工作狀態下，其工作環境非常惡劣，工作要求又比較苛刻，因此對制造的材料、零件的結構尺寸和加工技術都要求很高。帶排氣管渦輪殼不同于普通渦輪殼，其形狀尤為復雜(見圖1)，通過分析該類復雜結構的渦輪殼制造工藝技術的難點，在充分利用現有的設備和加工條件的前提下，提出解決方案，并在保證質量的同時，提高生產效率。

圖1 渦輪殼結構形狀

1 帶排氣管渦輪殼的加工難點分析

1.1 材料性能

該渦輪殼毛坯采用鑄件，較普通鑄件而言，具有較高含量的硅，在加工過程中需要更大的切削力，產生更高的切削溫度，所以切削加工性較差，切削加工時會加劇刀具的磨損[1]。

1.2 主要技術難點

主要技術難點如下。

1)毛坯粗基準的選擇。該型號渦輪殼外形結構復雜[2]，若毛坯基準選擇不好，則會影響下道工序的正常加工，甚至會直接導致客戶端安裝尺寸(CIC尺寸)加工不出，所以應選擇具備良好的定位性和可測量性的工藝基準。

2)粗加工(進氣口面的加工)夾具的設計。由于該渦輪殼毛坯外形不規則，壁薄內腔大，且裝夾時受力不均，產品裝夾時很容易產生不適當的變形，這是加工該產品的關鍵點。

3)特殊特性尺寸。渦輪殼工作時是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓縮空氣，使之增壓進入氣缸，因此渦輪殼的流道外殼與進氣口連接部位(俗稱氣道口)要求加工成能與葉輪相匹配的圓弧狀，圖樣中該圓弧的點面距離為特殊特性尺寸。

4)加工難點。渦輪殼工作時，內腔放氣孔閥孔口處應密封氣體，因此孔口端面圖樣要求靶心狀且表面粗糙度小于Ra(0.8～1.6) μm；渦輪殼的空間排氣口頸部，卡環槽單邊6 mm的深度。以上兩處加工時對刀具的要求較高。

2 帶排氣管渦輪殼加工難點的工藝處理方案

2.1 粗加工(進氣口面的加工)夾具的設計

2.1.1 粗工藝基準面的選擇

選擇粗基準考慮的重點是如何保證各加工表面有足夠的余量，使非加工表面和加工表面的尺寸、位置符合圖樣要求。

該渦輪殼外形結構比較復雜，粗基準選擇不好會增加產品的加工步驟，降低生產效率[3-5]。綜合分析，只有渦輪殼的進氣口面較為平整且面積足夠大，是下道工序加工的理想基準，因此選擇先加工渦輪殼的進氣口面。

2.1.2 定位基準的確定

加工進氣口面，根據六點定位原理，要完全確定渦輪殼的位置，就必須消除在空間沿X、Y、Z等3個直角坐標軸方向的移動自由度和繞這3個坐標軸的旋轉自由度(見圖2)。在進氣口背面下面4個角用4個支撐限制Z向移動、繞X軸和Y軸旋轉等3個自由度，后面2個支撐限制Y向移動、繞Z軸旋轉等2個自由度，側面1個支撐限制X向移動自由度。

圖2 6個自由度

零件圖中進氣口面(包括排氣口面)主要位置尺寸都是以連接中間殼體的通道回轉軸以及通道截面對稱面作為基準，測量基準與上面所選的加工基準不一致，若渦輪殼毛坯稍有偏差，都可導致加工基準偏離測量基準，所以增加一個輔助角向基準(見圖3)，用U型塊卡住渦輪殼排氣口處，防止渦輪殼在壓緊和松開的過程中旋轉，另外，將渦輪殼的通道回轉軸(毛坯孔)和平行于通道截面對稱面的端面(毛坯面)作為工藝測量基準(見圖3)，首件加工產品進行三坐標測量檢查并作必要調整。

圖3 定位夾緊示意圖

2.1.3 夾緊裝置的確定

觀察渦輪殼(見圖3俯視圖)，存在下述幾個問題：1)整個產品加工表面長約350 mm，作為下道工序的加工基準，平面度必須控制在0.02 mm以下，但是產品4個進氣口面相互不相連僅靠下面的通道連接，平面度不易保證；2)產品毛坯壁薄，內腔大，加工時產品還處于懸空狀態，產品易變形；3)主要壓緊力應垂直于主要定位面，從而決定壓緊點只能作用在進氣口相互之間的通道上，壓緊方向垂直于進氣口加工表面，與產品重力方向一致，以減少所需夾緊力。

基于上述問題，選用3個直徑40的油缸直接壓緊渦輪殼通道(見圖3)，分析產品的受力情況，自身重力為G的渦輪殼同時被3個向下壓緊力F和4個向上的支撐力N所作用，受力點如圖4所示，渦輪殼兩端的受力基本平衡，但中間部分受力不均，容易產生渦輪殼的夾緊變形，影響加工平面度。因此在渦輪殼的正下方再增加1個缸徑25且作用力向上的油缸，以減小渦輪殼的夾緊變形。

圖4 夾緊受力分析示意圖

2.2 氣道口輪廓面的加工

該型號渦輪殼不同于以往的渦輪殼，它結構復雜，體積較大，為減少由于產品自身重力引起的偏差，應選擇在立式車床進行加工。

產品裝夾時，由于機床的旋轉中心與渦輪殼質量中心的位置偏離較遠，主軸旋轉時偏心力較大，影響產品跳動量尺寸。為解決這一問題，在立車車頭上安裝1個平衡塊以滿足產品加工動平衡要求。

渦輪殼的氣道口要求加工成圓弧狀，該圓弧的點面距離及輪廓度是關鍵尺寸，并且與之有裝配關系的面和孔都有同軸度和垂直度的要求，因此，加工時先粗車毛坯，端面方向留0.2 mm，直徑單面也留0.2 mm的精車余量，然后用一把精車刀完成所有的加工內容(端面、內徑以及圓弧輪廓)，同一道工序的加工以滿足同軸度和垂直度要求。

氣道口輪廓面的計量方法是該產品的難點，調試時的計量方法和批量生產時的計量方法不一致，下述分別進行介紹。

首件產品調試時，三坐標的測頭沿著輪廓的方向用相互間間距不超過0.5 mm的點掃描出該輪廓的軌跡，并記錄下各點的坐標位置(見圖5)，根據軌跡圖找出理論圓直徑對應的點面距，然后根據測量結果對加工程序進行必要調整；批量產品生產時，測量頻率加大，每個產品都用三坐標進行測量，將加大測量工作量，不切實際，因此設計一種非標測具(見圖6)，測具大端的圓尖邊對應所有測點的軌跡圓周，用百分表打出被測量面與非標測具面的差值，批量生產過程中控制該差值在公差范圍內。

圖5 測量軌跡

圖6 專用測具

在產品批量生產的過程中，若按圖樣要求中孔直徑φ33.8+0.062進行加工，0.062的公差范圍會使測量產生偏差，導致測量結果不準，因此用該測距的前提必須壓縮產品的中孔尺寸，壓縮后中孔直徑φ33.83±0.01與測具最多0.035的滑配間隙，大大提高了測量的準確率。

2.3 廢氣出口面和放氣閥組孔的加工

2.3.1 加工中心旋轉臺的使用

為縮短加工流程、提高加工效率且保證進排氣口面組孔和放氣閥組孔相互間的位置度要求，將渦輪殼的放氣閥組孔和排氣口面放在同一工序中加工，加工過程中使用加工中心轉臺裝置(示意圖如圖7所示)，旋轉臺直接連接加工中心工作臺面，兩邊的標準L型塊將橋板和旋轉臺連接，產品裝夾于橋板上面(以進氣口面和該面上兩銷孔為定位基準)，旋轉臺360°旋轉帶動產品360°旋轉，從而實現一次裝夾就能完成排氣口面組孔和放氣閥組孔的加工內容，保證了這組孔相互間的位置度要求。

圖7 加工中心轉臺裝置

2.3.2 加工放氣閥面刀具的設計以及切削參數的選擇

放氣閥是通過壓氣機出口的壓力來控制渦輪進氣口處氣閥的開啟，使得廢氣從旁路泄掉[6]。隨著發動機轉速的提高，放氣閥在到達設定壓力點時開啟，這樣可以提高渦輪的有效工作能力；同時減少渦輪軸的扭矩輸出，避免了轉子部件的超速。而閥門關閉則可以提高瞬態響應，阻止了廢氣排放，從而達到降低排溫以及改善排放的效果，因此整個系統對閥門關閉面的加工要求比較高。

圖樣要求該面的表面粗糙度達到Ra(0.8～1.6) μm，且加工紋路是以孔軸為圓心的靶心狀，所以在實際生產過程中采用如下工藝方法來實現產品使用要求。

1)選擇合適的刀具材料。產品材料為硅鉬球鐵，要求刀具耐磨性較好，而產品加工面為最大直徑φ31的靶心狀，因此刀具切削直徑為φ31，考慮到刀具的經濟性，故選用鑲硬質合金(YG6)的平面锪刀。

2)最大限度提高刀具的剛度。在不干涉產品的情況下最大限度地設計刀柄直徑φ30。刀刃部分選擇不同的前后角，對產品加工后的表面粗糙度、表面紋路和刀刃的磨損速度都有影響。

前角對刀具壽命影響較大，適當增大前角能使刀具鋒利，減小切削變形，并減輕刀具磨損，提高刀具使用壽命。但前角太大，會使切削刃與刀頭的強度降低，刀頭的導熱面積和容熱體積減小；前角過大，有可能導致切削刃處出現彎曲應力，造成崩刃[7-8]。結合采用硬質合金刀刃加工硅鉬球鐵的情況，為確保刀具強度，故選用較小的前角5°。

后角對加工表面質量影響較大，增大后角可提高切削刃的鋒利性，減輕后刀面與已加工表面的摩擦，改善已加工表面，但同樣后角過大會使切刃和刀頭強度降低，加速刀具的磨損。結合圖樣中加工表面粗糙度Ra(0.8～1.6) μm且加工紋路為靶心狀的要求，適當加大后角，因此選擇后角為10°。

3)選擇合適的切削參數。產品要求靶心狀且表面粗糙度為Ra(0.8～1.6) μm，經過試加工，最終選定主軸轉速為600 r/min，進給量為200 mm/min。

2.4 工藝路線的確定

對此渦輪殼的加工內容進行分析和整合，確定完成該零件的加工需要3臺加工中心和1臺立式數控車床，工藝路線卡片見表1。

表1 工藝路線簡表

2.5 新工藝的實施結果分析

根據表1中新確定的工藝路線，分析整個過程的生產效率、加工質量及勞動強度等，其中加工效率由產量體現，加工質量由合格率體現，實施結果見表2，主要生產設備是3臺加工中心、1臺數控車和試漏裝置，在盡可能用少量設備的基礎上提高效率；每臺設備裝夾次數為1次，減少操作工人的勞動強度；生產效率同類產品中顯著提高；每個工序的生產過程能力穩定，合格率約為99%[9-10]。

表2 工藝實施結果

3 結語

本文研究具有復雜空間結構的異形渦輪殼加工工藝，針對不同的加工難點進行分析并提出解決方案，最終確定其工藝路線，并在生產過程中驗證了加工路線的可行性。從實際應用來看，在設備投入最低的情況下，生產勞動強度最低，生產效率同類產品中顯著提高，生產穩定性及合格率約為99%，此類零件的成功開發，為同類型產品加工提供了新的思路和加工經驗。