涡轮增压器转子在批量生产中的可靠性控制

（.上海柴油机股份有限公司，上海00438；.上海菱重增压器有限公司，上海0707）

涡轮增压器转子在批量生产中的可靠性控制

薛伟1，顾雪阳2
（1.上海柴油机股份有限公司，上海200438；2.上海菱重增压器有限公司，上海201707）

涡轮增压器转子作为涡轮增压器的核心部件，其加工质量直接影响整机性能的可靠性。本文着重介绍涡轮转子在批量生产过程中的关键控制点。

涡轮增压器 涡轮转子 可靠性

1 前言

增压技术在内燃机上的应用已日趋普及，加装增压器使内燃机的动力性、经济性以及排放特性都得到提升和优化。增压器可以分为机械增压、气波增压、涡轮增压、复合增压等多种增压方式，涡轮增压是其中最主要的一种增压方式，目前国内各发动机厂普遍应用的就是涡轮增压技术。

涡轮增压器是一种通过提高发动机进气密度、使发动机增加输出功率的部件。它利用内燃机废气排放的动能，驱动涡轮转子高速运转，进而带动压气机叶轮，使被压缩的空气进入进气系统，提高内燃机的进气密度，使空气和燃油混合更加充分，燃烧更理想，因此可以提升功率、降低油耗、改善排放[1，2]。

涡轮增压器最核心的零部件是涡轮转子，其主要工作特点是：高温工作（柴油机排温550～800℃，汽油机排温850～1 100℃）；高速运转（转速达数万至数十万转/分）；工况多变（车用最为典型）将造成涡轮转子的运转转速急剧变化，其工作力学环境也非常恶劣。这些工作特点，都对涡轮转子的可靠性提出了非常高的要求。

本文即着重讨论在批量生产过程中，如何通过有效控制涡轮转子可靠性相关特性，达到保证零部件整体性能可靠的目的，主要包括涡轮和轴焊接过程的控制、热处理过程的控制以及内圆角加工精度的控制等。

2 涡轮转子批量生产工艺流程

涡轮转子主要工艺由焊接、粗加工、半精加工和精加工组成。

焊接相关工序

OP010打涡轮中心孔磨焊接端面

OP020清洗涡轮和轴

OP030电子束焊接涡轮和轴

OP040拉伸试验粗加工相关工序

OP050打轴端中心孔

OP060粗车

OP070热处理

OP080磨轮背基准半精加工相关工序

OP090粗磨

OP100磨涡轮R

OP110去毛刺

OP120车螺纹及槽精加工相关工序

OP130磨槽

OP140精磨

OP150精磨

OP160动平衡（测试及去重）

3 涡轮和轴焊接过程的控制

3.1 涡轮转子轴焊工艺

涡轮转子是由高温合金的涡轮和低合金碳素钢的轴焊接而成，广泛应用的有摩擦焊接和电子束焊接二种工艺。

（1）摩擦焊接工艺

摩擦焊接是使相对旋转的涡轮和转子轴接触而产生摩擦，使动能转化为热能，同时在压力的作用下，二种金属融合在一起，冷却后就结合为一个整体。其设备要求相对简单，对焊前工件的清洁度要求也不高；但其由二种金属融合而成得凸出焊缝巨大（图1），焊接件的热影响区和变形量也较大，需单独安排工序清理，其一致性影响流水线的排布。

图1 摩擦焊接

（2）电子束焊接工艺

电子束焊接是一种利用电子束作为热源的焊接工艺，电子束焊接机主要由阴极发射、高压电源、电磁透镜、真空支持、运动支持以及相应的伺服控制系统组成。当电子束焊接机的阴极加热到一定的温度后会逸出电子，电子在高压电场中被加速，通过电磁透镜聚焦后，形成能量密集度极高的电子束。当电子束轰击焊接表面时，电子的动能将转变为热能，使焊接件的结合处的金属熔融。当电子束相对于焊接件移动时，可在焊件结合处形成一条连续的焊缝。电子束焊接具有焊缝深而窄、焊接件的热影响区小、焊件变形小、焊接接头强度高、质量一致性好等优点，见图2。当然，由于电子束穿过空气时，将被极大地衰减，需要在真空中条件下才能有效地操控和使用，其设备的维护保养要求较高。

图2 电子束焊接

3.2 电子束焊接的质量控制

电子束焊接过程可靠性控制应从以下几点考虑：（1）控制诸如发射源、加速及聚焦控制系统、定位控制系统、环境支持系统等设备相关参数，使其稳定；当参数异常时，确保有缺陷的产品不流出；（2）控制待焊接零件的焊接表面杂质；（3）监控过程，确保有缺陷的产品不流出；

为保证电子束焊接批量生产的质量，实现的关键途径如下：

（1）阴极的监控

阴极作为电子束的发射源，担负稳定提供足量电子的任务。其电子逸出的数量同加热温度及阴极本体材料有关。

应首先监控其加热电流和加热温度，确保逸出电子的数量。当加热电流发生异常时报警。

阴极还应进行寿命监控，可采用计时法，达到预期寿命前报警。

（2）高压电源及电磁透镜的监控

高压电源的主要作用在于加速电子，其电子束的加速速度同加速电压直接相关。应监控其加速电压，当加速电压发生异常时系统报警。

电磁透镜的主要作用在于控制电子聚焦。应监控其偏转电压，当发生异常时系统报警。

（3）运动及其控制系统的控制

运动及其控制系统的作用是控制工件与电子束的相对位置。其保养控制方与普通数控系统相同。

（4）真空系统的监控

真空系统主要由阴极室、加速室、加工室，以及相应的气密管道及真空泵组成。整个系统应在加工过程中确保气密性和真空度。

真空泵的控制主要是日常保养。其日常保养关键在于润滑，应制作专门点检表予以确保。

阴极室和加速室在整个焊接过程中应确保真空度。这一点，只要按设备说明书的指示，定期清洁更换其密封件即可。

而加工室则一方面由于需要进出工件，频繁抽气；另一方面，由于焊接过程中会有逸出的金属蒸汽、碳微粒在加工室内表面凝结、沉积，需要对其密封件进行更为频繁的清洁保养。实际中，其清洁保养周期很难确定。一种具有类似预测保养的方法是通过监控系统的抽气时间的变化，预测其清洁保养点。

（5）焊接材料的控制

电子束焊接前，焊接件必须确保清洁，尤其是禁绝油脂类污垢。其原因在于，如果焊接表面残留油脂，会在焊接过程中气化，形成焊缝内气泡，影响焊接强度，试验数据显示，直径超过0.8 mm的单个气泡就会对焊接强度产生致命的影响。当然，其他粉尘类杂质，也应去除。

为确保完全去除污垢，在焊接前必须清洗。并且，应确保焊接表面不能残留清洗剂（也是一种杂质）。这样水溶性清洗剂就不适合了，可利用卤代烃类有机溶剂（ODS）进行气相清洗。

（6）焊接质量的可靠确认

焊接质量的确认可以采用抽样的破坏性试验法，结合全数的非破坏性试验法进行。

非破坏性试验有探伤法和拉伸试验法。相对更为直接可靠的方法是，以根据涡轮转子工作条件计算出的拉伸力，全数进行拉伸试验，以确保安全承受工作载荷。

破坏性试验有破坏性拉伸试验、与纵向剖开后评价焊接断面的形状、尺寸二种方法，参见图3和图4。

4 热处理过程的控制

涡轮转子工作时转速非常高，决定了其轴承接触部位具有“外硬内软”的特性，轴承接触部位应采用表面热处理工艺。

以下将以某型自动表面热处理机为例，介绍表面热处理工艺在批量生产中的过程特性控制。图5为涡轮转子轴表面热处理要求。

4.1 表面热处理机的工作原理

图3 焊接部位

图4 热处理部位

图5 转子轴热处理要求

该表面热处理机是利用涡流的原理，在回转体的工件外包裹线圈（实际是工件插入线圈内），并通以强大的高频电流，使其线圈内（及工件处）将产生强大的交变磁场。由于工件为铁磁导体，产生涡流效应，将在工件表面形成局部加热作用。其加热深度与电流频率及通电加热时间有关。

结合淬火液循环喷射系统、线圈冷却系统、运动及工位控制系统、工件拾取系统等，就形成了加热、淬火、二级回火等工步在一台设备上一次完成的自动表面热处理设备。

4.2 可靠性控制的关键措施

（1）设备的控制与日常保养

影响热处理批量一致的关键，在于监控其加热电流和淬火液的温度与流量。一方面设备一定要有实时监控这些特性的功能；另一方面，应针对这些功能，建立合理的保养规范，并有效实施。

（2）淬火液的控制

淬火液的选型与维护不容忽视。尤其是应采取有效措施，发现并避免淬火液内微生物的繁殖。其原因在于，微生物的繁殖将导致淬火液表层形成膜状物质，这些物质极易导致循环管路堵塞，进而导致淬火液流量不足，造成工件的硬度与淬硬深度不良。

（3）夹具（高频线圈）

夹具（高频线圈）的主要控制点在于：一是定期保养其内部细微管路（淬火液喷口）；二是确保其导通件和绝缘件的电气性能，必要时可用摇表检测。

（4）热处理质量的可靠确认

当初次设定工艺参数或工艺参数调整后，应做破坏性试验，即将工件纵向剖开，研究其断面热处理有效区的形状、大小及硬度特性。

平时，为保证批量质量，并监控过程参数的变化趋势，还应较为频繁地采用非破坏性方法，抽检硬度和热处理有效区的大小和位置。

5 内圆角的控制

涡轮转子零件结构上有许多肩面过渡圆角和沟槽，如图6所示。这些结构的底部内圆角如果加工偏大，则会造成装配时同其他零件卡滞，增压器不能工作；如果加工偏小，则将产生应力集中，进而可能造成工件高速运转条件下断裂的风险。应严格按设计图纸加工成形这些细微结构，确保工件使用的可靠性。

应考虑采用的可靠加工及控制方法如下：（1）采用相对可靠的加工手段

推荐加工这些沟槽类结构尽量采用磨削方式。相对于车削，磨削除能够获得更为光洁的加工表面，可提高零件抗疲劳特性，其加工过程更为稳定可靠，而且其多刃切削方式更能容忍切削工具的异常缺损。同时，磨床能够在不停机的情况下实现定期（定数量）在线修磨切削工具。这一优点，对于批量生产具有重要意义。

图6 涡轮转子轴上过渡圆角和沟槽结构及要求

（2）选用相对长寿且寿命稳定的切削工具，并确定可靠的切削工具更换或修磨周期

推荐更多地采用CBN刀具、CBN砂轮加工，这样可以相对低成本地监控其加工质量。需要特别指出的是，经长期大批量生产实践验证，采用金属结合剂的CBN砂轮，完全可以稳定地一次性加工成形宽度1～2 mm，槽宽公差0.02左右，槽底圆角稳定控制的密封环槽，其使用寿命可达万件以上。

（3）有效地质量监控

鉴于成本控制，生产现场可采用抽检频度相对密集的通止规方式测量，而以相对较长的周期，使用诸如轮廓度仪之类的测量设备收集工艺系统的数据，不断识别并着手消除系统变差。

6 结束语

批量生产过程控制是否有效，其关键在于能否确保过程参数的有效监控。只有及时、准确地获得了关键过程参数的变化，才能分析原因、采取对策、持续改进。

1朱大鑫.涡轮增压与涡轮增压器.兵器工业第七零研究所内部刊物.

2陆家祥.柴油机涡轮增压技术[M].北京：机械工业出版社，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

来稿日期：2010-09-07

薛伟（1973-），男，工程师，主要研究方向为企业业务规划和新产品项目管理。