增压器转子磨削单元头架改进

邱琦1上海交通大学（200949） 2斯凯孚（中国）销售有限公司（2006）

邱琦（1981年～），男，硕士研究生，工程师，主要从事机械工程研究。

0 引 言

目前，我国已到了汽车进入家庭的发展阶段，轿车的需求量大幅增加。为了降低汽车对环境的影响，汽车发动机的节能减排技术受到各方的重视，成为汽车研发最为重要的技术之一。为了迎合汽车发动机小尺寸化和降低碳排放的需求，采用发动机增压化技术是降低发动机燃油消耗率的较有效手段之一，通过涡轮增压，可以在不改变发动机排量的同时提高发动机的动力，功率增加20%～100% 。涡轮增压器工作原理如图1所示，它实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入汽缸。当发动机转速增快，废气排出速度与涡轮转速也同步增快，叶轮就压缩更多的空气进入气缸，空气的压力和密度增大可以燃烧更多的燃料，相应增加燃料量和调整发动机的转速，就可以增加发动机的输出功率。涡轮增压技术可改善发动机燃油经济性，减少燃油消耗7%～10%。当今，发动机增压技术作为一种改善汽车燃料经济性以及减少排气污染的手段而得到迅速发展（见图1）。

图1 增压器工作原理

增压器中，增压器转子是最为关键的核心零件（见图2）。在转子制造中，精密磨削技术是最后的精加工工序，显得尤为重要，转子的加工精度直接影响到增压器的工作性能和寿命等指标。如图2所示，某型增压器转子总长为112mm，轴长为90mm，最小的加工直径仅为4.208mm，长径比达21.4。细长轴通常是指工件长度与直径之比大于20(L／d>20)的轴类零件，所以增压器转子属典型的细长轴类零件。同时其形位精度要求也极为严格, 最小处公差为0.005mm，而且，增压器转子极为注重互换性，通常Cmk值≥1.67，折合到公差区间仅为0.00125mm。因此称之为精密细长轴，这也是典型的复杂、难加工零件。因为涡轮多半采用镍钼合金，叶轮采用铝合金或者粉末冶金，其刚度很差。磨削时在磨削力的作用下, 工件容易横向“让刀”产生弯曲变形和轴向下垂, 使磨削后的工件母线成腰鼓形, 磨削时容易振动,产生纵向振痕。磨削精密细长轴的加工特点主要是：

(1)工件刚度差，抗弯力弱，并有因材料自身重量而产生下垂弯曲现象。

(2)切削过程中，在切削力作用下产生弯曲，同时因受热伸长而产生弯曲，从而引起振动，影响工件精度和表面粗糙度。故目前加工增压器转子的专用磨床只有几家进口机床厂商提供。

一般来说，细长轴类零件的精密磨削可采用带顶尖磨削与无心磨削两种方法。无心外圆磨削是磨削棒料工件外圆的一种加工方法。工件无需中心夹紧, 而是通过砂轮、导轮及托板导向旋转进行磨削。与普通的外圆磨削相比, 无心磨削的优点在于整个被加工表面都被支承着，因此小直径的工件也可以强力磨削。在加工细长工件或是既有很高尺寸精度又要有很好的尺寸一致性的工件时, 无心磨床始终是一个强者。然而，对于增压器转子类细长轴，由于增压器转子的端面也需要磨削且有较高的精度要求，而无心磨床无法磨削端面，所以必须采用带顶尖的磨削方式。

图2 增压器及增压器转子

通过对细长轴零件磨削工艺的研究，开发出满足柴油机、汽油机增压器转子技术要求的高效高精度高可靠性的专用数控外圆磨床，以满足我国汽车工业发展的需要，为研发出具有国内自主品牌的涡轮增压器提供技术支撑。这项工作对于推动我国汽车发动机技术的发展，实现高精度涡轮增压器产品的国产化具有重要的意义。

1 头架结构比较

原先的磨床头架结构如图3所示，头架电机通过同步齿形带轮带动拨盘转动，电机由交流变频器控制转速并与数控系统相连，实现磨削过程中的转速自动切换，顶尖规格为莫氏4号，转速为30～300r/min，顶尖能承受的最大工件质量为50kg。而改进后的头架，不仅能满足其全部功能，而且在用料和装配方面降低了要求。以下介绍了普通头架和新研发头架的几点区别。

1.1 密封

原头架的密封取决于3个骨架密封圈。但是骨架密封圈是由橡胶制成的，属于全胶结构，如图4所示。此时密封程度就需要靠零件的加工质量而定。尤其重要是主轴外圆的公差和表面粗糙度以及台阶的深度，这就对主轴的加工提出了很高的要求；同时，对于装配时的配合公差，也提出了严格的要求。但使用骨架密封圈会产生一个不良的影响，因为如果主轴的质量稍有偏差，那将会导致密封面与零件有细小的缝隙。同时，头架旋转时会产生负压，导致砂轮颗粒或者磨削颗粒沿着上述细小的缝隙被倒吸入头架内。当颗粒物较大时，就被卡在密封圈和需要密封主轴外圆的缝隙中。此时，密封圈和主轴之间就相当于一个小型的研磨机，主轴外圆在密封圈的作用下不断的在被研磨。长此以往，该面就被磨出沟槽，从而使密封圈彻底丧失密封的效用。唯一的解决办法就是严格控制主轴的加工质量。一旦加工质量无法保证，该密封结构则无法起到应有的作用。

图3 原头架结构

图4 骨架密封圈横截面

改进后的头架如图5所示，密封方式采用双道迷宫密封。迷宫密封是在主轴组件外周设若干个依次排列的环行密封齿，齿与齿之间形成一系列截流间隙与膨胀空腔，被密封介质在通过曲折迷宫的间隙时产生节流效应而达到阻漏的目的。 由于迷宫密封的旋转部分和静止部分存在间隙，无固体接触，毋须润滑，并允许有热膨胀，适应高温、高压、高转速频率的场合。虽然该密封方式对零件的加工质量也提出了较高的要求，但是可以节省掉骨架密封圈的成本。如果杂质与水进入第一道迷宫，可利用离心力将水和杂质通过泄水孔排出至体壳外。如果还有剩余水进入的话，将在第二道迷宫处被完全地阻隔住。另外，假如有些杂质从顶尖孔进入体壳的话，也将利用离心力的作用从泄水口排至体壳外。虽然这种结构降低了成本，提高了密封的可靠性，但是对加工提出了较高的要求。由于迷宫是由两个零件配合而成。所以这两个零件的加工精度是对迷宫密封的唯一要求。可以用数控车床，以内孔为基准，一次成型，将迷宫外圆的同心度控制在0.02mm以内，将迷宫端面的跳动也控制在0.02mm以内。这样的话，可以严格控制迷宫通道的间隙为0.25mm，此宽度是经过空气动力学和流体力学的计算。宽度如果超过某一数值，则其中的介质流动速度将加快，无法产生节流效应。如果宽度小于某一数值，则残留在迷宫内的介质量过小，无法产生节流效应。经过计算，将宽度定为0.24mm～0.27mm为最佳。

图5 现头架结构

1.2 主轴

原头架主轴如图6所示，最大外径为ø120mm，长度为270mm。质量为13.64kg。可以说，对主轴的用料与加工，提出了很高的要求。过多的定位面以及定位面之间的跳动要求，包括莫氏4号锥孔的跳动要求，使主轴的加工成本居高不下。而且，与头架体壳的配合也有难度，因为主轴必须靠体壳定位。主轴需与体壳过盈配合0.008mm～0.016mm。但是铸件无法保证如此高的精度，所以基本是需要靠体壳孔来与主轴单一配合，即把体壳孔作为基准，由此来加工主轴的定位外圆。这种方法在当今追求效率、提高互换性的时代，显然已经处于很不利的位置。

改进后的主轴如图7所示，形式结构非常简约，只利用很短的一截长度为8mm的外圆作为定位面，从很大程度上降低了精度要求以及加工难度。最大处直径为95mm、长度为118mm、质量仅为2.39kg。质量与体积均只有原来的17.5%。由于只有一处定位面，只需保证定位面与定位的外圆间的垂直度以及莫氏4号锥孔的跳动即可。这节省了用料，缩短了加工周期，节约了成本，原先一周的加工周期现在仅需要两天即可。

图6 原主轴质量与体积

图7 改进后主轴质量与体积

此外，该头架主轴所能支撑的最大工件重量与原头架主轴一致，为50kg。在两根主轴的锥孔部分分别预加50kg的载荷，计算形变，结果如图8、图9所示。可以看出，两根主轴都是在轴头部分有较为明显的形变。原主轴最大的形变量为1.159×10-5m，而现主轴最大的形变量为1.434×10-5m。对于理论上最重的工件来说，形变值相差得并不是很大。一般这类磨床磨削的工件重量均小于10kg。如果按照10kg的载荷来说，此数值仅为5.5×10-7m，几乎可以忽略不计。

图8 改进前主轴的受力形变

图9 改进后主轴的受力形变

可以说，用原来17.5%的材料，就可以达到与原先一样的效果，且减小了加工以及热处理的难度，缩短了加工周期，省去了不少加工中可能出现的报废情况。

1.3 皮带轮

改进前的皮带轮形式如图10所示，轴承直接安装在主轴上。虽然结构较为简单，但是忽略了以下几个方面。

(1)热变形；

(2)皮带产生的拉力对主轴的影响；

(3)皮带引起的共振。

1.3.1 热变形

头架经过一段时间运转后，由于运动零件的摩擦和其他原因产生热量，会使头架热变形。发热的结果会使头架主轴中心产生位移，这是由于头架体壳的底面由工作台定位，所以受热后只能向上和向两侧膨胀，从而使主轴中心向上和向砂轮架方向位移。若磨削时工件仅由头架上的卡盘夹持，主轴的热位移仅影响工件的尺寸精度。若工件采用头、尾架顶尖顶住磨削时，由于尾架发热少，套筒中心几乎不位移，结果头架主轴中心的热位移会使头、尾架顶尖中心的连线与工作台导轨不平行，影响工件的几何精度。一般主轴向上的位移对工件精度影响不大，而向砂轮架方向的位移会使工件呈锥形。

图10 改进前皮带轮结构

电机带动皮带轮通过轴承旋转，如此一来必然会产生热量，而轴承直接安装在主轴上，导致热量通过轴承内圈直接传给了主轴。一般这类头架的转速约为30～300r/min。对外圆磨床头架作热变形实验时，结果显示几乎每台磨床的头架都有热变形，有的上母线位移量达到0.02mm以上，侧母线位移量达到0.015mm。由皮带轮带动拨盘旋转的头架，开机1h以后头架温升约为6.8℃。如此对主轴的热变形产生的影响虽然微小，但是的确存在。当主轴锥孔受到极微小的热变形作用时，会将这种变形通过头架顶尖传送至工件上。那时，这种误差将会以几何倍数放大。

1.3.2 拉力

因为电机通过带轮和皮带带动主轴拨盘转动，但是皮带的松紧程度比较难调节。如果皮带比较松的话，会影响功率的输出。但是如果太紧，会对主轴产生一定程度上的牵拉，增加了主轴变形和轴承受力的程度。这种情况会对主轴锥孔的跳动产生不良的影响，从而影响工件的圆度以及直线度，更严重时将在表面产生螺旋线，影响表面质量。

1.3.3 共振

这种情况出现在数控磨床的各个方面，包括砂轮架电机引起的共振、头架电机引起的共振、还有吸雾器引起的共振等。其中，以头架和砂轮架电机引起的共振最为常见。一旦引起共振，将会导致工件精度产生偏差。所以往往砂轮架电机会用减震块的形式来消除共振。而头架电机多用法兰式安装，消除的方式比较困难，往往需要现场调整。因此牵涉到的问题相当多。

改进后的皮带轮就上述三点做了改进。如图11所示，轴承并不是直接安装在主轴上，而是安装在一个套筒上，通过这个套筒来带动头架拨盘的转动。这样，一是阻隔了热传导，二是减少了共振，同时也让皮带的拉力只作用在套筒上，而不影响到主轴的变形。因为套筒与主轴之间存在1mm的间隙，正是这个间隙使得热量无法传导到主轴上，从而使主轴锥孔的热变形减小到最低。其次，这个间隙可以让皮带轮的张紧力只作用在套筒上，而不是在主轴上。再次，该间隙可以避免共振。因为即使发生，套筒也可以将振动直接传递到头架体壳上，从而使主轴振动量减为最小。

图11 改进后皮带轮结构

2 小结

针对增压器转子这类精密细长轴类零件，此头架的改进有着相当重要的意义。通过上述头架结构改进前后的比较，可以看出，改进后的头架在装配过程中不仅更容易实现精度，而且对原先头架存在的诸多问题也有相应的解决方案，包括头架密封、主轴材料与皮带轮涨紧方式等。