关于涡轮增压器叶片加工方法的比较分析

摘要：叶轮是整个涡轮增压器中的核心部件，当发动机处于工作状态时，高速旋转所产生的强烈离心力，以及所处高温工作条件，会使涡轮叶片运行中需承受比较大的热应力与拉应力，非常容易发生变形弯曲情况。因此，在对涡轮增压器叶片进行加工时，选择合适技术方法尤为重要。本文对比了涡轮增压器叶片的传统加工方法与新型加工工艺，剖析新工艺的实用价值，望能为此领域应用研究有所借鉴。

关键词：涡轮增压器叶片;线切割加工;榫齿

0  引言

叶轮可谓涡轮增压器的心脏，在整个涡轮增压器架构当中，叶轮位于其转子上，结构尤为复杂;当涡轮增压器处于工作状态时，叶轮会把得到净化的空气压进气缸当中，并向动能转化，以此实现发动机输出功率的增加。在此运作流程中，叶轮处于高速旋转状态，轮缘有着比较快的切向速度，所以叶轮有着较复杂的流动情况，且常处于高压、高温及高腐蚀状态。因此，在设计、生产叶轮时，其水平高低会直接影响到涡轮增压器的工作性能。当前，大多涡轮增压器叶片所用材质以低碳镍基合金居多，用无余量真空精铸成叶片，叶身型面无序机械加工，主要对枞树形榫齿部分进行加工。本文分别从传统加工方法与新型加工工艺两方面，对比涡轮增压器叶片的加工工艺，现对此作一探讨。

1  涡轮增压器叶片概述

在整个涡轮增压器涡轮驱动组件当中，叶片作为其核心部件，发挥着举足轻重的作用;当发动机处于运作状态时，由于旋转速度快，因而会产生持续且强烈的离心力，另外，由于所处环境温度比较高，因而涡轮叶片需要承受比较大的热应力与拉应力。针对此情况，要求涡轮增压器叶片无论是在抗拉强度上，还是在屈服强度上，均需足够大，而且还需要有较高的温氧化、抗高温蠕变性。需要指出的是，叶片主要由两部分构成，其一为榫头，其二是叶身;针对叶身来讲，其空间形状比较复杂，主要由多个型面组成（截面不同）。各个截面之间扭成特定角度，最后便能形成处于扭转状态的叶身、对于榫头来讲，其借助榫齿，能够将叶片在涡轮盘上比较准确合理且安全可靠的固定，以此涡轮驱动组件的高效、安全运行提供切实保障。针对榫齿而言，其主要有枞树形、圆柱形、T形等。

在对叶片进行加工时，难度较大，原因在于如下方面：①所用材质是耐热合金钢，有着非常高的韧性、硬度与强度，而且对加工刀具也有着比较高的要求，因而有着较低的生产效率;②叶身外形比较复杂，大多是变扭截面，传统的机械加工难以满足现实要求;③有着比较高的精度要求，尤其是榫齿，如果仍采用成形铣削加工技术，则精度难以达标，因此，现阶段多用蠕动进给磨削加工。

因榫齿无论是在形位公差上，还是在尺寸精度上，均有着比较高的要求，而且所用材料还是比较难切削的耐热合金，因此，在对榫齿进行加工时，其定位基准仅能采用叶片曲线型面，而在对榫头其他部位进行加工时，通常将榫齿当作定位基准。

2  涡轮增压器叶片加工方法

2.1 传统加工方法

传统加工方法实际就是蠕动进给磨削加工，针对此方法而言，其在业内又被称之为强力成形磨削加工，主要采用的是缓进给速度及大切削深度，仅需要一个工作循环，便能够磨削成形。主要优点为：①有着比较高的生产效率，除了高于传统磨削外，还优于铣削;②加工工艺得到简化，工件表面的当前状态不会对其造成影响，所以能够直接由精铸毛坯磨削成形;③能够较好的改善工件表面质量，而在具体的表面粗糙度上，能够达到Ra0.7～0.3μm;④对于那些无法切削的高强度合金，同样能够加工。

①加工设备。即缓进成形强力磨床，其中包含1套砂轮反靠装置和2套滚轮支架，而配套设备主要有平面磨床、光学曲线磨床等。针对所用的缓进成形强力磨床来讲，其不仅有着较好的系统刚性，而且操作简便、精度高，此外，还有着比较高的加工效率。在机床上，还配置有冷却系统与高压冲洗系统，因而在磨削时，能够冷却砂轮与工件，并且冷却液经过滤系统过滤后，能够向冷却与冲洗喷嘴重新输送，因而可达到循环使用的目的。②工装。主要包含榫齿标准检具、磨榫齿侧面夹具、磨榫齿小夹具、磨榫齿大夹具及磨榫凸缘夹具等。③加工工艺。在磨削加工过程中，将叶身型面当作定位基准，叶片安装在专用夹具上，且完成定位、夹紧后，会在蠕动磨床上经磨削后成形。为了能够对缓进磨用砂轮加工工艺参数的可行性以及几何尺寸的正确性进行验证，首先需进行加工样件的试验。加工样件之后，采用光学投影仪对榫齿型面的几何尺寸进行检测，并用荧光渗透法对磨削表层状况进行检测，在明确合格后，便能进行批量生产。④砂轮。针对所用砂轮来讲，主要有三种，分别为钢挤轮、普通平磨砂轮与磨用砂轮;此榫齿所使用的加工工艺实际就是成形磨削，因此，决定产品合格与否的关键，即为磨削砂轮的轮廓正确与否，为了确保砂轮轮廓始终处于正确状态，可采用标准钢挤轮（内置有光学曲线磨），对“硬砂轮”进行修正，并用硬砂轮对磨削用的“砂轮”进行修整。

由于涡轮与叶轮均处于同一转子上，当处于工作状态时，其便会高速旋转，所以，会对其工作性能有比较高的要求，制造叶轮的常规方法即铸造成型、打磨、抛光等。但此方法有着比较低的生产效率，而且流道、叶片的精度与强度难以得到保障，所以当叶轮处于高速旋转状态时，会有较差的平衡性，因而会对涡轮增压器的整体工作效率造成直接影响。

2.2 新型加工工艺

在整个电火花加工体系中，电火花线切割加工为其重要分支，实际就是直接利用热能、电能完成加工的一种工艺技术。对于此种加工技术而言，通常用作下列情况：①在对特殊合金及硬质材料进行加工时;②在对那些比较复杂的几何形状零件进行加工时;③价格昂贵、高精度及小型化的零件;④加工其他方法无法加工的零件;⑤加工常规加工时要求选用贵重刀具的工件。

①加工设备。在具体的加工设备上，主要为RA90型线切割机床（日本三菱公司产），此机床不仅有着较高的精度，而且加工效率高，操作简便;另外，在机床上，还专门配置有与之相匹配的冷却系统与高压冲洗系统，能够在切割时，为工件及时冷却提供保障;并且当冷却液经过滤系统过滤之后，能够向冷却与冲洗喷嘴重新输送，因而可以实现循环利用。②工装。新工藝所选用的工装实际就是切榫齿自制夹具。③加工工艺。在进行实际加工过程中，将叶身型面当作定位基准，在专用夹具上进行叶片安装，并对其进行定位、夹紧等操作后，依照输入程序，在线切割机床上直接自动切割成形。在加工好制件之后，采用光学投影仪由目的性的对榫齿型面的几何尺寸进行详细检测，并在明确合格后，便可开展批量加工。④表面处理。在线切割之后，便可围绕榫齿部位，实施有针对性的电化学抛光处理。

另外，还需要指出的是，因叶轮的叶片实为一种薄壁片体型零件，因此，在加工过程中，非常容易发生形变情况，为了能够防止此情况的出现，可采取如下措施：①在粗加工并非第一流道时，可以将物质填充于已经加工的流道处，以此达到支撑叶片的目的，此外，还能避免出现叶片在粗加工时出现走形情况;②在对叶片进行粗加工与细加工时，都采用多层铣削的方法，这有助于单次进给量的减少;③采用一些有着较硬材质的刀具、刀柄，在加工时防止出现让刀情况，尽可能使其吻合于设计形状。当对叶片的外弧面、内弧面进行实际加工时，由于这两个面均为最大叶身曲率的地方，而在机床加工过程中，走刀选择的是线性插补，因而会出现一定的非线性误差。为了能够较好的满足涡轮增压器运作时的各项性能要求，可选用曲率差值法将此问题解决掉。

3  结语

综上，针对蠕动进给磨削加工而言，其在实际操作中，通常需要较多比较复杂的工装、量具、专用机床及夹具，设备比较昂贵，而且还有着较强的专用性，难以兼顾其它产品的生产;此外，整个工装制造还有着比较长的周期，费用比较高，需持续性的修整砂轮，因而有着比较大的消耗量。而对于线切割加工来讲，其所需要的工装数量少，而且简单，设备大多是常规机床，能够兼顾其它产品的生产，因而灵活简便。当前，新工艺被在生产中得到广泛应用，效果理想。

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作者简介：张建国（1978-），男，山东潍坊人，高级工程师，研究方向为机械工程。