汽車渦輪增壓器制造裝備國內外現狀分析

孫大宇 莊東帆

（①機械科學研究總院，北京100044;②汽車制造裝備創新聯盟，北京 100044）

渦輪增壓技術促進了內燃機的發展，特別是20世紀70年代增壓器不斷小型化，促使增壓技術迅速發展并得到廣泛應用。渦輪增壓器利用發動機排放的廢氣驅動渦輪機轉動并帶動同軸的壓氣機工作，將新鮮空氣進行壓縮，提高發動機動力性能、降低油耗和廢氣排放效果明顯（可提高功率20% ～50%）。

據有關資料顯示，2010年全球汽車產量為7 760.9萬輛，其中乘用車產量為5 826.4萬輛，加上維修市場的需求，全球渦輪增壓器的需求量在8 000萬臺以上，市場需求巨大。目前全球的生產能力僅有5 000 萬臺左右，Honeywell、BorgWarner、Holset、IHI、三菱等知名渦輪增壓系統制造企業年產量達到2 600萬臺，而我國年產不足160萬臺。世界上5大增壓器公司都已在中國投資建立生產研發基地，如上海Honeywell、無錫 Holset、一汽三佳石川島播磨、寧波 Borg-Warner和上柴三菱。另外，捷克的CZ公司等也在尋找合作伙伴或在中國銷售。國內渦輪增壓器制造業面臨嚴峻的挑戰。

制造裝備落后已成為制約國內渦輪增壓器企業快速發展的重要瓶頸之一。制造裝備落后引發了產品性能差、加工精度低、加工效率低等一系列問題。本文以汽車制造裝備創新聯盟針對國內渦輪增行業調研為基礎，對比國內外渦輪增壓器制造技術和裝備的差距，對國內渦輪增壓器制造裝備現狀進行總結，并提出縮短差距的幾點方法。

1 渦輪葉輪國內外制造裝備分析

渦輪葉輪是增壓器具有代表性的重要零件，結構復雜、種類繁多。渦輪葉輪的型面設計涉及到空氣動力學、流體力學等多個學科，曲面造型復雜，對制造水平具有極高的要求。

1．1 國內渦輪制造裝備現狀

目前國內渦輪毛坯制造工藝主要是精密鑄造，即通過蠟模制作殼型（見圖1，圖2），脫蠟后對殼型進行焙燒，之后進行真空澆鑄，高頻補縮之后再進行砂輪切割取出毛坯，熱處理之后進行檢驗整形，之后與轉子毛坯摩擦焊接。

整個制造過程中存在原材料利用率低（僅30%左右）、化工輔料需求多、能源消耗大、生產環境惡劣、勞動強度高等問題，生產效率難以提高。

受精密鑄造方式效率的影響，國內增壓器行業大部分企業的產能為10～30萬件/年，國內僅有個別企業能達到70萬件/年。

1．2 國外渦輪制造裝備現狀

針對渦輪制造技術，工業發達國家曾先后研制出多種加工方法，例如:最初采用鑄造成型后修光加工法、石蠟精密鑄造法、電火花加工法、三坐標仿形銑削法等。但這些早期的加工方法不僅加工效率低，而且加工質量較差，效果并不理想。

金屬注射成形工藝相對于傳統的精密鑄造工藝，不僅可以提高渦輪毛坯的高溫性能、減小渦輪毛坯的葉片厚度，還可以提高原材料利用率、減少渦輪制造過程中能源及化工品的消耗、改善工人的勞動環境及勞動強度，是打破鑄造工藝缺點限制規模發展的重要工藝方法。

目前，國外主要渦輪毛坯制造商DUN－CAST公司已經掌握渦輪毛坯金屬注射成形的工藝，并在其年產的600多萬只渦輪毛坯中，有15%是通過金屬注射成形加工而成的。

歐、美、日已形成了完整的粉末注射成形產業鏈，有專業的粉末注射成形喂料、注射機、脫脂燒結爐生產商。從國外的技術發展趨勢來看，粉末注射成形零件的精度和性能越來越高，涉及到的材料體系更加廣泛。均勻、穩定、便于注射和脫脂的喂料設計;基于計算機仿真的工藝過程優化;高性能粉末注射成形裝備的開發是未來的技術發展趨勢。

歐、美、日現已經成功開發出粉末注射成形的渦輪轉子，主要廠家有Advanced Forming Technology、GKN Sinter Metals、Schunk Sintermetalltechnik 和 Mathson Materials Technology。

1．3 國內葉輪制造裝備現狀

渦輪增壓器葉輪目前主要采用鋁合金作為原材料，國內企業制造葉輪毛坯的主要生產工藝是低壓鑄造（見圖3）或真空吸鑄。

由于其發展時間短，技術及資金力量薄弱，國內大部分企業還處于作坊式生產水平，較國外產品相比產品強度差、產品原始不平衡量大、產品加工效率低。

1．4 國外葉輪制造裝備現狀

目前國外葉輪制造工藝主要有電磁鑄造和數控加工。

1．4．1 電磁鑄造技術

電磁鑄造是電磁流體力學與冶金工程相結合的先進材料加工技術。

國外主要的葉輪毛坯生產廠家集中在歐美等國家。英國Dun－cast公司旗下的Sterline公司是生產葉輪毛坯的知名企業，年產葉輪毛坯500萬件以上。Sterline公司和其他境外葉輪生產企業已經廣泛采取了自動化和機械化的制型、澆注、鑄后清理等生產技術手段，生產過程已經實現大規模、連續、自動生產。同時在澆注工序上，已廣泛采用電磁泵鑄造技術，替代了目前國內廣泛采用的低壓鑄造和真空吸鑄技術。

目前最具有現代化、規模最大的采用電磁泵低壓鑄造工藝生產發動機鋁鑄件的是美國福特汽車公司鑄造廠，該廠全部采用電磁泵低壓鑄造系統（見圖4），并實行自動化控制。

美國Novacast公司專門從事電磁充型系統的研制開發與生產，形成了系列化產品。據資料表明，國外擁有該項技術的國家有美國、英國、法國、俄羅斯及烏克蘭等。法國是最早開發生產電磁泵金屬輸送設備系統的國家，但其主要是用于核工業中。俄羅斯和烏克蘭也是較早從事電磁充型系統研制的國家，已有成熟的設備產品。

1．4．2 整體葉片數控加工

目前，國外整體葉輪加工技術的發展趨勢是采用數控加工方法。

葉輪類零件工作面形狀日趨復雜（見圖5），模具制造難度比較大，工藝過程復雜，制造成本高，葉片精度難以保證，而且葉輪內部容易造成鑄造缺陷，葉片鑄造過程容易變形，葉輪整體材質不均勻，葉輪的動平衡性能差。同時，工人的勞動強度大，工作環境惡劣，生產周期長。

數控加工增壓器葉輪具有加工準確、精密、連貫性好、制造周期短，以及易于修改產品幾何尺寸等顯著優點，越來越多的葉輪生產廠家開始采用數控技術加工葉輪。但是，由于葉輪一般由自由氣動曲面形成，葉片薄，難于做到高速銑削。一般來說，一個70 mm直徑的葉輪，采用通用五軸銑削需要36～130 min，此種方法一般應用于研究開發，難以滿足批量生產的要求。

在葉輪以及復雜曲面的數控加工領域，國際上比較先進的機床廠家有DMG和Mikron。

德國DMG的成功的案例是使用HSC 20 linear機床加工φ40 mm左右的6長6短共12個直紋曲面葉片鋁葉輪，銑削葉片的加工周期是79 s;瑞士Mikron的組合機床Multistep XT200（見圖6）加工φ60 mm左右的6長6短共12個直紋曲面葉片鋁葉輪，在只用一個加工模塊的情況下，完成銑削葉片、加工中間孔、去除工藝柄等所有工序的加工周期是240 s;加工φ30 mm左右的5個長直紋曲面葉片、5個短自由曲面葉片的鋁葉輪，在只用一個加工模塊的情況下，完成銑削葉片、加工中間孔、去除工藝柄等所有工序的加工周期是350 s;在增加模塊的情況下，加工時間可進一步縮短。

DMG的HSC 20 linear機床結構非常緊湊，X/Y/Z軸上帶有精密冷卻裝置的直線電動機可以實現最高的動態性，A/C軸定位精度為5″，在每個軸上都具有直接位置測量系統，最大加速度大于2g，X/Y/Z軸快移速度為40 m/min，定位精度為5 μm，防振的模壓大理石床身加上42 000 r/min的HSC主軸，配有主動冷卻裝置，加工出的零件輪廓符合性很高，表面質量可以達到Ra＜0.2 μm。

瑞士Mikron的Multistep XT200（圖6）在控制速度以及具體應用驅動技術中不同的功能方面更具有優越性，Multistep XT200的優點就是可以實現幾乎無間歇的精密加工。XYZ軸的加速度最高為1.4g，最高速度可達52 m/min，高性能主軸的轉速可達40 000 r/min，這就實現了極短的加工循環。同時，Multistep XT200還具有極高的精度:XYZ軸定位精度為±0.002 μm，重復定位精度為 ±0.001 μm;BC軸定位精度為 ±3.5″，重復定位精度為 ±2.5″。

該設備價格高達2 000余萬元。

1．5 國內渦輪葉輪制造裝備發展基礎

由于渦輪增壓器市場需求龐大，國內企業及研究單位已在新技術發展方面開展了研究工作并奠定了一定基礎。

（1）金屬注射成形方面，國內企業在粉末冶金、注塑產業具有幾十年的技術積累，部分科研院所在粉末注射成形領域已有研究，這對于國內企業掌握粉末注射成形技術具有重要的基礎作用。

（2）電磁鑄造方面:近來清華大學、西北工業大學、哈爾濱工業大學等業內專家都已關注此技術方向。國內某技術公司自行研制開發了適合鋁合金生產的直流平面電磁泵澆注設備樣機，為國內首創，與國外設備相比具有效率高、體積小、價格低的特點，非常適合于國內推廣，為在國內推廣電磁泵鑄造技術打下了良好的基礎。

（3）面向葉輪整體成形五軸聯動數控機床方面，國內在多軸聯動加工技術領域已取得初步成效，基本解決了高性能復雜曲面類零件多軸數控加工關鍵工藝技術。但由于長期不重視對加工表面完整性的控制，導致國產高性能復雜曲面類零件的加工表面完整性的保障往往是以低的加工效率和高的加工成本為代價。康躍科技股份有限公司聯合國內外大學開展研究，對五軸聯動加工設備的批量加工關鍵技術形成一定基礎。

2 渦輪轉子國內外制造裝備分析

渦輪轉子（見圖7）是渦輪增壓器的主要零件，屬于典型的超細長軸加工，最小直徑達4 mm，長徑比高達25∶1以上，產品圓柱度、尺寸公差要求非常高，為微米級加工技術，是典型的復雜、難加工零件。

2．1 渦輪轉子國內制造裝備情況

為保證渦輪轉子加工精度和生產效率，國內現在所采用的渦輪轉子高精度數控車床、磨床（見圖8）基本都是進口。

2．2 渦輪轉子國外制造裝備現狀

國外渦輪轉子生產廠家主要集中在歐美發達國家，主要生產企業有霍尼韋爾（Honeywell）、博格華納（BorgWarner）、博士馬勒。這些企業在加工工藝、生產設備、生產能力和產品質量方面都處于全球領先地位，其增壓器生產總量約占全球生產總量的80%。

國外制造企業在每個制造環節均采用國際知名的數控加工設備。采用雙刀架數控車床進行軸部粗、精車削加工，采用高精度數控磨床完成軸部、環槽與葉型的精密磨削，以高精度測量裝置實現在線測量，利用動平衡機床實現單件動平衡的測試與修正。

國外細長軸高精度高剛度數控車削類機床的發展已經有20多年的歷史，都已經形成批量生產此類機床的能力。如日本MAZAK、森精機、大隈，德國 DMG、INDEX，韓國斗山、現代等，其產品性能越來越完善，在加工渦輪轉子工藝上，選用主軸頂尖與尾座頂尖裝夾，上下刀架同時切削抵消切削力、防止細長軸變形的方法，并形成相關專利。

質量較高的渦輪轉子磨床生產廠家主要集中在歐美、日本等發達國家，主要生產企業有德國的Schaudt肖特、Junker勇克，瑞士 Studer、Kellenberger和日本豐田工機等企業。上述企業在機床中均采用了CBN高速磨削技術、直驅技術、消空程技術、在線測量和補償技術等先進技術［2］。

2．3 國內渦輪轉子制造裝備發展基礎

針對渦輪轉子細長軸的高精度加工要求，國內渦輪增壓器企業對加工工藝已非常了解，大連機床廠對雙主軸雙刀架車床已進行過深入研究，上海機床廠有限公司已具備此類設備的制造經驗。

依托以上基礎，提高機床可靠性和精度穩定性是未來重點工作。

3 渦輪增壓器裝配檢測裝備國內外情況分析

車用渦輪增壓器性能測試具有高溫、高速、工況范圍寬、工況變化頻繁等特點，最高測試轉速達到250 000 r/min，最高測試溫度達到1 050℃，對寬范圍工況精確調節、測試精度、重復性、自動化程度及裝配質量等方面的要求非常高。

3．1 國內裝配檢測裝備現狀

國內大部分制造企業多為單工位手工裝配，裝配后的產品采用磨合試驗，不但浪費大量的燃料、污染環境，還無法保證裝配質量。

國內僅湖南天雁機械有限責任公司、康躍科技股份有限公司等個別規模較大的增壓器廠家引進國外技術，采購國外設備，進行增壓器裝配線技改，能夠實現增壓器裝配中在線檢測、以整機動平衡取代出廠磨合試驗。

但是，對于大部分國內增壓器制造企業來說，國外的增壓器裝配和測試裝備價格過于昂貴，一條進口的裝配線價格在1 000萬元以上，德國進口的渦輪增壓器性能試驗臺為1 000萬元，英國進口的半自動整機振動試驗臺價格為100萬元以上，昂貴的進口設備嚴重制約了國內增壓器企業提升產品測試水平的能力。

3．2 國外裝配檢測裝備現狀

由于渦輪增壓器技術含量高，其測試項目涉及氣體動力學、熱工學、機械強度和熱強度、材料、潤滑與密封等多種學科，使得其測試技術非常復雜。國外知名企業的增壓器裝配都是實施零部件防錯防漏技術，在線檢測并自動記錄，配備數據處理系統，具有儲存、處理和遠程實時監控功能，對產品零件裝配數據進行SPC分析，整機高速全自動雙面去重平衡機進行平衡去重。

增壓器的裝配及測試設備包括增壓器裝配線、芯部零件整體平衡測試臺、VNT渦輪箱最小流量標定測試臺、裝配間隙的在線檢測、泄漏量檢測、角度測量、調壓控制等一系列測試設備。國外增壓器的生產企業為了提高增壓器的裝配精度，在裝配過程中提高了自動化程度，零件在裝配過程中自動進行檢測，對各裝配參數進行自動測量并具有可追溯性，渦輪增壓器測試設備及測試技術所涉及的測試項目已經比較完善，并向高精度、高技術方向發展。測試設備具有自動化程度高、噪聲低等特點，可利用整機動平衡測試技術替代出廠磨合實驗，實現節能減排。

為滿足增壓器配套廠家需要的完善的增壓器特性測試數據，國際知名的增壓器生產企業都會根據自己的生產情況配有較完善增壓器測試設備。這些企業采用先進的測試系統和現代化的試驗臺相結合，對甚至最小的發展步驟都提供了可靠的檢驗;同時，綜合的機械鑒定試驗保證了產品的高質量。例如，為了確保增壓器的可靠性，ABB公司對所有系列的增壓器都制訂了嚴格的力學鑒定程序，包括渦輪箱的熱循環試驗、燃氣泄漏試驗、間隙檢驗、輔助部件測試以及增壓器樣機在發動機上的裝機試驗;對其研制的可變幾何渦輪增壓器還進行增壓器可調零件的機械循環試驗。

許多研究機構和大學以及增壓器生產企業先后進行了增壓器測試設備的研發，如英國的帝國理工大學、曼徹斯特理工大學、女王大學、Holset公司先后研制出了針對車用渦輪增壓器的水力和電渦流測功機;美國Schwitzer公司、Garrett公司的Airesearch工業公司以及日本的三菱公司則對以增壓器的壓氣機本身作為測功裝置，利用壓氣機本身作為測功器來測量渦輪功率的技術進行了研究并開發出了相應的測試設備;其中大多數關鍵測試技術都申請了專利保護。

3．3 國內渦輪增壓器裝配檢測裝備發展基礎

湖南天雁機械有限責任公司等渦輪增壓器制造企業已聯合北京理工大學發動機增壓實驗室、中國北方發動機研究所柴油機增壓技術重點實驗室，研制了一系列增壓器監測設備，并得到推廣應用。這對未來提升我國自主裝配檢測裝備水平，提供了重要支撐。

4 結語

國內渦輪增壓器企業在徑流式渦輪增壓器的型號已經發展到幾百個成熟品種，混流式渦輪增壓器也在成批的研發生產，技術也趨于成熟。對于其他如汽油機增壓、可變截面增壓、兩級增壓、增壓器材料輕量化、電控增壓器等先進技術，國內各公司和科研院所正積極地研究，并奠定了一定的基礎，形成了一百多項專利。但是，由于在關鍵零部件制造裝備及裝配檢測設備方面存在明顯差距，制約了我國渦輪增壓器的進一步發展，盡快解決制造裝備行業的制約，是需要國家、行業、企業共同合力解決的重要問題。

縮短我國渦輪增壓器行業在制造裝備與國外水平的差距，需從以下幾方面入手:

（1）在渦輪葉輪制造裝備方面，國內高精度、高穩定性、高耐磨性的粉末注射成形機急需突破，研制能夠精確控制溫度場和連續生產的脫脂燒結爐、復雜薄壁曲面形狀鑄件成型的電磁泵鑄造機，提升國內專用葉輪整體成形五軸聯動加工中心及CAD/CAM軟件系統水平。

（2）在渦輪轉子制造裝備方面，國內應進一步加強機床穩定性研究。

（3）在渦輪增壓器裝配檢測裝備方面，結合增壓器設計技術，提高檢測設備自動化水平及測試技術創新。

提升制造裝備水平，已經成為國內增壓器制造企業提升競爭力的重要舉措。