和諧型機車增壓器葉輪設計及加工工藝研究

2014-12-02 01:35:18中國北車集團大連機車研究所有限公司國鐵事業部工藝組長

金屬加工(冷加工) 2014年17期

中國北車集團大連機車研究所有限公司國鐵事業部工藝組長王森

中國北車集團大連機車車輛有限公司引進美國EMD公司的大功率HXN3型內燃機車，已成為我國鐵路貨運內燃牽引的主型機車之一，由于內燃機車增壓器為機車的核心技術，EMD公司在轉讓中不包含其增壓器技術，使得機車在后續的運用維護中存在諸多問題，內燃機車增壓器的性能優劣，直接影響到整車柴油機的性能和燃油經濟性，為解決以上問題，2013年《和諧型機車關鍵技術自主替代及深化創新研究——HXD2/HXD3/HXN3和諧型機車關鍵技術創新深化研究》項目在中國鐵路總公司立項，其中，HXN3機車增壓器自主化替代由大連機車車輛有限公司和大連機車研究所有限公司合作完成。

ZN335型增壓器葉輪設計

大連機車研究所有限公司投入了大量的人力物力，通過和大連機車車輛有限公司合作，短期內完成了國產替代型號增壓器產品的設計定型和裝車考核，產品內部代號ZN335，自主設計匹配HXN3型內燃機車ZN335型增壓器（見圖1），具有以下先進的設計結構特點。

圖1 ZN335型增壓器外形圖

（1）采用了封嚴涂層、耐高溫傳感器、主軸與葉輪三角軸傳扭結構等新技術。

（2）采用無水冷殼體結構；殼體之間聯接采用柔性結構，緩解柴油機振動對增壓器的影響。

（3）壓氣機采用IRC進氣再循環技術，喘振裕度更加寬廣。

（4）新型高速滑動軸承，使用壽命更加持久。

（5）壓氣機最高效率高達84%，屬于現有效率最高的增壓器。

其中，增壓器壓氣機葉輪作為增壓器的核心部件，是增壓器的心臟，其設計利用從美國Concepts NREC公司引進的增壓器設計軟件，進行了壓氣機級設計。新壓氣機設計采用IRC內循環結構和新型大后彎壓氣機葉輪設計，增壓器的工作范圍得到拓寬，并提高了工作效率，計算預計達到設計點壓比3.6、流量4.52 kg/s時增壓器轉速30000 r/min，效率為83.2%，針對所給增壓器離心壓氣機幾何形狀，采用流體力學建模軟件NUMECA進行了模型的建立以及計算網格的劃分，通過對壓氣機葉輪內部流動進行仔細分析，優化設計了葉輪型線，氣流流動順暢，使增壓器在具有高壓比的同時具有高效率。

強度計算采用ANSYS軟件，對壓氣機葉輪進行了強度分析，并對壓氣機葉輪和實物進行了頻率測試，以便評估壓氣機級和渦輪級的可靠性（見圖2～圖8）。

ZN335增壓器壓氣機葉輪高壓比、高轉速和高精度要求的設計結構特點，對壓氣機葉輪的加工工藝提出了更高的要求，為保證產品最終制造精度與設計技術指標的完美貼合，通過大量的工藝驗證，對壓氣機葉輪制造過程中的幾個難點給出了相應的解決辦法。

五軸加工中心葉型銑削

圖2 壓氣機葉輪性能計算

圖3 壓氣機葉輪流場計算

圖4 壓氣機葉輪計算網格

（1）工序介紹及難點。整體壓氣機葉輪加工工藝過程中的五軸葉型銑削工序，是整體壓氣機葉輪加工工藝過程中最重要的環節，此工序工藝方法的合理與否，直接影響到整個工藝過程的加工效率和成本，以及增壓器最終的產品性能。

如何使數控程序與應用機床得到最佳的匹配和如何減少加工過程中的零件變形是五軸加工中心葉輪葉型銑削工序，提高效率和保證零件加工精度的關鍵，以大連機車所有限公司的MIKRON UCP800 五軸加工中心為例，制定了如下數控加工工藝方法。

（2）工藝方法及參數選擇。MIKRONUCP800五軸加工中心主要機床參數如下：主軸轉速20000 r/min，刀柄HSK63，功率30 kW，轉矩91 N·m，線性軸進給速度20 m/min。

圖5 壓氣機葉輪徑向應力分布

圖6 壓氣機葉輪等效應力分布

圖7 壓氣機葉輪葉片等效應力分布

由以上機床參數不難看出，MIKRON UCP800五軸加工中心為一臺輕載高速加工中心，因此葉輪粗開方式選擇小切深、快進給和高轉速的切削方式，可最大程度地發揮MIKRON UCP800機床輕載、高速的機床性能，且采用硬質合金球頭銑刀，先粗開槽加工葉輪的所有A區域，再加工B區域，此粗開方式可使零件加工應力均勻釋放，減少零件變形，減少精加工切削量，提高加工效率。

葉輪葉片間區域示意如圖9所示。

圖8 壓氣機葉輪頻率測量

圖9

圖10

（3）工藝實施過程。①A區域粗加工刀具軌跡如圖10所示。加工轉速：12000 r/min；加工刀具：硬質合金球頭銑刀；加工進給量：3.5 m/min；吃刀量：2 mm。②B區域粗加工刀具軌跡如圖11所示。加工轉速：12000 r/min；加工刀具：硬質合金球頭銑刀；加工進給量：3.5 m/min；吃刀量：2 mm。③葉片進氣端圓角精加工刀具軌跡如圖12所示。加工轉速：5000 r/min；加工刀具：硬質合金球頭銑刀；加工進給量：2 m/min；吃刀量：2 mm。④葉片表面精加工刀具軌跡如圖13所示。加工轉速：3000 r/min；加工刀具：涂層硬質合金錐度球頭銑刀；加工進給量：1.5 m/min。⑤葉輪輪轂精加工刀具軌跡如圖14所示。加工轉速：12000 r/min；加工刀具：硬質合金球頭銑刀；加工進給量：3.5 m/min。

加工動平衡精度控制

圖11

圖12

圖13

圖14

（1）工序特點及難點介紹：增壓器的使用壽命的提高，是生產制造和使用者最關心的問題，其中葉輪動平衡的精度是影響增壓器壽命的重要因素，越高的動平衡精度要求，在葉輪動平衡工序中去重的量越多。但在葉輪的準許去重區域內的可去重量有限，因此在ZN335增壓器葉輪加工過程中，就充分考慮到了加工工藝方法對葉輪最終成品動平衡精度的影響。

葉輪進氣端去重位置示意如圖15所示。

（2）工藝實施過程：為保證葉輪的最終動平衡精度，葉輪的全部加工過程中的工藝基準必須統一，下面就是ZN335葉輪的加工工藝過程中的工藝基準統一方法的簡單描述。

半精車葉輪毛坯外圓及內孔如圖16所示，其中A、B、C、D和E面均為一次裝卡加工，因此A、B和D面均可作為后續加工的徑向工藝基準，C、E面可作為后續加工的軸向工藝基準。