某異形渦輪殼加工工藝難點(diǎn)分析及解決方案*

奚 霞，盧 彬，連碧華，呂 巍

(1.南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210016；2.南京精益鑄造有限公司，江蘇 南京 210022)

渦輪殼是渦輪增壓器的主要零件之一，它直接連接在發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣管上，處在高溫、高壓和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的工作狀態(tài)下，其工作環(huán)境非常惡劣，工作要求又比較苛刻，因此對(duì)制造的材料、零件的結(jié)構(gòu)尺寸和加工技術(shù)都要求很高。帶排氣管渦輪殼不同于普通渦輪殼，其形狀尤為復(fù)雜(見(jiàn)圖1)，通過(guò)分析該類復(fù)雜結(jié)構(gòu)的渦輪殼制造工藝技術(shù)的難點(diǎn)，在充分利用現(xiàn)有的設(shè)備和加工條件的前提下，提出解決方案，并在保證質(zhì)量的同時(shí)，提高生產(chǎn)效率。

圖1 渦輪殼結(jié)構(gòu)形狀

1 帶排氣管渦輪殼的加工難點(diǎn)分析

1.1 材料性能

該渦輪殼毛坯采用鑄件，較普通鑄件而言，具有較高含量的硅，在加工過(guò)程中需要更大的切削力，產(chǎn)生更高的切削溫度，所以切削加工性較差，切削加工時(shí)會(huì)加劇刀具的磨損[1]。

1.2 主要技術(shù)難點(diǎn)

主要技術(shù)難點(diǎn)如下。

1)毛坯粗基準(zhǔn)的選擇。該型號(hào)渦輪殼外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜[2]，若毛坯基準(zhǔn)選擇不好，則會(huì)影響下道工序的正常加工，甚至?xí)苯訉?dǎo)致客戶端安裝尺寸(CIC尺寸)加工不出，所以應(yīng)選擇具備良好的定位性和可測(cè)量性的工藝基準(zhǔn)。

2)粗加工(進(jìn)氣口面的加工)夾具的設(shè)計(jì)。由于該渦輪殼毛坯外形不規(guī)則，壁薄內(nèi)腔大，且裝夾時(shí)受力不均，產(chǎn)品裝夾時(shí)很容易產(chǎn)生不適當(dāng)?shù)淖冃危@是加工該產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)。

3)特殊特性尺寸。渦輪殼工作時(shí)是利用發(fā)動(dòng)機(jī)排出的廢氣慣性沖力來(lái)推動(dòng)渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動(dòng)同軸的葉輪，葉輪壓縮空氣，使之增壓進(jìn)入氣缸，因此渦輪殼的流道外殼與進(jìn)氣口連接部位(俗稱氣道口)要求加工成能與葉輪相匹配的圓弧狀，圖樣中該圓弧的點(diǎn)面距離為特殊特性尺寸。

4)加工難點(diǎn)。渦輪殼工作時(shí)，內(nèi)腔放氣孔閥孔口處應(yīng)密封氣體，因此孔口端面圖樣要求靶心狀且表面粗糙度小于Ra(0.8～1.6) μm；渦輪殼的空間排氣口頸部，卡環(huán)槽單邊6 mm的深度。以上兩處加工時(shí)對(duì)刀具的要求較高。

2 帶排氣管渦輪殼加工難點(diǎn)的工藝處理方案

2.1 粗加工(進(jìn)氣口面的加工)夾具的設(shè)計(jì)

2.1.1 粗工藝基準(zhǔn)面的選擇

選擇粗基準(zhǔn)考慮的重點(diǎn)是如何保證各加工表面有足夠的余量，使非加工表面和加工表面的尺寸、位置符合圖樣要求。

該渦輪殼外形結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，粗基準(zhǔn)選擇不好會(huì)增加產(chǎn)品的加工步驟，降低生產(chǎn)效率[3-5]。綜合分析，只有渦輪殼的進(jìn)氣口面較為平整且面積足夠大，是下道工序加工的理想基準(zhǔn)，因此選擇先加工渦輪殼的進(jìn)氣口面。

2.1.2 定位基準(zhǔn)的確定

加工進(jìn)氣口面，根據(jù)六點(diǎn)定位原理，要完全確定渦輪殼的位置，就必須消除在空間沿X、Y、Z等3個(gè)直角坐標(biāo)軸方向的移動(dòng)自由度和繞這3個(gè)坐標(biāo)軸的旋轉(zhuǎn)自由度(見(jiàn)圖2)。在進(jìn)氣口背面下面4個(gè)角用4個(gè)支撐限制Z向移動(dòng)、繞X軸和Y軸旋轉(zhuǎn)等3個(gè)自由度，后面2個(gè)支撐限制Y向移動(dòng)、繞Z軸旋轉(zhuǎn)等2個(gè)自由度，側(cè)面1個(gè)支撐限制X向移動(dòng)自由度。

圖2 6個(gè)自由度

零件圖中進(jìn)氣口面(包括排氣口面)主要位置尺寸都是以連接中間殼體的通道回轉(zhuǎn)軸以及通道截面對(duì)稱面作為基準(zhǔn)，測(cè)量基準(zhǔn)與上面所選的加工基準(zhǔn)不一致，若渦輪殼毛坯稍有偏差，都可導(dǎo)致加工基準(zhǔn)偏離測(cè)量基準(zhǔn)，所以增加一個(gè)輔助角向基準(zhǔn)(見(jiàn)圖3)，用U型塊卡住渦輪殼排氣口處，防止渦輪殼在壓緊和松開(kāi)的過(guò)程中旋轉(zhuǎn)，另外，將渦輪殼的通道回轉(zhuǎn)軸(毛坯孔)和平行于通道截面對(duì)稱面的端面(毛坯面)作為工藝測(cè)量基準(zhǔn)(見(jiàn)圖3)，首件加工產(chǎn)品進(jìn)行三坐標(biāo)測(cè)量檢查并作必要調(diào)整。

圖3 定位夾緊示意圖

2.1.3 夾緊裝置的確定

觀察渦輪殼(見(jiàn)圖3俯視圖)，存在下述幾個(gè)問(wèn)題：1)整個(gè)產(chǎn)品加工表面長(zhǎng)約350 mm，作為下道工序的加工基準(zhǔn)，平面度必須控制在0.02 mm以下，但是產(chǎn)品4個(gè)進(jìn)氣口面相互不相連僅靠下面的通道連接，平面度不易保證；2)產(chǎn)品毛坯壁薄，內(nèi)腔大，加工時(shí)產(chǎn)品還處于懸空狀態(tài)，產(chǎn)品易變形；3)主要壓緊力應(yīng)垂直于主要定位面，從而決定壓緊點(diǎn)只能作用在進(jìn)氣口相互之間的通道上，壓緊方向垂直于進(jìn)氣口加工表面，與產(chǎn)品重力方向一致，以減少所需夾緊力。

基于上述問(wèn)題，選用3個(gè)直徑40的油缸直接壓緊渦輪殼通道(見(jiàn)圖3)，分析產(chǎn)品的受力情況，自身重力為G的渦輪殼同時(shí)被3個(gè)向下壓緊力F和4個(gè)向上的支撐力N所作用，受力點(diǎn)如圖4所示，渦輪殼兩端的受力基本平衡，但中間部分受力不均，容易產(chǎn)生渦輪殼的夾緊變形，影響加工平面度。因此在渦輪殼的正下方再增加1個(gè)缸徑25且作用力向上的油缸，以減小渦輪殼的夾緊變形。

圖4 夾緊受力分析示意圖

2.2 氣道口輪廓面的加工

該型號(hào)渦輪殼不同于以往的渦輪殼，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積較大，為減少由于產(chǎn)品自身重力引起的偏差，應(yīng)選擇在立式車床進(jìn)行加工。

產(chǎn)品裝夾時(shí)，由于機(jī)床的旋轉(zhuǎn)中心與渦輪殼質(zhì)量中心的位置偏離較遠(yuǎn)，主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)偏心力較大，影響產(chǎn)品跳動(dòng)量尺寸。為解決這一問(wèn)題，在立車車頭上安裝1個(gè)平衡塊以滿足產(chǎn)品加工動(dòng)平衡要求。

渦輪殼的氣道口要求加工成圓弧狀，該圓弧的點(diǎn)面距離及輪廓度是關(guān)鍵尺寸，并且與之有裝配關(guān)系的面和孔都有同軸度和垂直度的要求，因此，加工時(shí)先粗車毛坯，端面方向留0.2 mm，直徑單面也留0.2 mm的精車余量，然后用一把精車刀完成所有的加工內(nèi)容(端面、內(nèi)徑以及圓弧輪廓)，同一道工序的加工以滿足同軸度和垂直度要求。

氣道口輪廓面的計(jì)量方法是該產(chǎn)品的難點(diǎn)，調(diào)試時(shí)的計(jì)量方法和批量生產(chǎn)時(shí)的計(jì)量方法不一致，下述分別進(jìn)行介紹。

首件產(chǎn)品調(diào)試時(shí)，三坐標(biāo)的測(cè)頭沿著輪廓的方向用相互間間距不超過(guò)0.5 mm的點(diǎn)掃描出該輪廓的軌跡，并記錄下各點(diǎn)的坐標(biāo)位置(見(jiàn)圖5)，根據(jù)軌跡圖找出理論圓直徑對(duì)應(yīng)的點(diǎn)面距，然后根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)加工程序進(jìn)行必要調(diào)整；批量產(chǎn)品生產(chǎn)時(shí)，測(cè)量頻率加大，每個(gè)產(chǎn)品都用三坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，將加大測(cè)量工作量，不切實(shí)際，因此設(shè)計(jì)一種非標(biāo)測(cè)具(見(jiàn)圖6)，測(cè)具大端的圓尖邊對(duì)應(yīng)所有測(cè)點(diǎn)的軌跡圓周，用百分表打出被測(cè)量面與非標(biāo)測(cè)具面的差值，批量生產(chǎn)過(guò)程中控制該差值在公差范圍內(nèi)。

圖5 測(cè)量軌跡

圖6 專用測(cè)具

在產(chǎn)品批量生產(chǎn)的過(guò)程中，若按圖樣要求中孔直徑φ33.8+0.062進(jìn)行加工，0.062的公差范圍會(huì)使測(cè)量產(chǎn)生偏差，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)，因此用該測(cè)距的前提必須壓縮產(chǎn)品的中孔尺寸，壓縮后中孔直徑φ33.83±0.01與測(cè)具最多0.035的滑配間隙，大大提高了測(cè)量的準(zhǔn)確率。

2.3 廢氣出口面和放氣閥組孔的加工

2.3.1 加工中心旋轉(zhuǎn)臺(tái)的使用

為縮短加工流程、提高加工效率且保證進(jìn)排氣口面組孔和放氣閥組孔相互間的位置度要求，將渦輪殼的放氣閥組孔和排氣口面放在同一工序中加工，加工過(guò)程中使用加工中心轉(zhuǎn)臺(tái)裝置(示意圖如圖7所示)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)直接連接加工中心工作臺(tái)面，兩邊的標(biāo)準(zhǔn)L型塊將橋板和旋轉(zhuǎn)臺(tái)連接，產(chǎn)品裝夾于橋板上面(以進(jìn)氣口面和該面上兩銷孔為定位基準(zhǔn))，旋轉(zhuǎn)臺(tái)360°旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)產(chǎn)品360°旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)一次裝夾就能完成排氣口面組孔和放氣閥組孔的加工內(nèi)容，保證了這組孔相互間的位置度要求。

圖7 加工中心轉(zhuǎn)臺(tái)裝置

2.3.2 加工放氣閥面刀具的設(shè)計(jì)以及切削參數(shù)的選擇

放氣閥是通過(guò)壓氣機(jī)出口的壓力來(lái)控制渦輪進(jìn)氣口處氣閥的開(kāi)啟，使得廢氣從旁路泄掉[6]。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，放氣閥在到達(dá)設(shè)定壓力點(diǎn)時(shí)開(kāi)啟，這樣可以提高渦輪的有效工作能力；同時(shí)減少渦輪軸的扭矩輸出，避免了轉(zhuǎn)子部件的超速。而閥門(mén)關(guān)閉則可以提高瞬態(tài)響應(yīng)，阻止了廢氣排放，從而達(dá)到降低排溫以及改善排放的效果，因此整個(gè)系統(tǒng)對(duì)閥門(mén)關(guān)閉面的加工要求比較高。

圖樣要求該面的表面粗糙度達(dá)到Ra(0.8～1.6) μm，且加工紋路是以孔軸為圓心的靶心狀，所以在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中采用如下工藝方法來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品使用要求。

1)選擇合適的刀具材料。產(chǎn)品材料為硅鉬球鐵，要求刀具耐磨性較好，而產(chǎn)品加工面為最大直徑φ31的靶心狀，因此刀具切削直徑為φ31，考慮到刀具的經(jīng)濟(jì)性，故選用鑲硬質(zhì)合金(YG6)的平面锪刀。

2)最大限度提高刀具的剛度。在不干涉產(chǎn)品的情況下最大限度地設(shè)計(jì)刀柄直徑φ30。刀刃部分選擇不同的前后角，對(duì)產(chǎn)品加工后的表面粗糙度、表面紋路和刀刃的磨損速度都有影響。

前角對(duì)刀具壽命影響較大，適當(dāng)增大前角能使刀具鋒利，減小切削變形，并減輕刀具磨損，提高刀具使用壽命。但前角太大，會(huì)使切削刃與刀頭的強(qiáng)度降低，刀頭的導(dǎo)熱面積和容熱體積減小；前角過(guò)大，有可能導(dǎo)致切削刃處出現(xiàn)彎曲應(yīng)力，造成崩刃[7-8]。結(jié)合采用硬質(zhì)合金刀刃加工硅鉬球鐵的情況，為確保刀具強(qiáng)度，故選用較小的前角5°。

后角對(duì)加工表面質(zhì)量影響較大，增大后角可提高切削刃的鋒利性，減輕后刀面與已加工表面的摩擦，改善已加工表面，但同樣后角過(guò)大會(huì)使切刃和刀頭強(qiáng)度降低，加速刀具的磨損。結(jié)合圖樣中加工表面粗糙度Ra(0.8～1.6) μm且加工紋路為靶心狀的要求，適當(dāng)加大后角，因此選擇后角為10°。

3)選擇合適的切削參數(shù)。產(chǎn)品要求靶心狀且表面粗糙度為Ra(0.8～1.6) μm，經(jīng)過(guò)試加工，最終選定主軸轉(zhuǎn)速為600 r/min，進(jìn)給量為200 mm/min。

2.4 工藝路線的確定

對(duì)此渦輪殼的加工內(nèi)容進(jìn)行分析和整合，確定完成該零件的加工需要3臺(tái)加工中心和1臺(tái)立式數(shù)控車床，工藝路線卡片見(jiàn)表1。

表1 工藝路線簡(jiǎn)表

2.5 新工藝的實(shí)施結(jié)果分析

根據(jù)表1中新確定的工藝路線，分析整個(gè)過(guò)程的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量及勞動(dòng)強(qiáng)度等，其中加工效率由產(chǎn)量體現(xiàn)，加工質(zhì)量由合格率體現(xiàn)，實(shí)施結(jié)果見(jiàn)表2，主要生產(chǎn)設(shè)備是3臺(tái)加工中心、1臺(tái)數(shù)控車和試漏裝置，在盡可能用少量設(shè)備的基礎(chǔ)上提高效率；每臺(tái)設(shè)備裝夾次數(shù)為1次，減少操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；生產(chǎn)效率同類產(chǎn)品中顯著提高；每個(gè)工序的生產(chǎn)過(guò)程能力穩(wěn)定，合格率約為99%[9-10]。

表2 工藝實(shí)施結(jié)果

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究具有復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)的異形渦輪殼加工工藝，針對(duì)不同的加工難點(diǎn)進(jìn)行分析并提出解決方案，最終確定其工藝路線，并在生產(chǎn)過(guò)程中驗(yàn)證了加工路線的可行性。從實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，在設(shè)備投入最低的情況下，生產(chǎn)勞動(dòng)強(qiáng)度最低，生產(chǎn)效率同類產(chǎn)品中顯著提高，生產(chǎn)穩(wěn)定性及合格率約為99%，此類零件的成功開(kāi)發(fā)，為同類型產(chǎn)品加工提供了新的思路和加工經(jīng)驗(yàn)。