（.上海柴油機股份有限公司，上海00438；.上海菱重增壓器有限公司，上海0707）

渦輪增壓器轉子在批量生產中的可靠性控制

薛偉1，顧雪陽2
（1.上海柴油機股份有限公司，上海200438；2.上海菱重增壓器有限公司，上海201707）

渦輪增壓器轉子作為渦輪增壓器的核心部件，其加工質量直接影響整機性能的可靠性。本文著重介紹渦輪轉子在批量生產過程中的關鍵控制點。

渦輪增壓器 渦輪轉子 可靠性

1 前言

增壓技術在內燃機上的應用已日趨普及，加裝增壓器使內燃機的動力性、經濟性以及排放特性都得到提升和優(yōu)化。增壓器可以分為機械增壓、氣波增壓、渦輪增壓、復合增壓等多種增壓方式，渦輪增壓是其中最主要的一種增壓方式，目前國內各發(fā)動機廠普遍應用的就是渦輪增壓技術。

渦輪增壓器是一種通過提高發(fā)動機進氣密度、使發(fā)動機增加輸出功率的部件。它利用內燃機廢氣排放的動能，驅動渦輪轉子高速運轉，進而帶動壓氣機葉輪，使被壓縮的空氣進入進氣系統(tǒng)，提高內燃機的進氣密度，使空氣和燃油混合更加充分，燃燒更理想，因此可以提升功率、降低油耗、改善排放[1，2]。

渦輪增壓器最核心的零部件是渦輪轉子，其主要工作特點是：高溫工作（柴油機排溫550～800℃，汽油機排溫850～1 100℃）；高速運轉（轉速達數萬至數十萬轉/分）；工況多變（車用最為典型）將造成渦輪轉子的運轉轉速急劇變化，其工作力學環(huán)境也非常惡劣。這些工作特點，都對渦輪轉子的可靠性提出了非常高的要求。

本文即著重討論在批量生產過程中，如何通過有效控制渦輪轉子可靠性相關特性，達到保證零部件整體性能可靠的目的，主要包括渦輪和軸焊接過程的控制、熱處理過程的控制以及內圓角加工精度的控制等。

2 渦輪轉子批量生產工藝流程

渦輪轉子主要工藝由焊接、粗加工、半精加工和精加工組成。

焊接相關工序

OP010打渦輪中心孔磨焊接端面

OP020清洗渦輪和軸

OP030電子束焊接渦輪和軸

OP040拉伸試驗粗加工相關工序

OP050打軸端中心孔

OP060粗車

OP070熱處理

OP080磨輪背基準半精加工相關工序

OP090粗磨

OP100磨渦輪R

OP110去毛刺

OP120車螺紋及槽精加工相關工序

OP130磨槽

OP140精磨

OP150精磨

OP160動平衡（測試及去重）

3 渦輪和軸焊接過程的控制

3.1 渦輪轉子軸焊工藝

渦輪轉子是由高溫合金的渦輪和低合金碳素鋼的軸焊接而成，廣泛應用的有摩擦焊接和電子束焊接二種工藝。

（1）摩擦焊接工藝

摩擦焊接是使相對旋轉的渦輪和轉子軸接觸而產生摩擦，使動能轉化為熱能，同時在壓力的作用下，二種金屬融合在一起，冷卻后就結合為一個整體。其設備要求相對簡單，對焊前工件的清潔度要求也不高；但其由二種金屬融合而成得凸出焊縫巨大（圖1），焊接件的熱影響區(qū)和變形量也較大，需單獨安排工序清理，其一致性影響流水線的排布。

圖1 摩擦焊接

（2）電子束焊接工藝

電子束焊接是一種利用電子束作為熱源的焊接工藝，電子束焊接機主要由陰極發(fā)射、高壓電源、電磁透鏡、真空支持、運動支持以及相應的伺服控制系統(tǒng)組成。當電子束焊接機的陰極加熱到一定的溫度后會逸出電子，電子在高壓電場中被加速，通過電磁透鏡聚焦后，形成能量密集度極高的電子束。當電子束轟擊焊接表面時，電子的動能將轉變?yōu)闊崮?，使焊接件的結合處的金屬熔融。當電子束相對于焊接件移動時，可在焊件結合處形成一條連續(xù)的焊縫。電子束焊接具有焊縫深而窄、焊接件的熱影響區(qū)小、焊件變形小、焊接接頭強度高、質量一致性好等優(yōu)點，見圖2。當然，由于電子束穿過空氣時，將被極大地衰減，需要在真空中條件下才能有效地操控和使用，其設備的維護保養(yǎng)要求較高。

圖2 電子束焊接

3.2 電子束焊接的質量控制

電子束焊接過程可靠性控制應從以下幾點考慮：（1）控制諸如發(fā)射源、加速及聚焦控制系統(tǒng)、定位控制系統(tǒng)、環(huán)境支持系統(tǒng)等設備相關參數，使其穩(wěn)定；當參數異常時，確保有缺陷的產品不流出；（2）控制待焊接零件的焊接表面雜質；（3）監(jiān)控過程，確保有缺陷的產品不流出；

為保證電子束焊接批量生產的質量，實現(xiàn)的關鍵途徑如下：

（1）陰極的監(jiān)控

陰極作為電子束的發(fā)射源，擔負穩(wěn)定提供足量電子的任務。其電子逸出的數量同加熱溫度及陰極本體材料有關。

應首先監(jiān)控其加熱電流和加熱溫度，確保逸出電子的數量。當加熱電流發(fā)生異常時報警。

陰極還應進行壽命監(jiān)控，可采用計時法，達到預期壽命前報警。

（2）高壓電源及電磁透鏡的監(jiān)控

高壓電源的主要作用在于加速電子，其電子束的加速速度同加速電壓直接相關。應監(jiān)控其加速電壓，當加速電壓發(fā)生異常時系統(tǒng)報警。

電磁透鏡的主要作用在于控制電子聚焦。應監(jiān)控其偏轉電壓，當發(fā)生異常時系統(tǒng)報警。

（3）運動及其控制系統(tǒng)的控制

運動及其控制系統(tǒng)的作用是控制工件與電子束的相對位置。其保養(yǎng)控制方與普通數控系統(tǒng)相同。

（4）真空系統(tǒng)的監(jiān)控

真空系統(tǒng)主要由陰極室、加速室、加工室，以及相應的氣密管道及真空泵組成。整個系統(tǒng)應在加工過程中確保氣密性和真空度。

真空泵的控制主要是日常保養(yǎng)。其日常保養(yǎng)關鍵在于潤滑，應制作專門點檢表予以確保。

陰極室和加速室在整個焊接過程中應確保真空度。這一點，只要按設備說明書的指示，定期清潔更換其密封件即可。

而加工室則一方面由于需要進出工件，頻繁抽氣；另一方面，由于焊接過程中會有逸出的金屬蒸汽、碳微粒在加工室內表面凝結、沉積，需要對其密封件進行更為頻繁的清潔保養(yǎng)。實際中，其清潔保養(yǎng)周期很難確定。一種具有類似預測保養(yǎng)的方法是通過監(jiān)控系統(tǒng)的抽氣時間的變化，預測其清潔保養(yǎng)點。

（5）焊接材料的控制

電子束焊接前，焊接件必須確保清潔，尤其是禁絕油脂類污垢。其原因在于，如果焊接表面殘留油脂，會在焊接過程中氣化，形成焊縫內氣泡，影響焊接強度，試驗數據顯示，直徑超過0.8 mm的單個氣泡就會對焊接強度產生致命的影響。當然，其他粉塵類雜質，也應去除。

為確保完全去除污垢，在焊接前必須清洗。并且，應確保焊接表面不能殘留清洗劑（也是一種雜質）。這樣水溶性清洗劑就不適合了，可利用鹵代烴類有機溶劑（ODS）進行氣相清洗。

（6）焊接質量的可靠確認

焊接質量的確認可以采用抽樣的破壞性試驗法，結合全數的非破壞性試驗法進行。

非破壞性試驗有探傷法和拉伸試驗法。相對更為直接可靠的方法是，以根據渦輪轉子工作條件計算出的拉伸力，全數進行拉伸試驗，以確保安全承受工作載荷。

破壞性試驗有破壞性拉伸試驗、與縱向剖開后評價焊接斷面的形狀、尺寸二種方法，參見圖3和圖4。

4 熱處理過程的控制

渦輪轉子工作時轉速非常高，決定了其軸承接觸部位具有“外硬內軟”的特性，軸承接觸部位應采用表面熱處理工藝。

以下將以某型自動表面熱處理機為例，介紹表面熱處理工藝在批量生產中的過程特性控制。圖5為渦輪轉子軸表面熱處理要求。

4.1 表面熱處理機的工作原理

圖3 焊接部位

圖4 熱處理部位

圖5 轉子軸熱處理要求

該表面熱處理機是利用渦流的原理，在回轉體的工件外包裹線圈（實際是工件插入線圈內），并通以強大的高頻電流，使其線圈內（及工件處）將產生強大的交變磁場。由于工件為鐵磁導體，產生渦流效應，將在工件表面形成局部加熱作用。其加熱深度與電流頻率及通電加熱時間有關。

結合淬火液循環(huán)噴射系統(tǒng)、線圈冷卻系統(tǒng)、運動及工位控制系統(tǒng)、工件拾取系統(tǒng)等，就形成了加熱、淬火、二級回火等工步在一臺設備上一次完成的自動表面熱處理設備。

4.2 可靠性控制的關鍵措施

（1）設備的控制與日常保養(yǎng)

影響熱處理批量一致的關鍵，在于監(jiān)控其加熱電流和淬火液的溫度與流量。一方面設備一定要有實時監(jiān)控這些特性的功能；另一方面，應針對這些功能，建立合理的保養(yǎng)規(guī)范，并有效實施。

（2）淬火液的控制

淬火液的選型與維護不容忽視。尤其是應采取有效措施，發(fā)現(xiàn)并避免淬火液內微生物的繁殖。其原因在于，微生物的繁殖將導致淬火液表層形成膜狀物質，這些物質極易導致循環(huán)管路堵塞，進而導致淬火液流量不足，造成工件的硬度與淬硬深度不良。

（3）夾具（高頻線圈）

夾具（高頻線圈）的主要控制點在于：一是定期保養(yǎng)其內部細微管路（淬火液噴口）；二是確保其導通件和絕緣件的電氣性能，必要時可用搖表檢測。

（4）熱處理質量的可靠確認

當初次設定工藝參數或工藝參數調整后，應做破壞性試驗，即將工件縱向剖開，研究其斷面熱處理有效區(qū)的形狀、大小及硬度特性。

平時，為保證批量質量，并監(jiān)控過程參數的變化趨勢，還應較為頻繁地采用非破壞性方法，抽檢硬度和熱處理有效區(qū)的大小和位置。

5 內圓角的控制

渦輪轉子零件結構上有許多肩面過渡圓角和溝槽，如圖6所示。這些結構的底部內圓角如果加工偏大，則會造成裝配時同其他零件卡滯，增壓器不能工作；如果加工偏小，則將產生應力集中，進而可能造成工件高速運轉條件下斷裂的風險。應嚴格按設計圖紙加工成形這些細微結構，確保工件使用的可靠性。

應考慮采用的可靠加工及控制方法如下：（1）采用相對可靠的加工手段

推薦加工這些溝槽類結構盡量采用磨削方式。相對于車削，磨削除能夠獲得更為光潔的加工表面，可提高零件抗疲勞特性，其加工過程更為穩(wěn)定可靠，而且其多刃切削方式更能容忍切削工具的異常缺損。同時，磨床能夠在不停機的情況下實現(xiàn)定期（定數量）在線修磨切削工具。這一優(yōu)點，對于批量生產具有重要意義。

圖6 渦輪轉子軸上過渡圓角和溝槽結構及要求

（2）選用相對長壽且壽命穩(wěn)定的切削工具，并確定可靠的切削工具更換或修磨周期

推薦更多地采用CBN刀具、CBN砂輪加工，這樣可以相對低成本地監(jiān)控其加工質量。需要特別指出的是，經長期大批量生產實踐驗證，采用金屬結合劑的CBN砂輪，完全可以穩(wěn)定地一次性加工成形寬度1～2 mm，槽寬公差0.02左右，槽底圓角穩(wěn)定控制的密封環(huán)槽，其使用壽命可達萬件以上。

（3）有效地質量監(jiān)控

鑒于成本控制，生產現(xiàn)場可采用抽檢頻度相對密集的通止規(guī)方式測量，而以相對較長的周期，使用諸如輪廓度儀之類的測量設備收集工藝系統(tǒng)的數據，不斷識別并著手消除系統(tǒng)變差。

6 結束語

批量生產過程控制是否有效，其關鍵在于能否確保過程參數的有效監(jiān)控。只有及時、準確地獲得了關鍵過程參數的變化，才能分析原因、采取對策、持續(xù)改進。

1朱大鑫.渦輪增壓與渦輪增壓器.兵器工業(yè)第七零研究所內部刊物.

2陸家祥.柴油機渦輪增壓技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

Reliability Control of Turbine Rotor in Scale Production

Xue Wei1,Gu Xueyag2
（1.Shanghai Diesel Engine Co.,Ltd.,Shanghai 200438,China; 2.Shanghai MHI Turbocharger Co.,Ltd.,Shanghai 201707,China）

The cylinder head of NSE engine is newly developed by SAIC.It has high technical requirements and requires complicated machining process.Moreover,its production time cycle is short. Detailed introduction of this cylinder head and of its main technical requirements is presented,providing head production flow,making analysis and discussion on the features of key process of this head production line,summarizing process features and what needs to be improved.

turbocharger，turbine rotor，reliability

10.3969/j.issn.1671-0614.2011.01.0012

來稿日期：2010-09-07

薛偉（1973-），男，工程師，主要研究方向為企業(yè)業(yè)務規(guī)劃和新產品項目管理。