中國北車集團(tuán)大連機(jī)車研究所有限公司國鐵事業(yè)部工藝組長 王 森

中國北車集團(tuán)大連機(jī)車車輛有限公司引進(jìn)美國EMD公司的大功率HXN3型內(nèi)燃機(jī)車，已成為我國鐵路貨運(yùn)內(nèi)燃牽引的主型機(jī)車之一，由于內(nèi)燃機(jī)車增壓器為機(jī)車的核心技術(shù)，EMD公司在轉(zhuǎn)讓中不包含其增壓器技術(shù)，使得機(jī)車在后續(xù)的運(yùn)用維護(hù)中存在諸多問題，內(nèi)燃機(jī)車增壓器的性能優(yōu)劣，直接影響到整車柴油機(jī)的性能和燃油經(jīng)濟(jì)性，為解決以上問題，2013年《和諧型機(jī)車關(guān)鍵技術(shù)自主替代及深化創(chuàng)新研究——HXD2/HXD3/HXN3和諧型機(jī)車關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新深化研究》項(xiàng)目在中國鐵路總公司立項(xiàng)，其中，HXN3機(jī)車增壓器自主化替代由大連機(jī)車車輛有限公司和大連機(jī)車研究所有限公司合作完成。

ZN335型增壓器葉輪設(shè)計(jì)

大連機(jī)車研究所有限公司投入了大量的人力物力，通過和大連機(jī)車車輛有限公司合作，短期內(nèi)完成了國產(chǎn)替代型號增壓器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)定型和裝車考核，產(chǎn)品內(nèi)部代號ZN335，自主設(shè)計(jì)匹配HXN3型內(nèi)燃機(jī)車ZN335型增壓器（見圖1），具有以下先進(jìn)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

圖1 ZN335型增壓器外形圖

（1）采用了封嚴(yán)涂層、耐高溫傳感器、主軸與葉輪三角軸傳扭結(jié)構(gòu)等新技術(shù)。

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

（3）壓氣機(jī)采用IRC進(jìn)氣再循環(huán)技術(shù)，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(jī)最高效率高達(dá)84%，屬于現(xiàn)有效率最高的增壓器。

其中，增壓器壓氣機(jī)葉輪作為增壓器的核心部件，是增壓器的心臟，其設(shè)計(jì)利用從美國Concepts NREC公司引進(jìn)的增壓器設(shè)計(jì)軟件，進(jìn)行了壓氣機(jī)級設(shè)計(jì)。新壓氣機(jī)設(shè)計(jì)采用IRC內(nèi)循環(huán)結(jié)構(gòu)和新型大后彎壓氣機(jī)葉輪設(shè)計(jì)，增壓器的工作范圍得到拓寬，并提高了工作效率，計(jì)算預(yù)計(jì)達(dá)到設(shè)計(jì)點(diǎn)壓比3.6、流量4.52 kg/s時(shí)增壓器轉(zhuǎn)速30000 r/min，效率為83.2%，針對所給增壓器離心壓氣機(jī)幾何形狀，采用流體力學(xué)建模軟件NUMECA進(jìn)行了模型的建立以及計(jì)算網(wǎng)格的劃分，通過對壓氣機(jī)葉輪內(nèi)部流動進(jìn)行仔細(xì)分析，優(yōu)化設(shè)計(jì)了葉輪型線，氣流流動順暢，使增壓器在具有高壓比的同時(shí)具有高效率。

強(qiáng)度計(jì)算采用ANSYS軟件，對壓氣機(jī)葉輪進(jìn)行了強(qiáng)度分析，并對壓氣機(jī)葉輪和實(shí)物進(jìn)行了頻率測試，以便評估壓氣機(jī)級和渦輪級的可靠性（見圖2～圖8）。

ZN335增壓器壓氣機(jī)葉輪高壓比、高轉(zhuǎn)速和高精度要求的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對壓氣機(jī)葉輪的加工工藝提出了更高的要求，為保證產(chǎn)品最終制造精度與設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的完美貼合，通過大量的工藝驗(yàn)證，對壓氣機(jī)葉輪制造過程中的幾個(gè)難點(diǎn)給出了相應(yīng)的解決辦法。

五軸加工中心葉型銑削

圖2 壓氣機(jī)葉輪性能計(jì)算

圖3 壓氣機(jī)葉輪流場計(jì)算

圖4 壓氣機(jī)葉輪計(jì)算網(wǎng)格

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

如何使數(shù)控程序與應(yīng)用機(jī)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(guān)鍵，以大連機(jī)車所有限公司的MIKRON UCP800 五軸加工中心為例，制定了如下數(shù)控加工工藝方法。

（2）工藝方法及參數(shù)選擇。MIKRONUCP800五軸加工中心主要機(jī)床參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速20000 r/min，刀柄HSK63，功率30 kW，轉(zhuǎn)矩91 N·m，線性軸進(jìn)給速度20 m/min。

圖5 壓氣機(jī)葉輪徑向應(yīng)力分布

圖6 壓氣機(jī)葉輪等效應(yīng)力分布

圖7 壓氣機(jī)葉輪葉片等效應(yīng)力分布

由以上機(jī)床參數(shù)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(jìn)給和高轉(zhuǎn)速的切削方式，可最大程度地發(fā)揮MIKRON UCP800機(jī)床輕載、高速的機(jī)床性能，且采用硬質(zhì)合金球頭銑刀，先粗開槽加工葉輪的所有A區(qū)域，再加工B區(qū)域，此粗開方式可使零件加工應(yīng)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(qū)域示意如圖9所示。

圖8 壓氣機(jī)葉輪頻率測量

圖9

圖10

（3）工藝實(shí)施過程。①A區(qū)域粗加工刀具軌跡如圖10所示。加工轉(zhuǎn)速：12000 r/min；加工刀具：硬質(zhì)合金球頭銑刀；加工進(jìn)給量：3.5 m/min；吃刀量：2 mm。②B區(qū)域粗加工刀具軌跡如圖11所示。加工轉(zhuǎn)速：12000 r/min；加工刀具：硬質(zhì)合金球頭銑刀；加工進(jìn)給量：3.5 m/min；吃刀量：2 mm。③葉片進(jìn)氣端圓角精加工刀具軌跡如圖12所示。加工轉(zhuǎn)速：5000 r/min；加工刀具：硬質(zhì)合金球頭銑刀；加工進(jìn)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(zhuǎn)速：3000 r/min；加工刀具：涂層硬質(zhì)合金錐度球頭銑刀；加工進(jìn)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(zhuǎn)速：12000 r/min；加工刀具：硬質(zhì)合金球頭銑刀；加工進(jìn)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(diǎn)及難點(diǎn)介紹：增壓器的使用壽命的提高，是生產(chǎn)制造和使用者最關(guān)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(zhǔn)許去重區(qū)域內(nèi)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(jìn)氣端去重位置示意如圖15所示。

（2）工藝實(shí)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(zhǔn)必須統(tǒng)一，下面就是ZN335葉輪的加工工藝過程中的工藝基準(zhǔn)統(tǒng)一方法的簡單描述。

半精車葉輪毛坯外圓及內(nèi)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(xù)加工的徑向工藝基準(zhǔn)，C、E面可作為后續(xù)加工的軸向工藝基準(zhǔn)。

圖15

圖16

圖17

精車葉輪外子午線及小端面如圖17所示。此工序軸向定位基準(zhǔn)為C面，徑向定位基準(zhǔn)為D面。

精銑葉輪葉型如圖18所示。此工序軸向定位基準(zhǔn)為C面，徑向定位基準(zhǔn)為D面。

精車葉輪大端面及內(nèi)孔如圖19所示。此工序軸向工藝基準(zhǔn)為E面，徑向工藝基準(zhǔn)為B面。

精車葉輪小端面及外圓如圖20所示。此工序軸向工藝基準(zhǔn)為E面，徑向工藝基準(zhǔn)為B面。

由以上葉輪加工工藝過程可以看出整個(gè)加工過程中，始終保證加工基準(zhǔn)統(tǒng)一，這是保證葉輪最終動平衡精度的關(guān)鍵。

ZN335型增壓器與大連機(jī)車車輛有限公司HXN3型機(jī)車16V265H柴油機(jī)的配機(jī)，通過對比試驗(yàn)得出試驗(yàn)結(jié)果表明，ZN335型增壓器配機(jī)性能與進(jìn)口增壓器總體相當(dāng)，其中壓氣機(jī)葉輪性能部分工況優(yōu)于原裝進(jìn)口增壓器，為國產(chǎn)替代柴油機(jī)增壓器積累了寶貴的設(shè)計(jì)及工藝經(jīng)驗(yàn)。

圖18

圖19

圖20