邱琦1上海交通大學(xué)（200949） 2斯凱孚（中國）銷售有限公司（2006）

邱琦（1981年～），男，碩士研究生，工程師，主要從事機械工程研究。

0 引 言

目前，我國已到了汽車進入家庭的發(fā)展階段，轎車的需求量大幅增加。為了降低汽車對環(huán)境的影響，汽車發(fā)動機的節(jié)能減排技術(shù)受到各方的重視，成為汽車研發(fā)最為重要的技術(shù)之一。為了迎合汽車發(fā)動機小尺寸化和降低碳排放的需求，采用發(fā)動機增壓化技術(shù)是降低發(fā)動機燃油消耗率的較有效手段之一，通過渦輪增壓，可以在不改變發(fā)動機排量的同時提高發(fā)動機的動力，功率增加20%～100% 。渦輪增壓器工作原理如圖1所示，它實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內(nèi)的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入汽缸。當(dāng)發(fā)動機轉(zhuǎn)速增快，廢氣排出速度與渦輪轉(zhuǎn)速也同步增快，葉輪就壓縮更多的空氣進入氣缸，空氣的壓力和密度增大可以燃燒更多的燃料，相應(yīng)增加燃料量和調(diào)整發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，就可以增加發(fā)動機的輸出功率。渦輪增壓技術(shù)可改善發(fā)動機燃油經(jīng)濟性，減少燃油消耗7%～10%。當(dāng)今，發(fā)動機增壓技術(shù)作為一種改善汽車燃料經(jīng)濟性以及減少排氣污染的手段而得到迅速發(fā)展（見圖1）。

圖1 增壓器工作原理

增壓器中，增壓器轉(zhuǎn)子是最為關(guān)鍵的核心零件（見圖2）。在轉(zhuǎn)子制造中，精密磨削技術(shù)是最后的精加工工序，顯得尤為重要，轉(zhuǎn)子的加工精度直接影響到增壓器的工作性能和壽命等指標(biāo)。如圖2所示，某型增壓器轉(zhuǎn)子總長為112mm，軸長為90mm，最小的加工直徑僅為4.208mm，長徑比達21.4。細(xì)長軸通常是指工件長度與直徑之比大于20(L／d>20)的軸類零件，所以增壓器轉(zhuǎn)子屬典型的細(xì)長軸類零件。同時其形位精度要求也極為嚴(yán)格, 最小處公差為0.005mm，而且，增壓器轉(zhuǎn)子極為注重互換性，通常Cmk值≥1.67，折合到公差區(qū)間僅為0.00125mm。因此稱之為精密細(xì)長軸，這也是典型的復(fù)雜、難加工零件。因為渦輪多半采用鎳鉬合金，葉輪采用鋁合金或者粉末冶金，其剛度很差。磨削時在磨削力的作用下, 工件容易橫向“讓刀”產(chǎn)生彎曲變形和軸向下垂, 使磨削后的工件母線成腰鼓形, 磨削時容易振動,產(chǎn)生縱向振痕。磨削精密細(xì)長軸的加工特點主要是：

(1)工件剛度差，抗彎力弱，并有因材料自身重量而產(chǎn)生下垂彎曲現(xiàn)象。

(2)切削過程中，在切削力作用下產(chǎn)生彎曲，同時因受熱伸長而產(chǎn)生彎曲，從而引起振動，影響工件精度和表面粗糙度。故目前加工增壓器轉(zhuǎn)子的專用磨床只有幾家進口機床廠商提供。

一般來說，細(xì)長軸類零件的精密磨削可采用帶頂尖磨削與無心磨削兩種方法。無心外圓磨削是磨削棒料工件外圓的一種加工方法。工件無需中心夾緊, 而是通過砂輪、導(dǎo)輪及托板導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)進行磨削。與普通的外圓磨削相比, 無心磨削的優(yōu)點在于整個被加工表面都被支承著，因此小直徑的工件也可以強力磨削。在加工細(xì)長工件或是既有很高尺寸精度又要有很好的尺寸一致性的工件時, 無心磨床始終是一個強者。然而，對于增壓器轉(zhuǎn)子類細(xì)長軸，由于增壓器轉(zhuǎn)子的端面也需要磨削且有較高的精度要求，而無心磨床無法磨削端面，所以必須采用帶頂尖的磨削方式。

圖2 增壓器及增壓器轉(zhuǎn)子

通過對細(xì)長軸零件磨削工藝的研究，開發(fā)出滿足柴油機、汽油機增壓器轉(zhuǎn)子技術(shù)要求的高效高精度高可靠性的專用數(shù)控外圓磨床，以滿足我國汽車工業(yè)發(fā)展的需要，為研發(fā)出具有國內(nèi)自主品牌的渦輪增壓器提供技術(shù)支撐。這項工作對于推動我國汽車發(fā)動機技術(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)高精度渦輪增壓器產(chǎn)品的國產(chǎn)化具有重要的意義。

1 頭架結(jié)構(gòu)比較

原先的磨床頭架結(jié)構(gòu)如圖3所示，頭架電機通過同步齒形帶輪帶動撥盤轉(zhuǎn)動，電機由交流變頻器控制轉(zhuǎn)速并與數(shù)控系統(tǒng)相連，實現(xiàn)磨削過程中的轉(zhuǎn)速自動切換，頂尖規(guī)格為莫氏4號，轉(zhuǎn)速為30～300r/min，頂尖能承受的最大工件質(zhì)量為50kg。而改進后的頭架，不僅能滿足其全部功能，而且在用料和裝配方面降低了要求。以下介紹了普通頭架和新研發(fā)頭架的幾點區(qū)別。

1.1 密封

原頭架的密封取決于3個骨架密封圈。但是骨架密封圈是由橡膠制成的，屬于全膠結(jié)構(gòu)，如圖4所示。此時密封程度就需要靠零件的加工質(zhì)量而定。尤其重要是主軸外圓的公差和表面粗糙度以及臺階的深度，這就對主軸的加工提出了很高的要求；同時，對于裝配時的配合公差，也提出了嚴(yán)格的要求。但使用骨架密封圈會產(chǎn)生一個不良的影響，因為如果主軸的質(zhì)量稍有偏差，那將會導(dǎo)致密封面與零件有細(xì)小的縫隙。同時，頭架旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生負(fù)壓，導(dǎo)致砂輪顆?；蛘吣ハ黝w粒沿著上述細(xì)小的縫隙被倒吸入頭架內(nèi)。當(dāng)顆粒物較大時，就被卡在密封圈和需要密封主軸外圓的縫隙中。此時，密封圈和主軸之間就相當(dāng)于一個小型的研磨機，主軸外圓在密封圈的作用下不斷的在被研磨。長此以往，該面就被磨出溝槽，從而使密封圈徹底喪失密封的效用。唯一的解決辦法就是嚴(yán)格控制主軸的加工質(zhì)量。一旦加工質(zhì)量無法保證，該密封結(jié)構(gòu)則無法起到應(yīng)有的作用。

圖3 原頭架結(jié)構(gòu)

圖4 骨架密封圈橫截面

改進后的頭架如圖5所示，密封方式采用雙道迷宮密封。迷宮密封是在主軸組件外周設(shè)若干個依次排列的環(huán)行密封齒，齒與齒之間形成一系列截流間隙與膨脹空腔，被密封介質(zhì)在通過曲折迷宮的間隙時產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)而達到阻漏的目的。 由于迷宮密封的旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分存在間隙，無固體接觸，毋須潤滑，并允許有熱膨脹，適應(yīng)高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速頻率的場合。雖然該密封方式對零件的加工質(zhì)量也提出了較高的要求，但是可以節(jié)省掉骨架密封圈的成本。如果雜質(zhì)與水進入第一道迷宮，可利用離心力將水和雜質(zhì)通過泄水孔排出至體殼外。如果還有剩余水進入的話，將在第二道迷宮處被完全地阻隔住。另外，假如有些雜質(zhì)從頂尖孔進入體殼的話，也將利用離心力的作用從泄水口排至體殼外。雖然這種結(jié)構(gòu)降低了成本，提高了密封的可靠性，但是對加工提出了較高的要求。由于迷宮是由兩個零件配合而成。所以這兩個零件的加工精度是對迷宮密封的唯一要求?？梢杂脭?shù)控車床，以內(nèi)孔為基準(zhǔn)，一次成型，將迷宮外圓的同心度控制在0.02mm以內(nèi)，將迷宮端面的跳動也控制在0.02mm以內(nèi)。這樣的話，可以嚴(yán)格控制迷宮通道的間隙為0.25mm，此寬度是經(jīng)過空氣動力學(xué)和流體力學(xué)的計算。寬度如果超過某一數(shù)值，則其中的介質(zhì)流動速度將加快，無法產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)。如果寬度小于某一數(shù)值，則殘留在迷宮內(nèi)的介質(zhì)量過小，無法產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)。經(jīng)過計算，將寬度定為0.24mm～0.27mm為最佳。

圖5 現(xiàn)頭架結(jié)構(gòu)

1.2 主軸

原頭架主軸如圖6所示，最大外徑為?120mm，長度為270mm。質(zhì)量為13.64kg。可以說，對主軸的用料與加工，提出了很高的要求。過多的定位面以及定位面之間的跳動要求，包括莫氏4號錐孔的跳動要求，使主軸的加工成本居高不下。而且，與頭架體殼的配合也有難度，因為主軸必須靠體殼定位。主軸需與體殼過盈配合0.008mm～0.016mm。但是鑄件無法保證如此高的精度，所以基本是需要靠體殼孔來與主軸單一配合，即把體殼孔作為基準(zhǔn)，由此來加工主軸的定位外圓。這種方法在當(dāng)今追求效率、提高互換性的時代，顯然已經(jīng)處于很不利的位置。

改進后的主軸如圖7所示，形式結(jié)構(gòu)非常簡約，只利用很短的一截長度為8mm的外圓作為定位面，從很大程度上降低了精度要求以及加工難度。最大處直徑為95mm、長度為118mm、質(zhì)量僅為2.39kg。質(zhì)量與體積均只有原來的17.5%。由于只有一處定位面，只需保證定位面與定位的外圓間的垂直度以及莫氏4號錐孔的跳動即可。這節(jié)省了用料，縮短了加工周期，節(jié)約了成本，原先一周的加工周期現(xiàn)在僅需要兩天即可。

圖6 原主軸質(zhì)量與體積

圖7 改進后主軸質(zhì)量與體積

此外，該頭架主軸所能支撐的最大工件重量與原頭架主軸一致，為50kg。在兩根主軸的錐孔部分分別預(yù)加50kg的載荷，計算形變，結(jié)果如圖8、圖9所示?？梢钥闯?，兩根主軸都是在軸頭部分有較為明顯的形變。原主軸最大的形變量為1.159×10-5m，而現(xiàn)主軸最大的形變量為1.434×10-5m。對于理論上最重的工件來說，形變值相差得并不是很大。一般這類磨床磨削的工件重量均小于10kg。如果按照10kg的載荷來說，此數(shù)值僅為5.5×10-7m，幾乎可以忽略不計。

圖8 改進前主軸的受力形變

圖9 改進后主軸的受力形變

可以說，用原來17.5%的材料，就可以達到與原先一樣的效果，且減小了加工以及熱處理的難度，縮短了加工周期，省去了不少加工中可能出現(xiàn)的報廢情況。

1.3 皮帶輪

改進前的皮帶輪形式如圖10所示，軸承直接安裝在主軸上。雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但是忽略了以下幾個方面。

(1)熱變形；

(2)皮帶產(chǎn)生的拉力對主軸的影響；

(3)皮帶引起的共振。

1.3.1 熱變形

頭架經(jīng)過一段時間運轉(zhuǎn)后，由于運動零件的摩擦和其他原因產(chǎn)生熱量，會使頭架熱變形。發(fā)熱的結(jié)果會使頭架主軸中心產(chǎn)生位移，這是由于頭架體殼的底面由工作臺定位，所以受熱后只能向上和向兩側(cè)膨脹，從而使主軸中心向上和向砂輪架方向位移。若磨削時工件僅由頭架上的卡盤夾持，主軸的熱位移僅影響工件的尺寸精度。若工件采用頭、尾架頂尖頂住磨削時，由于尾架發(fā)熱少，套筒中心幾乎不位移，結(jié)果頭架主軸中心的熱位移會使頭、尾架頂尖中心的連線與工作臺導(dǎo)軌不平行，影響工件的幾何精度。一般主軸向上的位移對工件精度影響不大，而向砂輪架方向的位移會使工件呈錐形。

圖10 改進前皮帶輪結(jié)構(gòu)

電機帶動皮帶輪通過軸承旋轉(zhuǎn)，如此一來必然會產(chǎn)生熱量，而軸承直接安裝在主軸上，導(dǎo)致熱量通過軸承內(nèi)圈直接傳給了主軸。一般這類頭架的轉(zhuǎn)速約為30～300r/min。對外圓磨床頭架作熱變形實驗時，結(jié)果顯示幾乎每臺磨床的頭架都有熱變形，有的上母線位移量達到0.02mm以上，側(cè)母線位移量達到0.015mm。由皮帶輪帶動撥盤旋轉(zhuǎn)的頭架，開機1h以后頭架溫升約為6.8℃。如此對主軸的熱變形產(chǎn)生的影響雖然微小，但是的確存在。當(dāng)主軸錐孔受到極微小的熱變形作用時，會將這種變形通過頭架頂尖傳送至工件上。那時，這種誤差將會以幾何倍數(shù)放大。

1.3.2 拉力

因為電機通過帶輪和皮帶帶動主軸撥盤轉(zhuǎn)動，但是皮帶的松緊程度比較難調(diào)節(jié)。如果皮帶比較松的話，會影響功率的輸出。但是如果太緊，會對主軸產(chǎn)生一定程度上的牽拉，增加了主軸變形和軸承受力的程度。這種情況會對主軸錐孔的跳動產(chǎn)生不良的影響，從而影響工件的圓度以及直線度，更嚴(yán)重時將在表面產(chǎn)生螺旋線，影響表面質(zhì)量。

1.3.3 共振

這種情況出現(xiàn)在數(shù)控磨床的各個方面，包括砂輪架電機引起的共振、頭架電機引起的共振、還有吸霧器引起的共振等。其中，以頭架和砂輪架電機引起的共振最為常見。一旦引起共振，將會導(dǎo)致工件精度產(chǎn)生偏差。所以往往砂輪架電機會用減震塊的形式來消除共振。而頭架電機多用法蘭式安裝，消除的方式比較困難，往往需要現(xiàn)場調(diào)整。因此牽涉到的問題相當(dāng)多。

改進后的皮帶輪就上述三點做了改進。如圖11所示，軸承并不是直接安裝在主軸上，而是安裝在一個套筒上，通過這個套筒來帶動頭架撥盤的轉(zhuǎn)動。這樣，一是阻隔了熱傳導(dǎo)，二是減少了共振，同時也讓皮帶的拉力只作用在套筒上，而不影響到主軸的變形。因為套筒與主軸之間存在1mm的間隙，正是這個間隙使得熱量無法傳導(dǎo)到主軸上，從而使主軸錐孔的熱變形減小到最低。其次，這個間隙可以讓皮帶輪的張緊力只作用在套筒上，而不是在主軸上。再次，該間隙可以避免共振。因為即使發(fā)生，套筒也可以將振動直接傳遞到頭架體殼上，從而使主軸振動量減為最小。

圖11 改進后皮帶輪結(jié)構(gòu)

2 小結(jié)

針對增壓器轉(zhuǎn)子這類精密細(xì)長軸類零件，此頭架的改進有著相當(dāng)重要的意義。通過上述頭架結(jié)構(gòu)改進前后的比較，可以看出，改進后的頭架在裝配過程中不僅更容易實現(xiàn)精度，而且對原先頭架存在的諸多問題也有相應(yīng)的解決方案，包括頭架密封、主軸材料與皮帶輪漲緊方式等。