一種提升增壓器渦輪心部強度性能的方法與結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種提升增壓器渦輪心部強度性能的方法與結(jié)構(gòu)，根據(jù)增壓器渦輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定渦輪輪盤與輪轂的尺寸參數(shù)和摩擦焊接工藝參數(shù)，輪轂的摩擦焊接部位為圓錐面，輪盤的摩擦焊接部位為圓錐通孔，輪轂采用合金棒材機械加工而成，輪盤是在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成，然后通過摩擦焊接方式將渦輪的輪轂與輪盤焊接在一起，形成完整的增壓器渦輪，最后按照渦輪的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，對渦輪進行其他部位的機械加工。本發(fā)明能夠顯著提升增壓器渦輪的心部強度性能，使渦輪心部強度性能達到與母合金相同的水平，有效解決鈦鋁合金等材料在直接鑄造成型增壓器渦輪時存在的心部強度性能差等問題，滿足增壓器渦輪的使用要求，而且易于實現(xiàn)工程化。
【專利說明】一種提升增壓器渦輪心部強度性能的方法與結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于渦輪增壓【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種提升增壓器渦輪心部強度性能的方法與結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]渦輪是車用渦輪增壓器的核心零部件之一，承擔著回收發(fā)動機排出的廢氣能量，并將其轉(zhuǎn)化為增壓器壓氣機葉輪做工所需能量的功能。目前，車用渦輪增壓器的渦輪主要采用的是鑄造鎳基高溫合金K418材料，但是，由于K418合金材料的密度為8.9X103kg /m3，由K418合金制造的增壓器渦輪的轉(zhuǎn)動慣量也相對較大，導致廢氣渦輪增壓發(fā)動機的瞬態(tài)響應(yīng)性較差，發(fā)動機在起動和加速時的冒黑煙現(xiàn)象較為嚴重。
[0003]為降低車用增壓器渦輪的轉(zhuǎn)動慣量、提高廢氣渦輪增壓發(fā)動機的瞬態(tài)響應(yīng)性、減弱發(fā)動機在起動/加速時的冒黑煙現(xiàn)象，車用增壓器渦輪可以采用比強度較高的鑄造鈦鋁合金材料代替K418合金材料。由于鈦鋁合金材料的密度僅為3.87 X 103kg / m3，約為K418合金密度的43%，同時鈦鋁合金又具有良好的高溫性能和抗氧化性能，用鈦鋁合金制造的增壓器渦輪，不僅能夠有效降低渦輪的轉(zhuǎn)動慣量，而且還有助于提高渦輪的氣動性能，達到提高渦輪增壓發(fā)動機瞬態(tài)響應(yīng)性、改善發(fā)動機性能的目的。
[0004]鈦鋁合金屬于金屬間化合物，由于受鈦鋁合金材料自身特點的影響以及現(xiàn)有增壓器渦輪鑄造工藝的制約，鑄造成型的鈦鋁合金增壓器渦輪心部力學性能較差，心部拉伸強度較低，僅為母合金拉伸強度的58%，導致鈦鋁合金增壓器渦輪的超速裕度不足，難以滿足鈦鋁合金渦輪在車用渦輪增壓器中的應(yīng)用要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提出一種提升增壓器渦輪心部強度性能的方法與結(jié)構(gòu)。通過合理設(shè)計增壓器渦輪輪轂與輪盤結(jié)構(gòu)參數(shù)以及摩擦焊接工藝參數(shù)，渦輪輪轂采用合金棒材機械加工而成，渦輪輪盤在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成。采用摩擦焊接的方式將渦輪輪盤與輪轂焊接在一起形成完整的增壓器渦輪，可以有效地提升增壓器渦輪的心部強度性能。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案:
[0007]—種提升增壓器渦輪心部強度性能的方法，包括以下步驟:
[0008]a、確定渦輪輪盤與輪轂?zāi)Σ梁附硬课坏某叽鐓?shù):根據(jù)增壓器渦輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定渦輪輪盤與輪轂的尺寸參數(shù)，輪轂?zāi)Σ梁附硬课粸閳A錐面，圓錐面的錐角Θ為5-10° ;輪盤摩擦焊接部位為圓錐通孔，圓錐通孔的錐角與輪轂?zāi)Σ梁附硬课粓A錐面的錐角相同；輪轂的圓錐面小端直徑OD1比輪盤的圓錐孔小端直徑Φ?2大2-6mm，輪轂的圓錐面高度L1比輪盤的圓錐孔深度L2大3-10mm ；
[0009]b、確定渦輪輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù):根據(jù)渦輪材料的特點以及渦輪輪盤與輪轂的尺寸參數(shù)，確定渦輪輪盤與輪轂在摩擦焊接過程中的相對旋轉(zhuǎn)速度、軸向進給力以及軸向進給量；[0010]C、渦輪輪轂的機械加工:采用合金棒材，按照步驟a中確定的渦輪輪轂尺寸參數(shù)，通過機械冷加工的方式，將合金棒材加工成渦輪的輪轂；
[0011]d、渦輪輪盤的加工:按照步驟a中確定的渦輪輪盤尺寸參數(shù)，渦輪輪盤在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成；
[0012]e、渦輪輪盤與輪轂的摩擦焊連接:采用摩擦焊接方式，在摩擦焊機上將渦輪的輪盤與輪轂分別固定在摩擦焊機的兩個裝夾端，按照步驟b中所確定的摩擦焊接工藝參數(shù)，通過輪轂A錐面與輪盤B錐面的摩擦焊接，將渦輪的輪轂與輪盤焊接在一起，形成完整的增壓器渦輪；
[0013]f、按照渦輪葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，對完成輪轂與輪盤摩擦焊接連的渦輪進行其他部位的機械加工。
[0014]一種提升增壓器渦輪心部強度性能的結(jié)構(gòu)，所述增壓器渦輪由輪轂I和輪盤2組成，其特征在于:所述渦輪輪轂I的摩擦焊接部位為圓錐面，錐度角Θ為5-10°，所述渦輪輪盤2的摩擦焊接部位為圓錐通孔，圓錐通孔的錐角與輪轂?zāi)Σ梁附硬课粓A錐的錐角相同；所述渦輪輪轂I由合金棒材加工而成，所述渦輪輪盤2是在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成；所述的渦輪輪轂I和輪盤2采用摩擦焊接方式通過圓錐面A和圓錐面B之間的摩擦焊接而形成完整的增壓器渦輪。
[0015]本發(fā)明的有益效果是:
[0016]通過合理設(shè)計渦輪輪轂與輪盤摩擦焊接部位的尺寸參數(shù)以及摩擦焊接工藝參數(shù)，采用摩擦焊接的連接方式，將用合金棒材機械加工成型的渦輪輪轂與用合金鑄造成型的渦輪輪盤焊接在一起，形成完 整的增壓器渦輪。該方法與結(jié)構(gòu)能夠有效地提升增壓器渦輪的心部強度性能，提高增壓器渦輪的超速安全裕度，解決鈦鋁合金等材料在直接鑄造成型增壓器渦輪時存在的心部強度不足等問題。采用合金棒材機械加工成型的渦輪輪轂，可以使渦輪的心部強度性能達到與母合金相同的水平。采用摩擦焊連接方式，可以使渦輪輪轂與輪盤之間實現(xiàn)可靠的連接。渦輪在完成輪轂與輪盤摩擦焊連接的基礎(chǔ)上，再進行其他部位的加工，可以有效地保證渦輪葉輪的整體外形尺寸。該方法與結(jié)構(gòu)簡單可靠，易于實現(xiàn)工程化應(yīng)用。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是增壓器渦輪的輪轂結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2是增壓器渦輪的輪盤結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]I輪轂2輪盤
[0020]圖3是輪轂和輪盤采用摩擦焊工藝焊接在一起形成的渦輪結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]一種提升增壓器渦輪心部強度性能的方法，包括以下步驟:
[0022]a、確定渦輪輪盤與輪轂?zāi)Σ梁附硬课坏某叽鐓?shù)。根據(jù)增壓器渦輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定渦輪輪盤與輪轂的尺寸參數(shù)，輪轂?zāi)Σ梁附硬课粸閳A錐面，圓錐面的錐角Θ為5-10° ;輪盤摩擦焊接部位為圓錐通孔，圓錐通孔的錐角與輪轂?zāi)Σ梁附硬课粓A錐面的錐角相同；輪轂的圓錐面小端直徑OD1比輪盤的圓錐孔小端直徑Φ?2大2-6mm，輪轂的圓錐面高度L1比輪盤的圓錐孔深度L2大3-10mm，如圖1和圖2所示。例如，對于直徑為Φ95πιπι的渦輪葉輪，輪轂?zāi)Σ梁附硬课粓A錐角Θ為9°，小端直徑OD1為Φ 16mm，輪轂的圓錐面高度L1為45mm，輪盤摩擦焊接部位圓錐通孔的錐角Θ為9°，圓錐孔小端直徑Φ?2為Φ 14mm，輪盤的圓錐孔深度為40mm。
[0023]b、確定渦輪輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù)。根據(jù)渦輪材料的特點以及渦輪輪盤與輪轂的尺寸參數(shù)，確定渦輪輪盤與輪轂在摩擦焊接過程中的相對旋轉(zhuǎn)速度、軸向進給力以及軸向進給量。
[0024]C、渦輪輪轂的機械加工。按照步驟a中確定的渦輪輪轂尺寸參數(shù)，渦輪輪轂采用合金棒材機械加工而成。
[0025]d、渦輪輪盤的加工。按照步驟a中確定的渦輪輪盤尺寸參數(shù)，渦輪輪盤是在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成。
[0026]e、渦輪輪盤與輪轂的摩擦焊連接，在摩擦焊機上將渦輪的輪盤與輪轂分別固定在摩擦焊機的兩個裝夾端，按照步驟b中所確定的摩擦焊接工藝參數(shù)，通過輪轂A錐面與輪盤B錐面的摩擦焊接，將渦輪的輪轂與輪盤焊接在一起，形成完整的增壓器渦輪，如圖3所示。
[0027]f、按照渦輪葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，對完成輪轂與輪盤摩擦焊接連的渦輪進行其他部位的機械加工。
[0028]渦輪輪轂采用合金棒材機械加工而成，渦輪輪盤在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成?？梢怨?jié)約材料，并能夠充分利用材料特性。
[0029]對于直徑為Φ95πιπι的鈦鋁合金增壓器渦輪，優(yōu)選渦輪輪盤與輪轂?zāi)Σ梁附硬课坏某叽鐓?shù)為:渦輪輪轂的摩擦焊接部位圓錐角Θ為9°，小端直徑OD1為Φ 16mm，輪轂的圓錐面高度L1S 45_，輪盤的摩擦焊接部位圓錐通孔的錐角Θ為9。，圓錐孔小端直徑Φ?2為Φ14πιπι，輪盤的圓錐孔深度為40mm。
[0030]一種提升增壓器渦輪心部強度性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述增壓器渦輪在摩擦焊接之前由渦輪的輪轂I和輪盤2組成；所述渦輪輪轂I的摩擦焊接部位為圓錐面，錐度角Θ為5-10°，所述渦輪輪盤2的摩擦焊接部位為圓錐通孔，圓錐通孔的錐角與輪轂?zāi)Σ梁附硬课粓A錐的錐角相同；所述渦輪輪轂I的圓錐小端直徑OD1比渦輪輪盤2的圓錐孔小端直徑Φ?2大2-6mm，輪轂I的圓錐面高度L1比輪盤2的圓錐孔深度L2大3_10mm。所述渦輪輪轂I由合金棒材加工而成，所述渦輪輪盤2是在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成。所述的渦輪輪轂I和輪盤2采用摩擦焊接工藝，通過圓錐面A和圓錐面B之間的摩擦焊接而形成完整的增壓器渦輪。
【權(quán)利要求】
1.一種提升增壓器渦輪心部強度性能的方法，包括以下步驟: a、確定渦輪輪盤與輪轂?zāi)Σ梁附硬课坏某叽鐓?shù):根據(jù)增壓器渦輪的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定渦輪輪盤與輪轂的尺寸參數(shù)，輪轂?zāi)Σ梁附硬课粸閳A錐面，圓錐面的錐角Θ為5-10° ;輪盤摩擦焊接部位為圓錐通孔，圓錐通孔的錐角與輪轂?zāi)Σ梁附硬课粓A錐面的錐角相同；輪轂的圓錐面小端直徑OD1比輪盤的圓錐孔小端直徑Φ?2大2-6mm，輪轂的圓錐面高度L1比輪盤的圓錐孔深度L2大3-1Omm ; b、確定渦輪輪盤與輪轂的摩擦焊接工藝參數(shù):根據(jù)渦輪材料的特點以及渦輪輪盤與輪轂的尺寸參數(shù)，確定渦輪輪盤與輪轂在摩擦焊接過程中的相對旋轉(zhuǎn)速度、軸向進給力以及軸向進給量； C、渦輪輪轂的機械加工:采用合金棒材，按照步驟a中確定的渦輪輪轂尺寸參數(shù)，通過機械冷加工的方式，將合金棒材加工成渦輪的輪轂； d、渦輪輪盤的加工:按照步驟a中確定的渦輪輪盤尺寸參數(shù)，渦輪輪盤在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成； e、渦輪輪盤與輪轂的摩擦焊連接:采用摩擦焊接方式，在摩擦焊機上將渦輪的輪盤與輪轂分別固定在摩擦焊機的兩個裝夾端，按照步驟b中所確定的摩擦焊接工藝參數(shù)，通過輪轂A錐面與輪盤B錐面的摩擦焊接，將渦輪的輪轂與輪盤焊接在一起，形成完整的增壓器渦輪； f、按照渦輪葉輪的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，對完成輪轂與輪盤摩擦焊接的渦輪進行其他部位的機械加工。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升增壓器渦輪心部強度性能的方法，其特征在于:在步驟c中，渦輪輪轂采用合金棒材 機械加工而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提升增壓器渦輪心部強度性能的方法，其特征在于:在步驟d中，渦輪輪盤是在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成。
4.一種提升增壓器渦輪心部強度性能的結(jié)構(gòu)，所述增壓器渦輪由輪轂(I)和輪盤(2)組成，其特征在于:所述渦輪輪轂(I)的摩擦焊接部位為圓錐面，錐度角Θ為5-10°，所述渦輪輪盤(2)的摩擦焊接部位為圓錐通孔，圓錐通孔的錐角與輪轂?zāi)Σ梁附硬课粓A錐的錐角相同；所述渦輪輪轂(I)由合金棒材加工而成，所述渦輪輪盤(2)是在合金鑄造成型的基礎(chǔ)上加工而成；所述的渦輪輪轂(I)和輪盤(2)采用摩擦焊接方式通過圓錐面A和圓錐面B之間的摩擦焊接而形成完整的增壓器渦輪。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的提升增壓器渦輪心部強度性能的結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述渦輪輪轂(I)的圓錐小端直徑OD1比渦輪輪盤(2)的圓錐孔小端直徑Φ?2大2-6mm，輪轂(I)的圓錐面高度L1比輪盤⑵的圓錐孔深度L2大3-10mm。
【文檔編號】F01D5/02GK103862234SQ201410055178
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年2月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月13日
【發(fā)明者】王正, 王增全, 王晉偉, 王阿娜, 張宇飛, 門日秀 申請人:中國北方發(fā)動機研究所(天津)