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CN101596665B - 一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法 - Google Patents

一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法 Download PDF

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王新英
何洪
张继
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Abstract

本发明属于机械加工工艺设计技术领域，具体涉及一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法。其工艺步骤为：钛铝合金涡轮叶轮连接部位的机械加工；K418高温合金过渡套连接部位的加工；42CrMo合金钢轴的加工；42CrMo合金钢轴与K418高温合金过渡套的摩擦焊对接；去应力热处理工序；K418高温合金过渡套与42CrMo合金钢轴焊接组件的加工；焊接组件与钛铝合金涡轮叶轮的过盈连接。本发明的有益效果：工艺简单、抗拉伸强度性能稳定可靠。

Description

一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法
技术领域
本发明属于机械加工工艺设计技术领域，具体涉及一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法。
背景技术
一般车用柴油机增压器的涡轮转轴采用铸造镍基高温合金K418材料制作的涡轮叶轮与合金钢轴42CrMo焊接，其组件整体重量较重。(K418材料比重为8.0g/cm3)，而采用钛铝合金涡轮叶轮与合金钢轴42CrMo制作的增压器涡轮转轴，组件重量较轻(钛铝合金涡轮叶轮材料比重为3.9g/cm3)。因而，应用钛铝合金涡轮叶轮将可以通过减轻增压器涡轮的重量，降低涡轮转子系统的转动惯量，达到提高废气涡轮增压发动机的加速瞬态响应性、减少起动/加速时冒黑烟和改善发动机低速性能、以及提高增压器轴系可靠性的多重目的。同时钛铝合金涡轮叶轮高温强度和抗氧化性能也较好，是增压器行业较理想的材料之一。但钛铝合金属于金属间化合物，采用常规的焊接方法，无法实现以往的二体直接连接，达不到设计要求的抗拉伸强度要求。根据国外、国内有关资料报道及专利检索，在连接方法上没有找到合适的专利，只发现了有一公开号为CN1183334A的专利，其专利原理适合于研制阶段的单件生产，对于目前批量工程化的生产，保证其连接性能的稳定性、可靠性和可重复性等，均提出了新的要求。
发明内容
本发明正是为了解决钛铝合金涡轮叶轮在增压器行业工程化应用中，三体连接工艺步骤、过程控制方法等，提出的一种钛铝合金涡轮转轴三体连接的新的工艺方法。
本发明的技术方案是：钛铝合金涡轮转轴三体结构由钛铝合金涡轮叶轮、K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴组成，其工艺步骤为：
(1)钛铝合金涡轮叶轮连接部位的机械加工；
(2)K418高温合金过渡套连接部位的加工；
(3)42CrMo合金钢轴的加工；
(4)42CrMo合金钢轴与K418高温合金过渡套的摩擦焊接；
(5)去应力热处理工序；
(6)K418高温合金过渡套与42CrMo合金钢轴焊接组件的加工；
(7)焊接组件与钛铝合金涡轮叶轮的过盈连接。
本发明的有益效果：通过有效的工艺方法解决了三体连接中各环节的主要难题，使得配合过盈量更加精确，连接结构工艺和工序步骤更加合理，工艺参数更加准确，连接强度更加稳定和可靠，能够满足批量生产的需求。即：首先进行K418材料过渡套与合金钢轴在摩擦焊机上进行摩擦焊接，再进行与钛铝合金涡轮叶轮连接的工序步骤和方法，有效的提高了连接强度，同时解决了摩擦焊接对钛铝合金涡轮叶轮根部的冲击，形成了过盈连接预备件加工-摩擦焊接-热处理-过渡套过盈配合尺寸精加工-高频感应加热-过盈连接的工艺方法。能够适合常规的批量生产要求。特别适合于工程化的应用，并且连接工艺简单、抗拉伸强度性能稳定可靠。解决了工艺连接的可靠性和稳定性。
具体实施方式
下面对本发明的最佳实施例作详细描述，钛铝合金涡轮转轴三体结构由钛铝合金涡轮叶轮、K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴组成。
其工艺步骤为：
(1)钛铝合金涡轮叶轮的加工：获得钛铝合金涡轮叶轮。为准备过盈连接，涡轮连接处进行凸圆外径的车削加工，加工尺寸为Φ22毫米、长15毫米，粗糙度为1.6。由于钛铝合金涡轮叶轮属于难加工材料，使用PVD-TIB2涂层硬质合金材料的刀具加工性能较好，主轴转速n＝200转/分，切削深度t＝1.5mm。
(2)高温合金K418材料过渡套的加工：将K418材料外径进行精密车削加工到Φ36毫米、长20毫米，内孔车镗孔至Φ20毫米(留1.83毫米余量)、长15毫米，粗糙度为1.6。外径和内孔一次装夹车成，可使同轴度保证在0.1mm范围内。
(3)合金钢轴42CrMo的加工：将42CrMo合金钢轴外径车削加工到Φ36毫米、长255毫米尺寸要求，粗糙度为3.2。
(4)合金钢轴42CrMo与K418材料过渡套的摩擦焊对接：将42CrMo合金钢轴和K418材料分别装夹在C-25型号摩擦焊机的主轴端和夹具端进行摩擦焊焊接，使之成为42CrMo材料与K418材料为一整体组件。摩擦焊接参数为：转速n＝765转/分，摩擦压力Pf＝3.5Mpa，摩擦时间Sf＝8秒，顶锻压力Df＝4.5Mpa。保压时间Sb＝6秒。
(5)去应力热处理工序：焊接后在普通回火炉内进行460°保温2小时去应力回火处理。
(6)组件的加工：将热处理后的组件K418材料一端，内孔车镗削成Φ21.83毫米、长15毫米的尺寸，准备与精密铸造获得钛铝涡轮加工后进行过盈连接，过盈量为0.17±0.01mm。
(7)焊接组件与钛铝合金涡轮叶轮的过盈连接：将钛铝合金涡轮叶轮装夹在CA6140车床主轴上，将加工后的组件装夹在该车床的尾座上，在过渡套K418材料的外部环绕20毫米长的感应线圈并且与普通的BGY-FB型号的高频感应设备相连接，当高频感应设备运行12秒后，过渡套K418材料瞬间温度为1000±80°(可用测温仪进行监测)，此时立即旋转尾座手柄，将焊接组件向前推入钛铝涡轮轴径内，随空气自然冷却至室温，完成钛铝合金涡轮转轴的三体连接。
本发明中应用的最佳钛铝材料主要成分比为Ti：50％、AL：46％、Cr：1.7％、V：2.3％，合金钢材料为国标42CrMo；高温合金过渡套材料为国标K418。
本发明介绍了三体结构的连接，提供了实现连接的成熟的工艺优化方法，可适合批量生产的要求，连接抗拉伸强度性能稳定可靠。

Claims (2)

1.一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法，其特征在于：钛铝合金涡轮转轴三体结构由钛铝合金涡轮叶轮、K418高温合金过渡套和42CrMo合金钢轴组成，其工艺步骤为：
(1)钛铝合金涡轮叶轮连接部位的机械加工；
(2)K418高温合金过渡套连接部位的加工；
(3)42CrMo合金钢轴的加工；
(4)42CrMo合金钢轴与K418高温合金过渡套的摩擦焊对接；
(5)去应力热处理工序；
(6)K418高温合金过渡套与42CrMo合金钢轴焊接组件的加工；
(7)焊接组件与钛铝合金涡轮叶轮的过盈连接。
2.根据权利要求1所述的一种钛铝合金涡轮转轴三体结构连接的工艺方法，所述的钛铝材料主要成分最佳比为Ti：50％、AL：46％、Cr：1.7％、V：2.3％。
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