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更輕、更強、更快!鍛造CNC渦輪葉片大剖析(2)


刊登時間: 2013/10/27

以精密航太技術
打造高性能渦輪
關於渦輪製造加工,比起其他航太航太零件製造,對於台灣帝馬樂來說相對是較為簡單的工作,根據楊總經理表示,一具完整的渦輪簡單來說是由進氣側鋁殼、排氣側鐵殼、中座、軸心、進氣側鋁葉片、排氣側鐵葉片等零件所組成,基本上外殼與中座等零件,除了像IHI、Garrett、Mitsubishi這種大型製造商擁有自己的鑄造廠外,其他中小型渦輪製造商幾乎都是委託其他鑄造廠開模製作,台灣帝馬樂也不例外。

台灣帝馬樂也曾嘗試試作一些其他的汽車零件,像這具本田B引擎的汽門搖臂蓋就是其中之一,只要有設計圖面,要用CNC製造出汽缸頭或是引擎本體都不是問題。

楊總經理認為,其實並非自己的工廠沒有能力去製造這些零件,只是需要投資成立鑄造廠的成本過高,除非一次要生產幾萬顆渦輪,否則委外製作還是比較合理的方式,只要鑄造廠模具及使用鋁、鐵合金材料正確,接下來的重點就是在後續加工與組裝部分,而加工首重的就是「精度」,要達到最理想的精準度就有賴於加工機具與品管,這也就是台灣帝馬樂斥資近億元成本購置各式先進的CNC與測試機具的原因。

其實台灣帝馬樂有很強的研發能力,但歸咎於成本問題,許多零件其實都是採用「逆向工程」來沿用其他產品的設計再進行修改。

影響渦輪性能表現最主要的就是葉片部分,前面提到一般渦輪進、排氣葉片都是採用鑄造的方式製造,而這種方式其實也沒有太大的問題,但是在材料強度方面卻遠比不上鍛造材質來得好,然而葉片形狀太過於複雜,鍛造技術是無法製作出來,因此只能採用鍛造的鋁材或合金材料,再使用五軸以上的CNC去車削製作,如此製作出來的葉片不僅強度比起一般鑄造品高出許多,且葉片的厚度較薄,且因為可以將靠近中心軸的「肉」留的更少,因此葉片長度也較大,在葉片形狀上亦可做出各種不同的變化,所以採用鍛造材料CNC切削出來的葉片,整體效率也比起普通鑄造渦輪葉片要來的優異許多。

 

除了零件加工的精度與葉片的效率外,關係耐用度與效率的最重要關鍵則是運轉時的平衡性,楊總經理表示,使用再好的材料都有其強度極限,而渦輪在複雜的作動過程當中到達某一轉速時會出現葉片「喘振」及中心軸「撓動」等物理變化,且轉速愈高就愈嚴重,這是不可避免的現象,但如果將平衡的工作做好則可以將這些問題減至最輕,因此台灣帝馬樂廠內除了一般的高速平衡機外,還特別斥資購入更高級的渦輪測試儀器,可以採用高達16萬轉速對渦輪去進行各項測試,以確保每具渦輪都擁有最佳的平衡性。

對於台灣帝馬樂而言,製造渦輪最重要的就是在於平衡性與精準度的問題,因此廠內基本的平衡儀器絕對不會缺少。

楊總經理認為一具渦輪好不好最重要的並不是有很大的輸出,他舉美國某品牌標榜零四專用渦輪為例,這類渦輪往往在低轉速時無法有效發揮增壓效率,轉速到達一定程度後就會忽然有極大的輸出湧現,在他看來好的渦輪應該在低轉速時就該有良好的效率發揮,且必須依照轉速比例循序放大,而一些標榜可達到3bar增壓值的渦輪在他看來也不合理,因為所有機械都有其耐用度,金屬長期處於高溫高壓的狀態下會減短壽命,所以他覺得能在較低轉速、較小增壓值時就能達到目標輸出值的渦輪才是好的渦輪,而這才是採用造鍛造CNC葉片來製作渦輪的最主要目的。對於Sumalaya台灣帝馬樂而言,製造渦輪並非這間公司主要的營收來源,但有鑑於台灣本土自製渦輪的普及化,加上許多品質良莠不齊的低價大陸製品充斥,其實許多國外知名的改裝渦輪品牌都是出自台灣帝馬樂之手,楊總經理甚至還拿出今年的國外廠商訂單與下訂的e-mail讓筆者看,但礙於保密協定這裡也不便公開到底是那些大廠,而這也讓筆者大為改觀,原來很多國外的好東西都是出自台灣廠商之手,花了十幾萬買的高檔渦輪搞不好就是MIT的產品。

 

葉片進行平衡校正是需要經驗的,否則一個葉片校正好幾次也都沒辦法抓出最佳的平衡狀態。

其實葉片平衡性好不好相當重要,光是將沒平衡過的葉片拿在手上用風槍去吹動,就能感受出震動,而平衡過後那種震動感就會變得輕微許多。

而這具渦輪測試機具可進行高達16000rpm的轉速,用以模擬測試軸心與葉片在實際工作時的平衡性,而此機具具稱全台灣只有這一台!