Whipple Superchargers公司更先進的轉(zhuǎn)子加工工藝使它的功率加法器變得更強大。

　　1987年，前車隊隊長兼車主 Art Whipple在California的Fresno創(chuàng)辦了這家公司，主要為賽車、賽艇選手以及所有希望提高發(fā)動機性能的人們生產(chǎn)雙螺桿增壓器。作為幾種不同類型的“功率加法器”中的一種，增壓器將額外的發(fā)動機自身所不能吸入的空氣壓入到發(fā)動機中。輸送到發(fā)動機的空氣越多，成比例添加的燃料越多，這意味著發(fā)動機的排量變得比固有排量“更大”，馬力也就更大。

　　定制夾緊工件和成型工具確保Whipple的增壓機可以在B軸車銑機上通過一次設(shè)置就可以精準(zhǔn)打磨增壓器轉(zhuǎn)子。

　　圖1 定制和成型工具確保 Whipple的增壓機可以在B軸車銑機上通過一次設(shè)置就可以精準(zhǔn)打磨增壓器轉(zhuǎn)子

　　機殼內(nèi)螺旋轉(zhuǎn)子的精確、非接觸嚙合是保證雙螺桿增壓器正常工作的關(guān)鍵。增壓器設(shè)計師Garrett Bright解釋說，在Whipple增壓器的設(shè)計中，凸轉(zhuǎn)子有三個螺旋葉，凹轉(zhuǎn)子有四個螺旋葉，它們緊密貼合，相對分布。每當(dāng)螺旋葉經(jīng)過進氣孔時，空氣就會被困在轉(zhuǎn)子和殼體之間。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)會逐漸壓縮空氣所占據(jù)的空間，壓縮一直持續(xù)到空氣暴露在一個出口，通過這個出口，空氣以高于大氣壓力的壓力排入位于發(fā)動機頂部的進氣歧管。

　　在坐標(biāo)測量機(CMM)上進行的測量，可確保Whipple生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子以及室內(nèi)機上轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確性。目標(biāo)是將配對轉(zhuǎn)子之間的間隙控制在125?µm。

　　增壓器的效率取決于配套轉(zhuǎn)子和外殼之間的密封效果。直到最近，Whipple還只使用一家歐洲公司生產(chǎn)和供應(yīng)的轉(zhuǎn)子，此類轉(zhuǎn)子仍用于某些增壓器模型。但是，自從引入新技術(shù)后，Whipple開始自行設(shè)計和加工轉(zhuǎn)子。并且由公司自行研發(fā)的加工工藝所生產(chǎn)出來的轉(zhuǎn)子的圓柱形狀和準(zhǔn)確度優(yōu)于供應(yīng)商提供的轉(zhuǎn)子。事實上，更精確的加工意味著新的增壓器比供應(yīng)商提供轉(zhuǎn)子的增壓器效率高5%。

　　若想實現(xiàn)更精確的加工過程，需要花費大量的時間。但是借助先進的測量、機床、工件夾具和刀具技術(shù)，Whipple找到了一種不僅可以精確加工轉(zhuǎn)子，還可以最大程度縮短更換時間并提高切割性能的方法，從而縮短了加工周期。

　　圖2 在坐標(biāo)測量機(CMM)上進行的測量，可確保Whipple生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子以及室內(nèi)機上轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確性。目標(biāo)是將配對轉(zhuǎn)子之間的間隙控制在125?µm

　　過去工件夾緊一直是重要環(huán)節(jié)

　　Bright先生說，在使用Zeiss Accura坐標(biāo)測量機(CMM)對供應(yīng)商提供的轉(zhuǎn)子進行精確測量后，Whipple對結(jié)果不是很滿意，于是促使公司開始制造屬于自己的轉(zhuǎn)子?；匦ぷ髋_是這種坐標(biāo)測量機(CMM)的特點之一，除此之外，它的Calypso測量軟件還集成了蔡司的Vast掃描技術(shù)和Gear Pro選項。Bright先生說，這種軟件對于測量配對轉(zhuǎn)子特別有效，因為他可以在凸形和凹形轉(zhuǎn)子螺旋剖面上指定特定的控制點，以確定兩者之間的間隙。Bright先生認(rèn)為每個轉(zhuǎn)子的側(cè)面輪廓應(yīng)為±63?µm，以達到約125?µm的間隙，但是供應(yīng)商供應(yīng)的轉(zhuǎn)子未達到這項標(biāo)準(zhǔn)。

　　Whipple的轉(zhuǎn)子加工工藝與供應(yīng)商的相似，不過在其基礎(chǔ)上進行了改進，提高了剛性。Whipple于2016年10月購買了一臺帶有B軸銑頭的Mazak Integrex e-420H-S II車銑床。首先是在另一臺機器上對圓柱形6061鋁制轉(zhuǎn)子毛坯進行縱向中心鉆孔，將鋼軸壓入其中。操作員將毛坯裝載到Integrex(機床的主軸)中，然后將副主軸夾在軸的突出軸頸上;接下來，機床的B軸傾斜，標(biāo)定定制成形刀的方向。成形刀將在該角度(如圖1)與預(yù)期的齒形嚙合;最終，隨著轉(zhuǎn)子緩慢旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)成型工具沿Z軸移動，在多個道次上形成凹槽。“就這一點來看，我們采用的是高端的兩軸車床，”Bright先生調(diào)侃道。

　　起初，Whipple使用加長型回拉式ER夾頭來夾緊軸頸。加長長度的目的是確保毛坯與副主軸之間的距離，為B軸主軸提供足夠的間隙，使其能夠根據(jù)需要在副主軸的卡盤上盡量傾斜。然而，這些夾頭的回拉功能使得加載轉(zhuǎn)子毛坯既困難又耗時，夾頭擰緊(導(dǎo)致回拉)也使主軸承受了過大的負載，這意味著必須將W軸的副主軸拉入才能減輕主軸負載，否則，可能會導(dǎo)致抖動或表面光潔度變差。因此，像Chris Jensen這樣的操作人員會不斷地進行夾緊和再夾緊的操作，直到大部分負載被消除，這個過程通常需要10?min。此外，因為多次擰緊和松開而被嚴(yán)重磨損，Whipple不得不經(jīng)常更換夾頭。

　　與以前使用的ER夾頭不同，定長夾頭不會向后拉動工件，也不會向主軸施加任何負載。這使得設(shè)置時間從10 min縮短到了2 min。

　　圖3 與以前使用的ER夾頭不同，定長夾頭不會向后拉動工件，也不會向主軸施加任何負載。這使得設(shè)置時間從10 min縮短到了2 min

　　Mazak的應(yīng)用工程師Kellen Bush參與了Whipple的這個項目，根據(jù)他的建議，Whipple聯(lián)系了 Hainbuch，希望Hainbuch能夠設(shè)計出另一種工件夾緊方式。Hainbuch銷售經(jīng)理Tom Chambers解釋說，他們的定制工件夾持解決方案不僅能確保機器的B軸能夠傾斜到所需的角度而不受干擾，而且還提供了更高的剛性，同時簡化了轉(zhuǎn)換。這在很大程度上是可能的，因為使用的是定長夾頭，而不是回拉式夾頭。Chambers先生說到，定長夾頭可以實現(xiàn)“空間夾緊”，這意味著當(dāng)夾頭被夾緊時，轉(zhuǎn)子上的毛坯不會移動，因此不會對主軸產(chǎn)生額外的負載?，F(xiàn)在，只需2 min便可完成更換。

　　Chris Jensen是這臺機器的主要操作員。凸轉(zhuǎn)子的循環(huán)周期為14?min，凹轉(zhuǎn)子的循環(huán)周期為20?min。

　　圖4 先對鋁轉(zhuǎn)子坯料進行鉆孔，以便剛軸可以壓入其中

　　Whipple用于加工轉(zhuǎn)子的Kyocera Unimerco成形刀實際上并不常用于切割金屬。Kyocera Unimerco的銷售經(jīng)理Anders Varga說，這種刀具通常用于切割木材、復(fù)合材料和其他纖維材料。主要是因為金屬工件與長鑲刀刀刃之間的接觸面積較大，大量的壓力將會施加在工件上。這些刀具可用于本文介紹的轉(zhuǎn)子加工應(yīng)用，進一步證明了自帶Capto主軸接口及定制工件夾緊功能機床的堅固性。

　　使用與轉(zhuǎn)子的螺旋凹槽輪廓(經(jīng)過Bright先生改進)相匹配的成形刀可以避免使用多個立銑刀雕刻凹槽后的拋光作業(yè)需求。轉(zhuǎn)子被加工到凸角盡可能大，但又剛好不影響后續(xù)專用圖層的添加。Whipple通常使用兩個粗加工刀具和三個精加工刀具進行凸凹轉(zhuǎn)子加工，這些刀具使用無涂層的微晶粒硬質(zhì)合金做成，粗加工刀具的鑲塊通過螺釘固定在刀體上，而精加工刀具則被釬焊到刀體上。

　　之前使用端銑刀創(chuàng)建轉(zhuǎn)子槽仍需進行二次精加工，現(xiàn)在通過使用成型刀具則不必進行二次精加工。

　　圖5 Chris Jensen是這臺機器的主要操作員。凸轉(zhuǎn)子的循環(huán)周期為14 min，凹轉(zhuǎn)子的循環(huán)周期為20 min

　　圖6 涂上專用涂層后(左)，轉(zhuǎn)子制作完成

　　達到所需精度

　　Whipple的加工工藝不僅實現(xiàn)了配對轉(zhuǎn)子之間間隙被控制在125?µm的目標(biāo)，而且還提高了端對端轉(zhuǎn)子圓柱度的一致性。Bright 先生表示，采用原始的工件夾緊方式會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一端與另一端的圓柱度差異達到10?µm，而現(xiàn)在，這種差異已經(jīng)縮小到了1?µm。轉(zhuǎn)子的周期速度也有了些許提高，凸轉(zhuǎn)子的循環(huán)周期為14?min，凹轉(zhuǎn)子為20?min。這些對于Whipple而言已經(jīng)很滿意了，因為公司的主要目標(biāo)是提高轉(zhuǎn)子加工精度和更換速度，目前兩個目標(biāo)均已實現(xiàn)。