高強度高致密性渦輪增壓器壓殼關鍵技術研究與應用

張玉田+林國棟+林潘定+沈倫廉+潘曙光

摘 要：文章以高強度高致密性渦輪增壓器壓殼為設計改進對象，集成各個關鍵技術的研究成果，憑借鋁壓鑄仿真模擬平臺，充分利用壓鑄模分模設計技術、可潰散型芯壓鑄模具技術、低速高壓壓鑄工藝優化改進、高真空壓鑄技術以及模具熱平衡系統應用等研究出新型的高壽命可潰散型芯渦輪增壓器殼體壓鑄模具，實現高強度高致密性渦輪增壓器壓殼的產業化，帶動我國鋁壓鑄行業向著高技術含量方向發展。

關鍵詞：渦輪增壓器；可潰散型芯；仿真模擬；真空；熱平衡

中圖分類號：TG146 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）02-0040-02

Abstract： In this paper， the pressure shell of high strength and high density turbocharger is taken as the object to be improved in design， and the research results of various key technologies are integrated， and the simulation platform of aluminum die casting is adopted. Full use of die casting die separation design technology， breakable core die casting die technology， low speed and high pressure die casting process optimization improvement. A new type of die casting die for high life collapsible core turbocharger shell has been developed by using high vacuum die casting technology and the application of die heat balance system. The industrialization of high strength and high density turbocharger shell has been realized， and the aluminum die-casting industry in China has been developed towards the direction of high technology content.

Keywords： turbocharger； collapsible core； simulation； vacuum； heat balance

1 技術研究背景

隨著汽車工業的飛速發展，汽車產量逐年增加，市場對汽車輕量化和燃油經濟性要求的不斷提高，促使汽車零部件的鋁化率不斷提高。渦輪增壓器作為提高燃油經濟性的選擇之一，減輕其本身的重量成為了一個必須攻克的問題，有效加速我國高強度高致密性渦輪增壓器模具技術的國產化進程，達到國外同類產品的先進水平。

本文所闡述的研究與應用主要針對渦輪增壓器壓殼壓鑄件壁厚變化大、形狀復雜、曲面多的特點，分析現有鋁壓鑄工藝技術存在的問題以及對其質量的影響，進行創新性研究，解決其中共性關鍵技術問題，研制具有自主知識產權的新型慢速-可潰散型芯壓鑄模具，以滿足高強度高致密性渦輪增壓器壓殼壓鑄產品的市場需求。

2 該技術研究的發展現狀與必要性

2.1 發展現狀

目前，我國鑄造業在觀念創新、機制創新、管理創新等方面存在不足，尤其在技術方面，科技水平較低，先進設備和新工藝應用較少，我國鋁鑄業利用重力鑄造和砂型鑄造的鋁鑄件還占有較大比例，占鋁鑄件總量56.4%。雖然部分骨干企業的產品已有能力在國際市場參與競爭，能引進、消化，并實現部分創新，也取得一些成果，但同國外壓鑄技術相比，仍存在不足之處，主要表現為：

（1）國內壓鑄機的操作系統落后，需手動調節壓鑄參數且顯示功能單薄，無法有效保證鑄件品質，自動化壓鑄工藝實行困難。

（2）國產壓鑄機油缸尺寸比國外大1/4以上，增加加工和原材料成本，能量耗損更大，資源浪費。

（3）國內壓鑄機密封件質量及加工品質較低，致使國產壓鑄機大都存在漏油現象。

（4）國內壓鑄模具的使用壽命較短。

目前中國自主研制的汽車渦輪增壓器壓鑄技術雖取得較大進展，但在汽車渦輪增壓器輕量化設計及燃油經濟上仍有較大的技術難題亟需突破，其主要關鍵技術仍掌握在國外先進企業手中。

2.2 必要性

隨著汽車保有量不斷攀升，能源短缺、霧霾污染等問題日益凸顯，“節能減排”成為每個車企的追求目標，這使得輕量化被廣泛的應用到普通汽車身上。輕量化能夠使得車輛在提升操控性和動力性的同時，還有出色的節油表現。渦輪增壓器將會是汽車發動機輕量化的重要舉措之一，以汽車為例，新一代汽車的目標是每100公里油耗減少到3升，這就要求整車重量大為減輕，汽車輕量化的迫切需要為國內壓鑄業的發展提供了廣闊的前景。

但我國零部件企業的自主研發實力仍舊較弱，一些汽車零部件的關鍵技術大多被外資企業所壟斷。其中，渦輪增壓器壓殼由于強度要求高、致密性要求高，結構復雜，受壓鑄模具結構的限制，不能采用目前常規的壓力鑄造工藝技術來完成，限制壓力鑄造在該類產品上的應用，縮小使用范圍。因此，開發適合高強度、高致密度壓鑄件的技術就是當務之急。

3 關鍵技術分析

高強度高致密性渦輪增壓器壓殼關鍵技術研究與應用，以研究高強度高致密性渦輪增壓器壓殼為主要目標，通過對壓鑄模分模設計、低速高壓壓鑄工藝技術、高真空壓鑄技術以及薄壁復雜形狀鋁合金鑄件壓鑄技術的研究，掌握渦輪增壓器壓殼的相關制備技術。具體關鍵技術如下：endprint

3.1 壓鑄模分模設計關鍵技術

通過對傳統模具結構優化，采用可潰散型芯技術，結合壓鑄模分模設計，有效滿足渦輪增壓器壓殼鑄件的各項技術要求，且在以保證方案可行的基礎上，提高壓鑄件的質量，降低模具的設計和制造成本。

此外，對壓鑄模分模數字化設計系統的設計，利用UG二次開發技術實現壓鑄模分模數字化系統的功能，主要包括以下三方面：（1）側凹特征的識別和脫模方向的確定；（2）分型線的識別；（3）分型面的生成。最終利用得到的分型面去切割包圍壓鑄件模型的盒體，以此得到模具的型腔和型芯。

3.2 可潰散型芯壓鑄模具關鍵技術

采用高潰散性型芯技術，對可潰散型芯進行選擇并優化，使型芯可承受高壓，保證在高壓下不產生變形損壞，保持表面的完整性，使產品輪廓清晰。此外，通過可潰散型芯的敲落辦法，保證去除時的方便、快捷，減少渦輪增壓器壓殼壓鑄完成后表面殘留，滿足壓殼表面的清潔度要求，適應產業化生產的需求。

3.3 低速高壓壓鑄工藝關鍵技術

由于孔洞類缺陷是壓鑄件中公認的主要缺陷之一，鋁合金中金屬液流動過程的卷氣和凝固過程的收縮是產生孔洞類型缺陷的主要原因。因此，通過將低速壓射速度適當提高，而將高速壓射速度大幅降低，并將高速壓射起點延后，從而在保證超低速充型條件的前提下提高金屬液的充型能力。此外，通過抽真空技術減少壓室及型腔中氣體含量，緩解壓鑄過程中卷氣問題的發生。

此外，根據渦輪增壓器壓殼鑄件的結構及其澆注系統的特點，采用多角度并配合使用一定角度的俯沖方式保證金屬液平衡推進。為了減少壓力損失，橫澆道采用了圓形截面。在流道分岔、轉彎處加大了圓角，以防止金屬液的紊流。

3.4 薄壁復雜形狀鋁合金鑄件仿真模擬關鍵技術

渦輪增壓器壓殼表面形狀復雜，壁薄，在產品壓鑄過程中鋁合金液以較低的速度通過模具流道時，因時間較長，熱損失較多，鋁液前端易冷卻，產品會出現冷隔、冷紋、成形不良等缺陷。

因此，針對以低速壓鑄的方式制備渦輪增壓器壓殼鑄件，結合仿真對充型流動特征進行分析，并建立渦輪增壓器壓殼壓鑄充型金屬液填充模型，再通過仿真討論流動試樣入口處和沿程的組織力學性能，建立薄壁、復雜形狀鋁合金件壓鑄沿程氣孔分布模型，最終將建立的數值仿真模型成功應用于薄壁、復雜形狀鋁合金的工藝進行優化。

3.5 高真空壓鑄關鍵技術

由于汽車渦輪增壓器壓殼產品氣密性及內部縮孔的要求較高，需要實行高真空壓鑄工藝。因此，將從模具密封性方向入手，減少抽氣時模具的泄漏量，來實現壓鑄過程中的高真空。在壓鑄模具動模墊板后部增設一可固定在動模墊板上的頂板密封板，并在密封板上開設密封槽及緩沖氣槽，將所有緩沖氣槽與抽氣系統相連，當有少量氣體有密封圈泄漏進入密封槽內側時，可通過緩沖氣槽抽走，而不至于進入模具型腔，避免渦輪增壓器壓殼內部縮孔的產生，提高產品氣密性。

3.6 模具熱平衡系統關鍵技術

在傳統基礎上進行改進，對澆注系統、排溢系統、冷卻系統、頂出系統等進行模擬仿真，對優化結果做出適當調整，結合模流分析軟件，在設計前及找出最需要強制冷卻的位置，對其凝固過程，充型過程的溫度場、流場進行仿真模擬、驗證。采用高精度模具溫控技術，監控模具各部的溫度，在模具需要冷卻的位置加以冷卻，在模具需要加熱的地方加溫，并充分應用渣包等結構的保溫能力，保持較好的熱平衡。保證鋁液在流動過程中熱量損失減小，鋁液流動平穩，防止金屬液的紊流，減少壓力能量損失，保證增壓效果，讓鋁液在足夠的壓力下凝固，以保證產品的輪廓足夠清晰，有較好的表面光潔度。

4 結束語

本項技術研究以高強度高致密性渦輪增壓器壓殼為設計改進對象，從壓鑄模分模設計、低速高壓壓鑄工藝技術、高真空壓鑄技術以及薄壁復雜形狀鋁合金鑄件壓鑄技術等方面進行工藝創新與研究，形成一整套企業自主研發的可潰散型芯渦輪增壓器壓殼壓鑄模具，滿足國產汽車對高強度高致密性渦輪增壓器壓殼的需求，既滿足汽車輕量化的需求，又充分發揮成型技術特點，進一步提升汽車性能。

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