高強(qiáng)度高致密性渦輪增壓器壓殼關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

張玉田+林國棟+林潘定+沈倫廉+潘曙光

摘 要：文章以高強(qiáng)度高致密性渦輪增壓器壓殼為設(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)象，集成各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的研究成果，憑借鋁壓鑄仿真模擬平臺(tái)，充分利用壓鑄模分模設(shè)計(jì)技術(shù)、可潰散型芯壓鑄模具技術(shù)、低速高壓壓鑄工藝優(yōu)化改進(jìn)、高真空壓鑄技術(shù)以及模具熱平衡系統(tǒng)應(yīng)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(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度高致密性渦輪增壓器壓殼的產(chǎn)業(yè)化，帶動(dòng)我國鋁壓鑄行業(yè)向著高技術(shù)含量方向發(fā)展。

關(guān)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(hào)：TG146 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shù)研究背景

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車產(chǎn)量逐年增加，市場對(duì)汽車輕量化和燃油經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)性的選擇之一，減輕其本身的重量成為了一個(gè)必須攻克的問題，有效加速我國高強(qiáng)度高致密性渦輪增壓器模具技術(shù)的國產(chǎn)化進(jìn)程，達(dá)到國外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。

本文所闡述的研究與應(yīng)用主要針對(duì)渦輪增壓器壓殼壓鑄件壁厚變化大、形狀復(fù)雜、曲面多的特點(diǎn)，分析現(xiàn)有鋁壓鑄工藝技術(shù)存在的問題以及對(duì)其質(zhì)量的影響，進(jìn)行創(chuàng)新性研究，解決其中共性關(guān)鍵技術(shù)問題，研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型慢速-可潰散型芯壓鑄模具，以滿足高強(qiáng)度高致密性渦輪增壓器壓殼壓鑄產(chǎn)品的市場需求。

2 該技術(shù)研究的發(fā)展現(xiàn)狀與必要性

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國鑄造業(yè)在觀念創(chuàng)新、機(jī)制創(chuàng)新、管理創(chuàng)新等方面存在不足，尤其在技術(shù)方面，科技水平較低，先進(jìn)設(shè)備和新工藝應(yīng)用較少，我國鋁鑄業(yè)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(yè)的產(chǎn)品已有能力在國際市場參與競爭，能引進(jìn)、消化，并實(shí)現(xiàn)部分創(chuàng)新，也取得一些成果，但同國外壓鑄技術(shù)相比，仍存在不足之處，主要表現(xiàn)為：

（1）國內(nèi)壓鑄機(jī)的操作系統(tǒng)落后，需手動(dòng)調(diào)節(jié)壓鑄參數(shù)且顯示功能單薄，無法有效保證鑄件品質(zhì)，自動(dòng)化壓鑄工藝實(shí)行困難。

（2）國產(chǎn)壓鑄機(jī)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(fèi)。

（3）國內(nèi)壓鑄機(jī)密封件質(zhì)量及加工品質(zhì)較低，致使國產(chǎn)壓鑄機(jī)大都存在漏油現(xiàn)象。

（4）國內(nèi)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(shù)雖取得較大進(jìn)展，但在汽車渦輪增壓器輕量化設(shè)計(jì)及燃油經(jīng)濟(jì)上仍有較大的技術(shù)難題亟需突破，其主要關(guān)鍵技術(shù)仍掌握在國外先進(jìn)企業(yè)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(jié)能減排”成為每個(gè)車企的追求目標(biāo)，這使得輕量化被廣泛的應(yīng)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(dòng)力性的同時(shí)，還有出色的節(jié)油表現(xiàn)。渦輪增壓器將會(huì)是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化的重要舉措之一，以汽車為例，新一代汽車的目標(biāo)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(nèi)壓鑄業(yè)的發(fā)展提供了廣闊的前景。

但我國零部件企業(yè)的自主研發(fā)實(shí)力仍舊較弱，一些汽車零部件的關(guān)鍵技術(shù)大多被外資企業(yè)所壟斷。其中，渦輪增壓器壓殼由于強(qiáng)度要求高、致密性要求高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受壓鑄模具結(jié)構(gòu)的限制，不能采用目前常規(guī)的壓力鑄造工藝技術(shù)來完成，限制壓力鑄造在該類產(chǎn)品上的應(yīng)用，縮小使用范圍。因此，開發(fā)適合高強(qiáng)度、高致密度壓鑄件的技術(shù)就是當(dāng)務(wù)之急。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

高強(qiáng)度高致密性渦輪增壓器壓殼關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，以研究高強(qiáng)度高致密性渦輪增壓器壓殼為主要目標(biāo)，通過對(duì)壓鑄模分模設(shè)計(jì)、低速高壓壓鑄工藝技術(shù)、高真空壓鑄技術(shù)以及薄壁復(fù)雜形狀鋁合金鑄件壓鑄技術(shù)的研究，掌握渦輪增壓器壓殼的相關(guān)制備技術(shù)。具體關(guān)鍵技術(shù)如下：endprint

3.1 壓鑄模分模設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

通過對(duì)傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化，采用可潰散型芯技術(shù)，結(jié)合壓鑄模分模設(shè)計(jì)，有效滿足渦輪增壓器壓殼鑄件的各項(xiàng)技術(shù)要求，且在以保證方案可行的基礎(chǔ)上，提高壓鑄件的質(zhì)量，降低模具的設(shè)計(jì)和制造成本。

此外，對(duì)壓鑄模分模數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用UG二次開發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)壓鑄模分模數(shù)字化系統(tǒng)的功能，主要包括以下三方面：（1）側(cè)凹特征的識(shí)別和脫模方向的確定；（2）分型線的識(shí)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(guān)鍵技術(shù)

采用高潰散性型芯技術(shù)，對(duì)可潰散型芯進(jìn)行選擇并優(yōu)化，使型芯可承受高壓，保證在高壓下不產(chǎn)生變形損壞，保持表面的完整性，使產(chǎn)品輪廓清晰。此外，通過可潰散型芯的敲落辦法，保證去除時(shí)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(yīng)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需求。

3.3 低速高壓壓鑄工藝關(guān)鍵技術(shù)

由于孔洞類缺陷是壓鑄件中公認(rèn)的主要缺陷之一，鋁合金中金屬液流動(dòng)過程的卷氣和凝固過程的收縮是產(chǎn)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(dāng)提高，而將高速壓射速度大幅降低，并將高速壓射起點(diǎn)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(shù)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(fā)生。

此外，根據(jù)渦輪增壓器壓殼鑄件的結(jié)構(gòu)及其澆注系統(tǒng)的特點(diǎn)，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(jìn)。為了減少壓力損失，橫澆道采用了圓形截面。在流道分岔、轉(zhuǎn)彎處加大了圓角，以防止金屬液的紊流。

3.4 薄壁復(fù)雜形狀鋁合金鑄件仿真模擬關(guān)鍵技術(shù)

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

因此，針對(duì)以低速壓鑄的方式制備渦輪增壓器壓殼鑄件，結(jié)合仿真對(duì)充型流動(dòng)特征進(jìn)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(dòng)試樣入口處和沿程的組織力學(xué)性能，建立薄壁、復(fù)雜形狀鋁合金件壓鑄沿程氣孔分布模型，最終將建立的數(shù)值仿真模型成功應(yīng)用于薄壁、復(fù)雜形狀鋁合金的工藝進(jìn)行優(yōu)化。

3.5 高真空壓鑄關(guān)鍵技術(shù)

由于汽車渦輪增壓器壓殼產(chǎn)品氣密性及內(nèi)部縮孔的要求較高，需要實(shí)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(shí)模具的泄漏量，來實(shí)現(xiàn)壓鑄過程中的高真空。在壓鑄模具動(dòng)模墊板后部增設(shè)一可固定在動(dòng)模墊板上的頂板密封板，并在密封板上開設(shè)密封槽及緩沖氣槽，將所有緩沖氣槽與抽氣系統(tǒng)相連，當(dāng)有少量氣體有密封圈泄漏進(jìn)入密封槽內(nèi)側(cè)時(shí)，可通過緩沖氣槽抽走，而不至于進(jìn)入模具型腔，避免渦輪增壓器壓殼內(nèi)部縮孔的產(chǎn)生，提高產(chǎn)品氣密性。

3.6 模具熱平衡系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

在傳統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)澆注系統(tǒng)、排溢系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、頂出系統(tǒng)等進(jìn)行模擬仿真，對(duì)優(yōu)化結(jié)果做出適當(dāng)調(diào)整，結(jié)合模流分析軟件，在設(shè)計(jì)前及找出最需要強(qiáng)制冷卻的位置，對(duì)其凝固過程，充型過程的溫度場、流場進(jìn)行仿真模擬、驗(yàn)證。采用高精度模具溫控技術(shù)，監(jiān)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(yīng)用渣包等結(jié)構(gòu)的保溫能力，保持較好的熱平衡。保證鋁液在流動(dòng)過程中熱量損失減小，鋁液流動(dòng)平穩(wěn)，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(chǎn)品的輪廓足夠清晰，有較好的表面光潔度。

4 結(jié)束語

本項(xiàng)技術(shù)研究以高強(qiáng)度高致密性渦輪增壓器壓殼為設(shè)計(jì)改進(jìn)對(duì)象，從壓鑄模分模設(shè)計(jì)、低速高壓壓鑄工藝技術(shù)、高真空壓鑄技術(shù)以及薄壁復(fù)雜形狀鋁合金鑄件壓鑄技術(shù)等方面進(jìn)行工藝創(chuàng)新與研究，形成一整套企業(yè)自主研發(fā)的可潰散型芯渦輪增壓器壓殼壓鑄模具，滿足國產(chǎn)汽車對(duì)高強(qiáng)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(fā)揮成型技術(shù)特點(diǎn)，進(jìn)一步提升汽車性能。

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