张玉田+林国栋+林潘定+沈伦廉+潘曙光

摘 要：文章以高强度高致密性涡轮增压器压壳为设计改进对象，集成各个关键技术的研究成果，凭借铝压铸仿真模拟平台，充分利用压铸模分模设计技术、可溃散型芯压铸模具技术、低速高压压铸工艺优化改进、高真空压铸技术以及模具热平衡系统应用等研究出新型的高寿命可溃散型芯涡轮增压器壳体压铸模具，实现高强度高致密性涡轮增压器压壳的产业化，带动我国铝压铸行业向着高技术含量方向发展。

关键词：涡轮增压器；可溃散型芯；仿真模拟；真空；热平衡

中图分类号：TG146 文献标志码：A 文章编号：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

随着汽车工业的飞速发展，汽车产量逐年增加，市场对汽车轻量化和燃油经济性要求的不断提高，促使汽车零部件的铝化率不断提高。涡轮增压器作为提高燃油经济性的选择之一，减轻其本身的重量成为了一个必须攻克的问题，有效加速我国高强度高致密性涡轮增压器模具技术的国产化进程，达到国外同类产品的先进水平。

本文所阐述的研究与应用主要针对涡轮增压器压壳压铸件壁厚变化大、形状复杂、曲面多的特点，分析现有铝压铸工艺技术存在的问题以及对其质量的影响，进行创新性研究，解决其中共性关键技术问题，研制具有自主知识产权的新型慢速-可溃散型芯压铸模具，以满足高强度高致密性涡轮增压器压壳压铸产品的市场需求。

2 该技术研究的发展现状与必要性

2.1 发展现状

目前，我国铸造业在观念创新、机制创新、管理创新等方面存在不足，尤其在技术方面，科技水平较低，先进设备和新工艺应用较少，我国铝铸业利用重力铸造和砂型铸造的铝铸件还占有较大比例，占铝铸件总量56.4%。虽然部分骨干企业的产品已有能力在国际市场参与竞争，能引进、消化，并实现部分创新，也取得一些成果，但同国外压铸技术相比，仍存在不足之处，主要表现为：

（1）国内压铸机的操作系统落后，需手动调节压铸参数且显示功能单薄，无法有效保证铸件品质，自动化压铸工艺实行困难。

（2）国产压铸机油缸尺寸比国外大1/4以上，增加加工和原材料成本，能量耗损更大，资源浪费。

（3）国内压铸机密封件质量及加工品质较低，致使国产压铸机大都存在漏油现象。

（4）国内压铸模具的使用寿命较短。

目前中国自主研制的汽车涡轮增压器压铸技术虽取得较大进展，但在汽车涡轮增压器轻量化设计及燃油经济上仍有较大的技术难题亟需突破，其主要关键技术仍掌握在国外先进企业手中。

2.2 必要性

随着汽车保有量不断攀升，能源短缺、雾霾污染等问题日益凸显，“节能减排”成为每个车企的追求目标，这使得轻量化被广泛的应用到普通汽车身上。轻量化能够使得车辆在提升操控性和动力性的同时，还有出色的节油表现。涡轮增压器将会是汽车发动机轻量化的重要举措之一，以汽车为例，新一代汽车的目标是每100公里油耗减少到3升，这就要求整车重量大为减轻，汽车轻量化的迫切需要为国内压铸业的发展提供了广阔的前景。

但我国零部件企业的自主研发实力仍旧较弱，一些汽车零部件的关键技术大多被外资企业所垄断。其中，涡轮增压器压壳由于强度要求高、致密性要求高，结构复杂，受压铸模具结构的限制，不能采用目前常规的压力铸造工艺技术来完成，限制压力铸造在该类产品上的应用，缩小使用范围。因此，开发适合高强度、高致密度压铸件的技术就是当务之急。

3 关键技术分析

高强度高致密性涡轮增压器压壳关键技术研究与应用，以研究高强度高致密性涡轮增压器压壳为主要目标，通过对压铸模分模设计、低速高压压铸工艺技术、高真空压铸技术以及薄壁复杂形状铝合金铸件压铸技术的研究，掌握涡轮增压器压壳的相关制备技术。具体关键技术如下：endprint

3.1 压铸模分模设计关键技术

通过对传统模具结构优化，采用可溃散型芯技术，结合压铸模分模设计，有效满足涡轮增压器压壳铸件的各项技术要求，且在以保证方案可行的基础上，提高压铸件的质量，降低模具的设计和制造成本。

此外，对压铸模分模数字化设计系统的设计，利用UG二次开发技术实现压铸模分模数字化系统的功能，主要包括以下三方面：（1）侧凹特征的识别和脱模方向的确定；（2）分型线的识别；（3）分型面的生成。最终利用得到的分型面去切割包围压铸件模型的盒体，以此得到模具的型腔和型芯。

3.2 可溃散型芯压铸模具关键技术

采用高溃散性型芯技术，对可溃散型芯进行选择并优化，使型芯可承受高压，保证在高压下不产生变形损坏，保持表面的完整性，使产品轮廓清晰。此外，通过可溃散型芯的敲落办法，保证去除时的方便、快捷，减少涡轮增压器压壳压铸完成后表面残留，满足压壳表面的清洁度要求，适应产业化生产的需求。

3.3 低速高压压铸工艺关键技术

由于孔洞类缺陷是压铸件中公认的主要缺陷之一，鋁合金中金属液流动过程的卷气和凝固过程的收缩是产生孔洞类型缺陷的主要原因。因此，通过将低速压射速度适当提高，而将高速压射速度大幅降低，并将高速压射起点延后，从而在保证超低速充型条件的前提下提高金属液的充型能力。此外，通过抽真空技术减少压室及型腔中气体含量，缓解压铸过程中卷气问题的发生。

此外，根据涡轮增压器压壳铸件的结构及其浇注系统的特点，采用多角度并配合使用一定角度的俯冲方式保证金属液平衡推进。为了减少压力损失，横浇道采用了圆形截面。在流道分岔、转弯处加大了圆角，以防止金属液的紊流。

3.4 薄壁复杂形状铝合金铸件仿真模拟关键技术

涡轮增压器压壳表面形状复杂，壁薄，在产品压铸过程中铝合金液以较低的速度通过模具流道时，因时间较长，热损失较多，铝液前端易冷却，产品会出现冷隔、冷纹、成形不良等缺陷。

因此，针对以低速压铸的方式制备涡轮增压器压壳铸件，结合仿真对充型流动特征进行分析，并建立涡轮增压器压壳压铸充型金属液填充模型，再通过仿真讨论流动试样入口处和沿程的组织力学性能，建立薄壁、复杂形状铝合金件压铸沿程气孔分布模型，最终将建立的数值仿真模型成功应用于薄壁、复杂形状铝合金的工艺进行优化。

3.5 高真空压铸关键技术

由于汽车涡轮增压器压壳产品气密性及内部缩孔的要求较高，需要实行高真空压铸工艺。因此，将从模具密封性方向入手，减少抽气时模具的泄漏量，来实现压铸过程中的高真空。在压铸模具动模垫板后部增设一可固定在动模垫板上的顶板密封板，并在密封板上开设密封槽及缓冲气槽，将所有缓冲气槽与抽气系统相连，当有少量气体有密封圈泄漏进入密封槽内侧时，可通过缓冲气槽抽走，而不至于进入模具型腔，避免涡轮增压器压壳内部缩孔的产生，提高产品气密性。

3.6 模具热平衡系统关键技术

在传统基础上进行改进，对浇注系统、排溢系统、冷却系统、顶出系统等进行模拟仿真，对优化结果做出适当调整，结合模流分析软件，在设计前及找出最需要强制冷却的位置，对其凝固过程，充型过程的温度场、流场进行仿真模拟、验证。采用高精度模具温控技术，监控模具各部的温度，在模具需要冷却的位置加以冷却，在模具需要加热的地方加温，并充分应用渣包等结构的保温能力，保持较好的热平衡。保证铝液在流动过程中热量损失减小，铝液流动平稳，防止金属液的紊流，减少压力能量损失，保证增压效果，让铝液在足够的压力下凝固，以保证产品的轮廓足够清晰，有较好的表面光洁度。

4 结束语

本项技术研究以高强度高致密性涡轮增压器压壳为设计改进对象，从压铸模分模设计、低速高压压铸工艺技术、高真空压铸技术以及薄壁复杂形状铝合金铸件压铸技术等方面进行工艺创新与研究，形成一整套企业自主研发的可溃散型芯涡轮增压器压壳压铸模具，满足国产汽车对高强度高致密性涡轮增压器压壳的需求，既满足汽车轻量化的需求，又充分发挥成型技术特点，进一步提升汽车性能。

参考文献：

[1]马洪亮，胡志恒.基于数值模拟分析的铝合金缸盖罩高压压铸工艺优化[J].特种铸造及有色合，2007（S1）.

[2]黄彩江，曹志成，刘洋.高强度压铸铝合金及其热处理的研究[J].科技资讯，2015（8）.

[3]庞晓辉，廖敦明，陈立亮，等.基于UG的铸件工艺CAD分模模块的开发[J].中国机械工程，2006（S1）.

[4]陈学美，黄瑶，王雷刚.汽车发动机下缸体低压铸造工艺及模具设计[J].特种铸造及有色合金，2011（8）.

[5]石科峰，王锋，朱利明.发动机涡轮增压技术的专利分析[J].科技创新与应用，2014（24）：18-19.

[6]何奔.浅谈内燃机用可变几何涡轮增压器喷嘴环叶型分析与设计[J].科技创新与应用，2014（36）：38.

[7]刘忠华.船用涡轮机增压器的常见故障及改进措施[J].科技创新与应用，2013（18）：126.endprint