涡轮增压器壳体铸造工艺分析与改进

姜鑫旭 赵辛艺 隋英杰

【摘  要】创新改变生活，基于人们生活质量不断改善、对物质要求越来越高的大背景下，人们对于代步工具的汽车需求量只增不减，为了更好的响应国家节能减排的环保号召，减少汽车废气排放量的涡轮增压器引起了越来越多研究学者的注意，有必要对影响涡轮增压器质量关键因素的压壳工艺进行探究，以保障涡轮增压器的制作质量，促进涡轮增压器在汽车中更加普及应用。

【关键词】汽车行业;涡轮增压器;壳体;铸造工艺

1 引言

科技高速发展的新时代，汽车市场竞争与企业增值的重要力量，汽车销售总量连续九年蝉联全球第一的业绩，标志着我国己然正式步入了“汽车时代”。巨大的市场需求，促使汽车产业进入黄金发展时期，然而在环保、绿色、清洁、智慧、可再生等节能减排的大背景下，如何对有限的能源进行合理而有效的利用是当下汽车行业需要解决的一个重要问题，故而同时具备减少汽车废气排放量、降低燃油消耗且可提高发动机效率的汽车发动机涡轮增压器越来越引起了研究学者的注意。与此同时，作为涡轮增压器主体构成部分的压壳铸件的需求也与日俱增，而其结构复杂，对铸造技术要求比较高，铸造工艺存在一定的难度，且铸造完成后容易出现缺陷，为了更好的对涡轮增压器压壳铸造工艺进行探究，有必要对本课题进行研究。

2 涡轮增压器概述

涡轮增压器是利用汽车发动机排出的废气的惯性冲力用以对涡轮室内的涡轮进行推动，同时涡轮带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，从而达到增压进入气缸的目的。涡轮增压器结构上主要由压气机和涡轮两部分组成，具体而言，压气机由扩压器、单级离心式压气机以及压气机壳三部分组成;涡轮由涡轮、涡轮壳以及单级径流式三部分组成。在内部的结构上，有采用内支承式的转子、位于叶轮中间体内的全浮动式浮动轴承，其中转子的轴向力主要依靠推轴承端面用以承受。外观上涡轮端和压气机端均安装有密封环装置，此外对于涡轮增压器中的压气机端单独设有挡油罩，主要功能用以防止润滑油的泄漏。

3 涡轮增压器压壳铸造工艺

20世纪40、50年代发展产生的涡轮增压器压壳铸造技术，经过近80年的发展，制作的主要技术包括试错法的传统压壳铸造以及运用数值模拟技术的成型铸造模拟技术。其中，传统的试错法的压壳铸造技术比较繁琐，需要不断的试验以获取合适的工艺参数，操作时间长且技术质量不高，利用价值不大;数值模拟铸造技术，将数值模拟技术运用融合到压壳铸造过程中，可以通过熔融液体的温度场、自由表面等状态，进行铸造缺陷的估计预测，对比而言，制作时间短、可靠性高，是一种高效率的铸造技术。涡轮增压器压壳的铸造流程主要包括，模具选择、模具预热、浇注以及冷却成型等阶段，压壳制芯过程中产生的缺陷主要有气孔、氧化夹渣、缩孔、冷隔、裂纹以及偏析等缺陷。

4 涡轮增压器压壳铸造工艺改进措施

4.1 涡轮增压器压壳铸造工艺缺陷分析

通过对涡轮增压器现有铸造工艺的了解，结合铸造工艺的现状结合现有研究成果的基础上，对现有涡轮增压器压壳铸造工艺缺陷问题进行总结整理，发現涡轮增压器压壳铸造工艺存在的问题主要包括，一是毛坯铸件在分型面上存在较大飞边，飞边问题不仅影响压壳铸造质量，给机加工的工作量进行增加，于此同时也造成了人工成本的增加，且使得制作材料的浪费，从而导致生产效率较低;二是铸件有些部位存在气孔、缩松等缺陷，影响压壳质量等，导致涡轮增压器的质量问题不够合格，进而影响涡轮增压器的使用。

4.2 涡轮增压器压壳铸造工艺改进措施

鉴于铸型及铸件的结构、壁厚、材质与尺寸等多种因素都对涡轮增压器的压壳存在影响，考虑铸造的过程中极易产生“热节”，分析其具体原因是铸型局部散热效果不佳所形成的。热节的形成极大的破坏了铸型的整体冷却平衡以及热平衡状态，扰乱了铸件的凝固顺序，这样对铸型的寿命与精度以及铸件的整体性能非常不利。因此就应该考虑对铸型采用局部保温或者冷却的措施，从而可以确保铸件的凝固顺序以及模具型腔的热平衡性。

通常在生产铸造过程当中，对于局部形成的“热节”问题，需要采用强制措施来予以消除。主要包括：

（1）水冷：通过在铸型内部增加冷却水通道，其优点是使模具型腔快速冷却，以达到好的激冷效果，一般用在需要进行大量散热的铸型上。

（2）风冷：就是对铸型内较难使用水进行冷却的位置，通常采用压缩空气的方法来进行冷却，特点是具有较慢的冷却速度，但是工艺比较容易控制，所有该方法得到了极大推广。

（3）间接冷却：该方法是在铸件所在的“热节”范围内，放置传热系数比较高的冷铁来进行冷却，同时还能够考虑在冷铁的尾部安装散热片，从而可以增加冷却效果;

（4）修改模具型腔：在确保机加工余量的前提下，修改铸型的结构，从而可以避免因不合理的铸型结构而导致的“热节”问题。

（5）保温涂料：可以对铸件的局部，特别是对于浇冒口系统，一般使用保温材料，用于延迟其凝固，从而能够达到最佳的补缩效果。

（6）采用热管技术来进行冷却，该技术能够在较小的温度梯度下，将热量由一处转移到另一处的传热器件，传热效率非常高，主要用到的原理为相变传热。

（7）使用一些模具型腔控制温度装置来对模具型腔进行温度调节。

5 结论

本文通过对涡轮增压器壳体铸造工艺的相关研究，对涡轮增压器基础知识分析的前提下，总结了涡轮增压器壳体铸造工艺的关键流程，针对于现有技术的缺陷提出了改进涡轮增压器铸造工艺的方向与措施，以更好的保障涡轮增压器的铸造质量，普及涡轮增压器的应用，促进涡轮增压器的进一步发展。

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作者简介：

姜鑫旭 出生年月：1999年6月13日 性别：男  民族：汉族 籍贯：辽宁省沈阳市  当前职称：本科生  研究方向：机械电子工程;

赵辛艺 出生年月：1999年12月12日 性别：男 民族：汉族 籍贯：河北省秦皇岛市 当前职称：本科生 研究方向：机械设计制造及其自动化;

隋英杰 出生年月：1999年8月11日 性别：男  民族：汉族 籍贯：辽宁省辽阳市 当前职称：本科生 研究方向：交通运输。

（作者单位：1、2 佳木斯大学;3 辽宁工业大学）