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摘要：以鎢鉬合金作為模芯材料，將葉輪殼體型腔的面輪廓度精度控制在0.1mm之內；合理利用了動?？蛳虏康挠邢蘅臻g，解決了弧線進氣管包緊力大、脫模困難的問題。本壓鑄模具設計對類似結構的汽車零部件開發具有極高的參考意義與應用價值。
關鍵詞：渦輪增壓器殼體；鎢鉬合金；弧線旋轉滑塊；壓鑄模具
渦輪增壓技術從原理上可分為廢氣渦輪增壓系統、機械渦輪增壓系統、氣波渦輪增壓系統、電機渦輪增壓系統等等。目前車用渦輪增壓系統一般都采用廢氣渦輪增壓系統[1]。廢氣渦輪增壓器實際上是一種空氣壓縮機，通過壓縮空氣來增加進氣量。它是利用發動機排出的廢氣慣性沖力來推動渦輪室內的渦輪，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送由空氣濾清器管道送來的空氣，使之增壓進入氣缸。一般而言，加裝廢氣渦輪增壓器后發動機功率及扭矩能增大20%～30%。廢氣渦輪增壓器存在一個缺陷，當踩下油門時，發動機不能立即增壓，而是滯后幾秒種才能使渦輪提升轉速產生增壓，產生了增壓延時。為了減少渦輪增壓延時，一般通過減少旋轉件的重量來實現，比較有效的方法是減少渦輪增壓器的尺寸。但尺寸的減少影響發動機功率及扭矩的增加。為解決這一問題，目前主流的做法是采用多級渦輪增壓，比如燃油發動機、飛機引擎大多采用二級渦輪增壓[2]。目前的二級渦輪增壓技術主要是通過并聯或串聯兩個渦輪增壓器來實現，而渦輪增壓器本身的結構并未發生大的變化。圖1是一種單渦輪增壓器實現二級增壓的新型渦輪增壓器殼體，這種渦輪增壓器在結構上的顯著變化是增加了一個弧線進氣管，但弧線進氣管的存在極大地增加了該產品壓鑄模具設計與制造的難度。本研究從模芯材料選擇與滑塊結構設計兩方面重點介紹該壓鑄模具開發過程中的關鍵技術。
1模芯材料
新型渦輪增壓器殼體的鑄造要求非常高，尤其是圖2所示的葉輪殼體型腔。型腔并非普通的圓弧面，而是類似阿基米德螺旋線的曲面。葉輪在此型腔內旋轉，轉速高達10萬轉/min，因此其面輪廓度的精度要求達到0.1mm。曲面達到0.1mm精度的面輪廓度，通常采用壓鑄成型之后再進行數控加工。但數控編程的刀路本質上只有兩種軌跡：直線和圓弧，加工這類曲面無法生成類似阿基米德螺旋線的刀路，只能采用直線和圓弧刀路盡量擬合，但這種刀路的擬合決定了面輪廓度的精度無法達到0.1mm。因此這類曲面達到此精度的唯一辦法是壓鑄一次成型而不對葉輪殼體型腔進行后續機加工。新型渦輪增壓器殼體的材料是AlSi9Cu3，抗拉強度為280MPa，收縮率約為0.5%。壓鑄產品的收縮率在壓鑄模具設計過程中要充分考慮，當產品鑄造精度要求不高時，壓鑄模具自身的收縮變形通常忽略，但本產品如此高的面輪廓度精度，對應的壓鑄模具的變形在設計過程中必須精確計算。壓鑄模具的變形，其實就是動定模芯的收縮。壓鑄模具模芯材料一般采用8407模具鋼，這種模具鋼在500℃的收縮率約為萬分之五。根據計算并試驗測試，這個收縮率無法保證葉輪殼體型腔的面輪廓度精度達到0.1mm。經過多個材料的試驗與測試，最終選擇鎢鉬合金作為模芯材料。鎢鉬合金的優點是硬度高，能達到HRC95，不拉模，不粘模，不容易龜裂；缺點是價格昂貴，只能在特殊環境下小范圍應用。合金牌號為R2M，其中鎢含量為85%～88%，鉬為1%～1.5%，鐵為2%，鎳為2%，以及少量的釩。這種合金在500℃的收縮率能控制在10-6水平，模芯的變形基本可以忽略，從而讓葉輪殼體型腔的面輪廓度精度可以有效控制在0.1mm之內。
2滑塊結構
汽車零部件產品通常結構比較復雜，尤其是抽芯結構非常多，在設計模具結構的同時還必須考慮模具零件的加工工藝，兼顧模具的制造成本。新型渦輪增壓器殼體在原有結構基礎上增加了一個弧形進氣管，因此必須設計一種斜導弧線旋轉滑塊結構實現脫模。這種滑塊結構比較復雜，而模具空間有限，還需設計澆口、流道、溢流槽、排氣塊以及冷卻水路系統。在所有需考慮的因素中，首要結構是澆口。澆口的選擇決定了產品在模具結構的空間擺放位置，決定了金屬溶液的流動方向，而金屬溶液的流動方向決定了溢流槽與排氣塊的位置。澆口位置確定后，斜導弧線旋轉滑塊結構的空間位置才能確定，最后才能設計冷卻水路系統。通常情況下，靠近澆口位置的壓鑄條件較好，鑄造缺陷少；澆口位置要容易定位裝夾，澆口痕跡要容易去除。結合所有因素，最終將新型渦輪增壓器殼體的澆口選擇在葉輪殼體型腔的端面。從圖3中澆口、主流道和分流道位置可以判斷，斜導弧線旋轉滑塊結構只能設計在動模框下部分，這和位于動?？騻让娴幕瑝K結構完全不同，設計難度大增。圖4是為解決弧線進氣管脫模的斜導弧線旋轉滑塊結構[3]。該結構主要由弧形滑塊1、弧形壓條4、抽芯擺塊6、中心軸壓塊7、鏈接條10、尾架11、尾架壓條8以及擺臂抽芯油缸9等組成。左右兩個弧形壓條4通過螺釘固定在壓條固定塊2上，壓條固定塊2通過長螺釘固定于動模框，弧形壓條4與壓條固定塊2形成弧形T型槽，弧形滑塊1可在弧形T型槽內弧形滑動；弧形滑塊1通過定位銷與抽芯擺塊6相連，抽芯擺塊6通過定位銷與中心軸壓塊7相連，并以此作為抽芯擺塊6的旋轉支點，中心軸壓塊7通過螺釘固定在動?？蛏希怀樾緮[塊6另一側通過定位銷與鏈接條10相連，鏈接條10通過定位銷與尾架11相連，尾架11另一端與油缸接頭12相連，油缸接頭12則與擺臂抽芯油缸9相連；尾架11可在尾架壓條8的T型槽內滑動，尾架壓條8通過長螺釘固定于動?？?，擺臂抽芯油缸9則通過螺釘固定于尾架壓條8．開模時，擺臂抽芯油缸9帶動油缸接頭12，油缸接頭12拖動尾架11在T型槽內滑動，尾架11另一端帶動鏈接條10，鏈接條10則帶動抽芯擺塊6以中心軸壓塊7為支點旋轉，抽芯擺塊6帶動弧形滑塊1在弧形T型槽內滑動，從而實現弧形滑塊1從弧線進氣管順利脫模。但這一結構存在兩個缺陷：（1）弧線進氣管的包緊力過大，導致擺臂抽芯油缸傳遞至弧形滑塊的脫模力不足以順利脫模；（2）斜導弧線旋轉滑塊結構在合模時無法使弧形滑塊復位到位。為解決上述問題，在與斜導弧線旋轉滑塊結構相垂直的方向上設計了鎖緊插塊結構，如圖5所示。鎖緊插塊結構主要由鎖緊插塊6、壓條5、油缸接頭4、鎖緊油缸接塊2和抽芯鎖緊油缸1組成。鎖緊插塊6插入至弧形滑塊7內部，鎖緊插塊6可在壓條5的T型槽內自由滑動；鎖緊插塊6下面安裝了墊塊8用于支撐，墊塊8上端設計了耐磨塊，下端穿越兩塊頂針板固定于下模底板；鎖緊插塊6通過螺紋與油缸接頭4連接，油缸接頭4與抽芯鎖緊油缸1相連；抽芯鎖緊油缸1通過螺釘固定于鎖緊油缸接塊2，鎖緊油缸接塊2則固定于模腳3。開模時，抽芯鎖緊油缸1首先啟動，帶動油缸接頭1和鎖緊插塊6，鎖緊插塊6脫離弧形滑塊7，帶動弧形滑塊7脫離產品，并在弧形T型槽內滑動；0.3s之后，圖4中的擺臂抽芯油缸啟動，使弧形滑塊7從產品完全脫模，最后利用推桿推出產品；合模時，首先啟動圖4中的擺臂抽芯油缸，0.3s之后抽芯鎖緊油缸1啟動，擺臂抽芯油缸驅動斜導弧線旋轉滑塊機構使弧形滑塊復位，最后利用鎖緊插塊6使弧形滑塊復位到位。這樣就完成了一個壓鑄循環過程，徹底解決上述2個缺陷。
3結論
（1）鎢鉬合金的應用控制了模芯的收縮率，從而通過壓鑄一次成型使新型渦輪增壓器殼體的葉輪殼體型腔的面輪廓度精度有效控制在0.1mm之內。（2）斜導弧線旋轉滑塊結構緊湊，設計巧妙，合理利用了動模框下部的有限空間，解決了弧線進氣管包緊力大、脫模困難的問題。（3）鎢鉬合金的應用和斜導弧線旋轉滑塊結構的設計保證了多級渦輪增壓器殼體壓鑄模具及產品的研發成功，對類似結構的汽車零部件開發具有極高的參考意義與應用價值。
參考文獻：
[1]李靜，黑中壘.淺析渦輪增壓技術[J].科技視界，2015，135（12）：93-94.
[2]張眾杰，何西常，王威，等.車用渦輪增壓技術現狀及發展趨勢[J].內燃機與配件，2012，6（6）：37-40.
[3]王洪彪，曠鑫文，張德根，等.一種復合內嵌式斜導弧線旋轉滑塊模具結構：中國，1084036.3[P].2017-04-12.
作者:張正來 夏天 馮光明 吳敏 范進楨 單位:浙江華朔科技股份有限公司 寧波職業技術學院 寧波力勁科技有限公司