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摘要：以钨钼合金作为模芯材料，将叶轮壳体型腔的面轮廓度精度控制在0.1mm之内；合理利用了动模框下部的有限空间，解决了弧线进气管包紧力大、脱模困难的问题。本压铸模具设计对类似结构的汽车零部件开发具有极高的参考意义与应用价值。
关键词：涡轮增压器壳体；钨钼合金；弧线旋转滑块；压铸模具
涡轮增压技术从原理上可分为废气涡轮增压系统、机械涡轮增压系统、气波涡轮增压系统、电机涡轮增压系统等等。目前车用涡轮增压系统一般都采用废气涡轮增压系统[1]。废气涡轮增压器实际上是一种空气压缩机，通过压缩空气来增加进气量。它是利用发动机排出的废气惯性冲力来推动涡轮室内的涡轮，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送由空气滤清器管道送来的空气，使之增压进入气缸。一般而言，加装废气涡轮增压器后发动机功率及扭矩能增大20%～30%。废气涡轮增压器存在一个缺陷，当踩下油门时，发动机不能立即增压，而是滞后几秒种才能使涡轮提升转速产生增压，产生了增压延时。为了减少涡轮增压延时，一般通过减少旋转件的重量来实现，比较有效的方法是减少涡轮增压器的尺寸。但尺寸的减少影响发动机功率及扭矩的增加。为解决这一问题，目前主流的做法是采用多级涡轮增压，比如燃油发动机、飞机引擎大多采用二级涡轮增压[2]。目前的二级涡轮增压技术主要是通过并联或串联两个涡轮增压器来实现，而涡轮增压器本身的结构并未发生大的变化。图1是一种单涡轮增压器实现二级增压的新型涡轮增压器壳体，这种涡轮增压器在结构上的显著变化是增加了一个弧线进气管，但弧线进气管的存在极大地增加了该产品压铸模具设计与制造的难度。本研究从模芯材料选择与滑块结构设计两方面重点介绍该压铸模具开发过程中的关键技术。
1模芯材料
新型涡轮增压器壳体的铸造要求非常高，尤其是图2所示的叶轮壳体型腔。型腔并非普通的圆弧面，而是类似阿基米德螺旋线的曲面。叶轮在此型腔内旋转，转速高达10万转/min，因此其面轮廓度的精度要求达到0.1mm。曲面达到0.1mm精度的面轮廓度，通常采用压铸成型之后再进行数控加工。但数控编程的刀路本质上只有两种轨迹：直线和圆弧，加工这类曲面无法生成类似阿基米德螺旋线的刀路，只能采用直线和圆弧刀路尽量拟合，但这种刀路的拟合决定了面轮廓度的精度无法达到0.1mm。因此这类曲面达到此精度的唯一办法是压铸一次成型而不对叶轮壳体型腔进行后续机加工。新型涡轮增压器壳体的材料是AlSi9Cu3，抗拉强度为280MPa，收缩率约为0.5%。压铸产品的收缩率在压铸模具设计过程中要充分考虑，当产品铸造精度要求不高时，压铸模具自身的收缩变形通常忽略，但本产品如此高的面轮廓度精度，对应的压铸模具的变形在设计过程中必须精确计算。压铸模具的变形，其实就是动定模芯的收缩。压铸模具模芯材料一般采用8407模具钢，这种模具钢在500℃的收缩率约为万分之五。根据计算并试验测试，这个收缩率无法保证叶轮壳体型腔的面轮廓度精度达到0.1mm。经过多个材料的试验与测试，最终选择钨钼合金作为模芯材料。钨钼合金的优点是硬度高，能达到HRC95，不拉模，不粘模，不容易龟裂；缺点是价格昂贵，只能在特殊环境下小范围应用。合金牌号为R2M，其中钨含量为85%～88%，钼为1%～1.5%，铁为2%，镍为2%，以及少量的钒。这种合金在500℃的收缩率能控制在10-6水平，模芯的变形基本可以忽略，从而让叶轮壳体型腔的面轮廓度精度可以有效控制在0.1mm之内。
2滑块结构
汽车零部件产品通常结构比较复杂，尤其是抽芯结构非常多，在设计模具结构的同时还必须考虑模具零件的加工工艺，兼顾模具的制造成本。新型涡轮增压器壳体在原有结构基础上增加了一个弧形进气管，因此必须设计一种斜导弧线旋转滑块结构实现脱模。这种滑块结构比较复杂，而模具空间有限，还需设计浇口、流道、溢流槽、排气块以及冷却水路系统。在所有需考虑的因素中，首要结构是浇口。浇口的选择决定了产品在模具结构的空间摆放位置，决定了金属溶液的流动方向，而金属溶液的流动方向决定了溢流槽与排气块的位置。浇口位置确定后，斜导弧线旋转滑块结构的空间位置才能确定，最后才能设计冷却水路系统。通常情况下，靠近浇口位置的压铸条件较好，铸造缺陷少；浇口位置要容易定位装夹，浇口痕迹要容易去除。结合所有因素，最终将新型涡轮增压器壳体的浇口选择在叶轮壳体型腔的端面。从图3中浇口、主流道和分流道位置可以判断，斜导弧线旋转滑块结构只能设计在动模框下部分，这和位于动模框侧面的滑块结构完全不同，设计难度大增。图4是为解决弧线进气管脱模的斜导弧线旋转滑块结构[3]。该结构主要由弧形滑块1、弧形压条4、抽芯摆块6、中心轴压块7、链接条10、尾架11、尾架压条8以及摆臂抽芯油缸9等组成。左右两个弧形压条4通过螺钉固定在压条固定块2上，压条固定块2通过长螺钉固定于动模框，弧形压条4与压条固定块2形成弧形T型槽，弧形滑块1可在弧形T型槽内弧形滑动；弧形滑块1通过定位销与抽芯摆块6相连，抽芯摆块6通过定位销与中心轴压块7相连，并以此作为抽芯摆块6的旋转支点，中心轴压块7通过螺钉固定在动模框上；抽芯摆块6另一侧通过定位销与链接条10相连，链接条10通过定位销与尾架11相连，尾架11另一端与油缸接头12相连，油缸接头12则与摆臂抽芯油缸9相连；尾架11可在尾架压条8的T型槽内滑动，尾架压条8通过长螺钉固定于动模框，摆臂抽芯油缸9则通过螺钉固定于尾架压条8．开模时，摆臂抽芯油缸9带动油缸接头12，油缸接头12拖动尾架11在T型槽内滑动，尾架11另一端带动链接条10，链接条10则带动抽芯摆块6以中心轴压块7为支点旋转，抽芯摆块6带动弧形滑块1在弧形T型槽内滑动，从而实现弧形滑块1从弧线进气管顺利脱模。但这一结构存在两个缺陷：（1）弧线进气管的包紧力过大，导致摆臂抽芯油缸传递至弧形滑块的脱模力不足以顺利脱模；（2）斜导弧线旋转滑块结构在合模时无法使弧形滑块复位到位。为解决上述问题，在与斜导弧线旋转滑块结构相垂直的方向上设计了锁紧插块结构，如图5所示。锁紧插块结构主要由锁紧插块6、压条5、油缸接头4、锁紧油缸接块2和抽芯锁紧油缸1组成。锁紧插块6插入至弧形滑块7内部，锁紧插块6可在压条5的T型槽内自由滑动；锁紧插块6下面安装了垫块8用于支撑，垫块8上端设计了耐磨块，下端穿越两块顶针板固定于下模底板；锁紧插块6通过螺纹与油缸接头4连接，油缸接头4与抽芯锁紧油缸1相连；抽芯锁紧油缸1通过螺钉固定于锁紧油缸接块2，锁紧油缸接块2则固定于模脚3。开模时，抽芯锁紧油缸1首先启动，带动油缸接头1和锁紧插块6，锁紧插块6脱离弧形滑块7，带动弧形滑块7脱离产品，并在弧形T型槽内滑动；0.3s之后，图4中的摆臂抽芯油缸启动，使弧形滑块7从产品完全脱模，最后利用推杆推出产品；合模时，首先启动图4中的摆臂抽芯油缸，0.3s之后抽芯锁紧油缸1启动，摆臂抽芯油缸驱动斜导弧线旋转滑块机构使弧形滑块复位，最后利用锁紧插块6使弧形滑块复位到位。这样就完成了一个压铸循环过程，彻底解决上述2个缺陷。
3结论
（1）钨钼合金的应用控制了模芯的收缩率，从而通过压铸一次成型使新型涡轮增压器壳体的叶轮壳体型腔的面轮廓度精度有效控制在0.1mm之内。（2）斜导弧线旋转滑块结构紧凑，设计巧妙，合理利用了动模框下部的有限空间，解决了弧线进气管包紧力大、脱模困难的问题。（3）钨钼合金的应用和斜导弧线旋转滑块结构的设计保证了多级涡轮增压器壳体压铸模具及产品的研发成功，对类似结构的汽车零部件开发具有极高的参考意义与应用价值。
参考文献：
[1]李静，黑中垒.浅析涡轮增压技术[J].科技视界，2015，135（12）：93-94.
[2]张众杰，何西常，王威，等.车用涡轮增压技术现状及发展趋势[J].内燃机与配件，2012，6（6）：37-40.
[3]王洪彪，旷鑫文，张德根，等.一种复合内嵌式斜导弧线旋转滑块模具结构：中国，1084036.3[P].2017-04-12.
作者:张正来 夏天 冯光明 吴敏 范进桢 单位:浙江华朔科技股份有限公司 宁波职业技术学院 宁波力劲科技有限公司