一种可变截面涡轮增压器壳体耐热钢工艺的制作方法

1.本发明涉及涡轮壳量产技术领域，具体涉及到一种可变截面涡轮增压器壳体耐热钢工艺。


背景技术：

2.涡轮增压欧洲乘用车2020年已实现85％的渗透率，美国2020年有82％的渗透率，中国的发展趋势也是类似。燃油经济性是非常重要的话题，涡轮增压是发展的方向，带来燃油清洁性以及效率。通过使用涡轮增压技术能提高内燃机的效率，如可变截面涡轮增压器的汽油发动机。可变截面涡轮增压系统的导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭，从而增大发动机的进气压力。与传统涡轮增压器相比，这极大地改善了低转速时的响应时间和加速能力。采用可变涡轮截面技术的汽油发动机在所有转速范围内的效率均明显高于目前采用的标准放气阀式的涡轮增压器。相应地，在各个转速范围内的节油性能也更上一层楼。
3.热芯盒法，是铸造生产中一种机器制造型芯的方法。将铸造用砂、热固性树脂和固化剂混合成的砂料射入具有加热装置的芯盒中，加热到180-250℃，使贴近芯盒表面的砂料受热，在温度作用下，其粘结剂在很短时间内即可缩聚而硬化，形成型芯，不须再进烘炉烘干，具有缩短生产周期的优点。
4.中国发明专利(申请号cn202110556702.8)公开了一种吊装式涡轮增压器涡轮壳体砂芯结构，包括第一砂芯、第二砂芯、第三砂芯和第四砂芯，所述第二砂芯构成砂芯结构的成活部位；所述第三砂芯配置在第二砂芯的右下角，并与第二砂芯表面贴合；所述第四砂芯配置在第一砂芯下侧，并且第四砂芯左侧边和第三砂芯右侧边贴合；所述第二砂芯的左侧边和第一砂芯的左侧边对齐并位于同一直线上；所述第四砂芯的右侧边和第一砂芯的右侧边对齐并位于同一直线上；所述第二砂芯的底边、第三砂芯的底边和第四砂芯的底边对齐并位于同一直线上。其砂芯数量较多，组合时容易产生间隙和飞边，成型形状无法保证。
5.中国发明专利(申请号cn201710862990.3)公开了一种耐热铸钢涡轮增压器涡轮壳体铁模覆砂铸造工艺，涉及机械零部件铸造技术领域，为解决现有铸造工艺加工制得的涡轮增压器涡轮壳体铸造缺陷多、成品率低及工艺出品率低的问题而设计。该耐热铸钢涡轮增压器涡轮壳体铁模覆砂铸造工艺包括铁模覆砂模具和熔炼工艺，铁模覆砂模具包括壳形模具，壳形模具的内腔设置有不同厚度的覆砂层。铸造时，将型芯放入壳形模具，熔融的钢液经浇注系统注入至壳形模具的内腔，成型。老式的涡轮增压器结构工作存在延迟，对尾气的利用率较低。
6.现有老式的涡轮增压器对尾气的利用率较低，低速下涡轮难以被驱动，因此工作存在迟滞现象，可变截面涡轮技术能够弥补这一缺点，但之前此种可变截面涡轮增压器壳体都是使用铸铁材质生产，而可变截面涡轮无论在外形还是工艺上均与老式涡轮均存在着差别。随着技术的发展，对可变截面涡轮安全性和耐高温性有了的更高要求，有必要研发一种铸钢生产工艺。


技术实现要素：

7.本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种壳体耐高温、制造简便、冒口结构改进的可变截面涡轮增压器壳体耐热钢工艺。
8.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种可变截面涡轮增压器壳体耐热钢工艺，包括如下步骤：
9.s1：通过铸造仿真分析，根据涡轮壳体形状确定铸件的摆放方案、浇铸流道系统、模具砂芯的外形以及上下模具的结构，根据模拟结果确认冒口结构的分布和大小；
10.s2：所述模具砂芯使用组合式砂芯工艺构建涡轮腔体结构，所述组合式砂芯工艺中所述模具砂芯包含两个分体砂芯结构，两个所述分体砂芯结构包含冒口侧砂芯和涡轮腔砂芯；
11.s3：采用热芯盒法制造所述分体砂芯结构，根据对铸件内流道粗糙度要求，选择采用的覆膜砂目数以及涂料属性，所述涡轮腔砂芯的顶面设置圆形的安装槽用于安装所述冒口侧砂芯，所述冒口侧砂芯的底面与所述涡轮腔砂芯形成第一涡轮腔体，所述第一涡轮腔体用于构建流道圆盘；
12.s4：将所述分体砂芯结构通过粘合剂组合后，采用涂料覆盖所述分体砂芯的连接处；
13.s5：将覆盖所述涂料后的所述模具砂芯配合上下模具组装后，通过所述浇铸流道系统浇铸铸钢液体，浇铸成型后的铸件进行后处理。
14.上述方案中步骤s1中，铸造仿真分析通过使用magmasoft铸造仿真软件配合进行分析，根据涡轮壳体形状确定摆放方案、浇铸流道系统，使铸钢液体能够均匀和高效的分布，模具砂芯的外形以及上下模具的结构设置能够形成需要的涡轮壳体形状，仿真过程中能够模拟出铸件产生缺陷的部位，根据缺陷的位置和大小，对应确定冒口结构的位置和大小；
15.步骤s2中，因涡轮内部有凹陷形腔体，模具无法正常拔模，使用组合式砂芯工艺便于构建涡轮腔体结构，设置冒口侧砂芯和涡轮腔砂芯这两个分体砂芯结构便于加工，使工艺简单，连接部位少；若做整体砂芯需要多个活块,活块飞边多,铸件精度低，形状无法保证；
16.步骤s3中，热芯盒法制造所述分体砂芯结构，具有尺寸精度高,模具费用低,易于小批量生产特点，选择合适的覆膜砂目数以及涂料属性来控制铸件的粗糙度，粗糙度要求高时选择高目数覆膜砂和骨材粒度细、流平性强、固态强度高、高浓度的涂料，所述涡轮腔砂芯包含圆形结构部分和伸出结构部分，在所述涡轮腔砂芯的圆形结构部分的顶面中心位置设置圆形的安装槽方便分体砂芯结构的组装，冒口侧砂芯的底面与所述涡轮腔砂芯形成第一涡轮腔体，所述第一涡轮腔体用于构建流道圆盘，流道圆盘与铸件内壁配合构建涡旋流道，涡旋流道结构能提高风能的利用率，如此设置避免做整体砂芯时模具无法拔模的问题；
17.步骤s4中，因安装槽设置在顶面方便粘合剂和涂料的涂抹、凝固，粘合剂将分体砂芯结构粘合为整体，涂料将连接处的缝隙填满，使砂芯表面光滑；
18.步骤s5中，将模具砂芯和上下模具组装后，即可进行浇铸，铸钢液体通过浇铸流道系统进入型腔，最终成型为铸件，成型后铸件内部砂芯溃散掉，去除掉冒口结构后，进行表
面处理。
19.本方案是采用潮模砂生产不锈钢涡轮壳，涡轮壳送样阶段采用一模4件排布,使用了 magmasoft铸造仿真模拟软件，对产品进行预浇注模拟，动态展示铸型的填充、凝固过程，提前发现铸型可能出现的缺陷，并从设计端进行更改。提高生产效率，缩短研发周期，降低研发成本。本产品原设计使用铸铁材质生产，由于铸铁凝固过程中石墨膨胀可以抵消凝固收缩，不需要考虑补缩问题。但本次使用不锈钢，蠕变性材质，钢的收缩率几乎为铝和铁的两倍，凝固收缩率约1.7％，中心孔热节大需要补缩，需要在此位置增加冒口结构，这是首次在可变截面涡轮增压器壳体此位置增加冒口结构，为解决无法通过无齿锯切割，冒口结构颈残留过高无法研磨问题，我们设计了一种可以在冒口结构凝固后敲断的冒口结构颈结构，既保证了冒口结构颈残留满足要求，又方便操作。
20.进一步的，包括步骤s6：铸件后处理完成后，对铸件进行x-ray质检，根据x-ray质检结果取样进行线切割质检确认内部缺陷。
21.通过x-ray能够无损的对铸件内部进行质检，方便快捷，对于出现内部缺陷的铸件可以通过线切割切开铸件，进行确认和分析。
22.进一步的，s1步骤的摆放方案中，将铸件的中间壳侧法兰向上摆放。
23.铸件的中间壳侧法兰向上摆放易于此处冒口结构的设置，方便浇铸。
24.进一步的，s1步骤中，所述冒口结构与铸件的连接处设置易断冒口颈结构，所述易断冒口颈结构为折线形的缺口结构，所述易断冒口颈结构的外径最小处为断面线，所述断面线与铸件间距为2-3mm。
25.设置易断冒口颈结构便于冒口结构与铸件的分离，折线形的缺口结构结构简单，易于设置，所述断面线与铸件间距为2-3mm，避免冒口结构颈残留部分过高，造成后处理复杂。
26.进一步的，s1步骤的摆放方案中，铸件采用1模4件的摆放方式，将4件铸件的压力中心位置围绕主浇道对称设置。
27.采用1模4件的摆放方式，较为稳妥，降低成本的同时，保证了制造效率，铸件的压力中心位置围绕主浇道对称设置，使浇铸压力均匀分布，保证成品的质量和效率。
28.进一步的，s3步骤中，铸件内流道粗糙度要求ra＜6.3时，采用70-140目覆膜砂。
29.浇铸精度一般难以保证，当精度要求较高，粗糙度要求ra＜6.3时，采用70-140目覆膜砂使砂芯的表面光滑，粗糙度小，配合骨材粒度细、流平性强、固态强度高、高浓度的涂料能够达到要求。
30.进一步的，s3步骤中，所述安装槽的侧面上开有若干个定位槽与所述冒口侧砂芯配合。
31.安装槽的侧面上开若干个定位槽，保证冒口侧砂芯和涡轮腔砂芯的相对位置，使连接精度高。
32.进一步的，所述冒口侧砂芯上贯穿设置有竖向冒口腔，所述竖向冒口腔连通所述第一涡轮腔体，所述冒口侧砂芯包含圆台结构，所述圆台结构的直径大于涡轮中心孔直径的1.5 倍，用于形成导流叶片安装腔。
33.所述竖向冒口腔包含漏斗形腔室，竖向冒口腔连通所述第一涡轮腔体，竖向冒口腔浇筑后形成连通所述第一涡轮腔体的冒口结构，使形成的竖向冒口结构与涡轮内部腔体
处进行连接，对涡轮内部腔体处进行补缩，涡轮内部腔体处一般要求表面平整，精度要求高且难以加工，所以配合易断冒口颈结构可以减少此处冒口结构颈残留，降低加工难度。圆台结构的直径大于涡轮中心孔直径的1.5倍，保证有足够的空间安装导流叶片，提高导流叶片的效率。
34.进一步的，所述铸造仿真分析包含通过仿真软件进行分析，分析过程包含钢材料补缩量分析、有限元分析和流体分析。
35.铸造仿真分析通过使用magmasoft铸造仿真软件或类似软件配合进行分析，铸钢材料的收缩率几乎为铸铁的两倍，因此在涡轮设计过程中，需要充分考虑材料收缩对铸件结构的影响，在出现缺陷的部位设计冒口结构，进行补缩。
36.进一步的，所述浇铸流道系统包含主浇道，所述主浇道连接直流道的中点位置，所述直流道的长度方向上均匀的设置有若干个支浇道，所述支浇道分别连接铸件的侧流道法兰面。
37.通过直流道和支浇道连接铸件型腔，使各个铸钢液体均匀流向各个型腔，支浇道分别连接侧流道法兰面，有利于减少浇铸阻力，提高浇铸效果。
38.进一步的，模具砂芯的外侧还设置有外壳芯，所述外壳芯用于配合浇铸形成空心的涡轮铸件。所述外壳芯通过热芯盒法制造。
39.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
40.1.可变截面涡轮增压器壳体配合导流叶片使用，能够提高涡轮增压器在低转速时的响应效率，效率大幅提高，节油性能也更上一层楼；
41.2.铸钢材料生产的可变截面涡轮增压器壳体在安全性和耐高温性上得到大幅提升，有利于整体性能的进一步提高；
42.3.通过铸造软件模拟分析配合工艺优化，解决了铸钢生产涡轮增压器壳体的收缩缺陷问题；
43.4.使用热芯盒法进行砂芯的生产制造，精度高、成本低、效率高；
44.5.使用组合式砂芯结构，解决了砂芯生产拔模问题，方便加工制造，同时保证了精度；
45.6.易断冒口颈结构工艺减少了铸件表面残留部分，方便进行后处理，同时解决了腔内冒口结构难以去除的问题，冒口结构去除效率高，且减小了后处理的工作量。
附图说明
46.图1为本发明实施例1中铸件的右视图；
47.图2为图1的a-a剖面图；
48.图3为本发明实施例1中模具砂芯的立体视图；
49.图4为本发明实施例1中铸件摆放方案的正视图；
50.图5为本发明实施例1中铸件摆放方案的俯视图；
51.图6为本发明实施例1中竖向冒口腔形成的冒口结构示意图；
52.图7为本发明实施例1中易断冒口颈结构的正视图；
53.图8为本发明实施例1中软件仿真分析效果的立体图；
54.图9为本发明实施例2中铸件摆放方案的结构示意图；
55.附图中：1、铸件；2、模具砂芯；201、冒口侧砂芯；2011、圆台结构；202、涡轮腔砂芯；3、冒口结构；5、流道圆盘；6、安装槽；7、易断冒口颈结构；8、断面线；9、定位槽；10、竖向冒口腔；11、涡轮中心孔；12、主浇道；13、直流道；14、支浇道；15、侧流道法兰面；16、缺陷。
具体实施方式
56.下面将结合本发明中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动条件下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明或简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本发明的限制。
57.实施例1
58.如图1-8所示，一种可变截面涡轮增压器壳体耐热钢工艺，包括如下步骤：
59.s1：通过铸造仿真分析，根据涡轮壳体形状确定铸件1的摆放方案、浇铸流道系统、模具砂芯2的外形以及上下模具的结构，根据模拟结果确认冒口结构3的分布和大小；
60.s2：所述模具砂芯2使用组合式砂芯工艺，以便于构建涡轮腔体结构，所述组合式砂芯工艺中所述模具砂芯2包含两个分体砂芯结构，两个所述分体砂芯结构包含冒口侧砂芯 201和涡轮腔砂芯202；
61.s3：采用热芯盒法制造所述分体砂芯结构，根据对铸件1内流道粗糙度要求，选择采用的覆膜砂目数以及涂料属性，所述涡轮腔砂芯202的顶面设置圆形的安装槽6用于安装所述冒口侧砂芯201，所述冒口侧砂芯201的底面与所述涡轮腔砂芯202形成第一涡轮腔体，所述第一涡轮腔体用于构建流道圆盘5；
62.s4：将所述分体砂芯结构通过粘合剂组合后，采用涂料覆盖所述分体砂芯的连接处；
63.s5：将覆盖所述涂料后的所述模具砂芯2配合上下模具组装后，通过所述浇铸流道系统浇铸铸钢液体，浇铸成型后的铸件1进行后处理。
64.上述方案中步骤s1中，铸造仿真分析通过使用magmasoft铸造仿真软件配合进行分析，根据涡轮壳体形状确定摆放方案、浇铸流道系统，使铸钢液体能够均匀和高效的分布，模具砂芯2的外形以及上下模具的结构设置能够形成需要的涡轮壳体形状，如图8所示，仿真过程中能够模拟出铸件1产生缺陷16的部位，根据缺陷16的位置和大小，对应确定冒口结构3的位置和大小；
65.步骤s2中，因涡轮内部有凹陷形腔体，模具无法正常拔模，使用组合式砂芯工艺便于构建涡轮腔体结构，设置冒口侧砂芯201和涡轮腔砂芯202这两个分体砂芯结构便于加工，使工艺简单，连接部位少；若做整体砂芯需要多个活块,活块飞边多,铸件1精度低，形状无法保证；
66.步骤s3中，热芯盒法制造所述分体砂芯结构，具有尺寸精度高,模具费用低,易于小批量生产特点，选择合适的覆膜砂目数以及涂料属性来控制铸件1的粗糙度，粗糙度要求高时选择高目数覆膜砂和骨材粒度细、流平性强、固态强度高、高浓度的涂料，所述涡轮腔
砂芯202包含圆形结构部分和伸出结构部分，在所述涡轮腔砂芯202的圆形结构部分的顶面中心位置设置圆形的安装槽6方便冒口侧砂芯201的组装，冒口侧砂芯201的底面与所述涡轮腔砂芯202形成第一涡轮腔体，所述第一涡轮腔体用于构建流道圆盘5，流道圆盘5与铸件1内壁配合构建涡旋流道，涡旋流道结构能提高风能的利用率，如此设置避免做整体砂芯时模具无法拔模的问题；
67.步骤s4中，因安装槽6设置在顶面方便粘合剂和涂料的涂抹、凝固，粘合剂将分体砂芯结构粘合为整体，涂料将连接处的缝隙填满，使砂芯表面光滑；
68.步骤s5中，将模具砂芯2和上下模具组装后，即可进行浇铸，铸钢液体通过浇铸流道系统进入型腔，最终成型为铸件1，成型后铸件1内部砂芯溃散掉，去除掉冒口结构3后，进行表面处理。
69.本方案是采用潮模砂生产不锈钢涡轮壳，涡轮壳送样阶段采用一模4件排布,使用了 magmasoft铸造仿真模拟软件，对产品进行预浇注模拟，动态展示铸型的填充、凝固过程，提前发现铸型可能出现的缺陷16，并从设计端进行更改。提高生产效率，缩短研发周期，降低研发成本。本产品原设计使用铸铁材质生产，由于铸铁凝固过程中石墨膨胀可以抵消凝固收缩，不需要考虑补缩问题。但本次使用耐热钢1.4826，为不锈钢，蠕变性材质，钢的收缩率几乎为铝和铁的两倍，凝固收缩率约1.7％，中心孔热节大需要补缩，需要在此位置增加冒口结构3，这是首次在可变截面涡轮增压器壳体此位置增加冒口结构3，为解决无法通过无齿锯切割，冒口结构3颈残留过高无法研磨问题，我们设计了一种可以在冒口结构3凝固后敲断的冒口结构3颈结构，既保证了冒口结构3颈残留满足要求，又方便操作。
70.进一步的，s1步骤的摆放方案中，将铸件1的中间壳侧法兰向上摆放。
71.铸件1的中间壳侧法兰向上摆放易于此处冒口结构3的设置，方便浇铸。
72.进一步的，s1步骤中，所述冒口结构3与铸件1的连接处设置易断冒口颈结构7，所述易断冒口颈结构7为折线形的缺口结构，所述易断冒口颈结构7的外径最小处为断面线8，所述断面线8与铸件1间距为2-3mm。
73.设置易断冒口颈结构7便于冒口结构3与铸件1的分离，折线形的缺口结构结构简单，易于设置，所述断面线8与铸件1间距为2-3mm，避免冒口结构3颈残留部分过高，造成后处理复杂。
74.进一步的，s1步骤的摆放方案中，铸件1采用1模4件的摆放方式，将4件铸件1的压力中心位置围绕主浇道12对称设置。
75.采用1模4件的摆放方式，较为稳妥，降低成本的同时，保证了制造效率，铸件1的压力中心位置围绕主浇道12对称设置，使浇铸压力均匀分布，保证成品的质量和效率。
76.进一步的，s3步骤中，铸件1内流道粗糙度要求ra＜6.3时，采用70-140目覆膜砂。
77.浇铸精度一般难以保证，当精度要求较高，粗糙度要求ra＜6.3时，采用70-140目覆膜砂使砂芯的表面光滑，粗糙度小，配合骨材粒度细、流平性强、固态强度高、高浓度的涂料能够达到要求。
78.进一步的，s3步骤中，所述安装槽6的侧面上开有若干个定位槽9与所述冒口侧砂芯201 配合。
79.安装槽6的侧面上开若干个定位槽9，保证冒口侧砂芯201和涡轮腔砂芯202的相对位置，使连接精度高。
80.进一步的，所述冒口侧砂芯201上贯穿设置有竖向冒口腔10，所述竖向冒口腔10连通所述第一涡轮腔体，所述冒口侧砂芯201包含圆台结构2011，所述圆台结构2011的直径大于涡轮中心孔11直径的1.5倍，用于形成导流叶片安装腔。
81.所述竖向冒口腔10包含漏斗形腔室，竖向冒口腔10连通所述第一涡轮腔体，竖向冒口腔10浇筑后形成连通所述第一涡轮腔体的冒口结构3，使形成的竖向冒口结构3与涡轮内部腔体处进行连接，对涡轮内部腔体处进行补缩，涡轮内部腔体处一般要求表面平整，精度要求高且难以加工，所以配合易断冒口颈结构7可以减少此处冒口结构3颈残留，降低加工难度。圆台结构2011的直径大于涡轮中心孔11直径的1.5倍，保证有足够的空间安装导流叶片，提高导流叶片的效率。
82.进一步的，所述铸造仿真分析包含通过仿真软件进行分析，分析过程包含钢材料补缩量分析、有限元分析和流体分析。
83.铸造仿真分析通过使用magmasoft铸造仿真软件或类似软件配合进行分析，铸钢材料的收缩率几乎为铸铁的两倍，因此在涡轮设计过程中，需要充分考虑材料收缩对铸件1结构的影响，在出现缺陷16的部位设计冒口结构3，进行补缩。
84.进一步的，所述浇铸流道系统包含主浇道12，所述主浇道12连接直流道13的中点位置，所述直流道13的长度方向上均匀的设置有若干个支浇道14，所述支浇道14分别连接铸件1 的侧流道法兰面15。
85.通过直流道13和支浇道14连接铸件1型腔，使各个铸钢液体均匀流向各个型腔，支浇道14分别连接侧流道法兰面15，有利于减少浇铸阻力，提高浇铸效果。
86.进一步的，模具砂芯2的外侧还设置有外壳芯，所述外壳芯用于配合浇铸形成空心的涡轮铸件1。所述外壳芯通过热芯盒法制造。
87.实施例2
88.如图9所示，本实施例的一种可变截面涡轮增压器壳体耐热钢工艺，在实施例1的基础上进行进一步的优化：
89.进一步的，包括步骤s6：铸件1后处理完成后，对铸件1进行x-ray质检，根据x-ray质检结果取样进行线切割质检确认内部缺陷16。
90.通过步骤s6提高产品的质量，通过x-ray能够无损的对铸件1内部进行质检，方便快捷，对于出现内部缺陷16的铸件1可以通过线切割切开铸件1，进行确认和分析。
91.进一步的，s1步骤的摆放方案中，铸件1采用1模8件的摆放方式，将8件铸件1的压力中心位置围沿主浇道12对称设置。摆放方案在量产阶段可以根据需要设置一模出的铸件的件数。
92.采用1模8件的摆放方式，适用于小批量阶段，成本控制的同时，保证了制造效率，铸件1的压力中心位置围绕主浇道12对称设置，使浇铸压力均匀分布，保证成品的质量和效率。
93.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。