作者：郑晓敏
近年来由于环境保护要求内燃机改善经济性、净化排气，增压机型已成为内燃机的基本机型，并将保持强劲的发展势头。增压器是增压技术的关键部件，而增压器的技术水平也决定了内燃机的发展水平。
增压器壳体铸造过程中会产生飞边，这对铸件的尺寸精度和表面粗糙度有很大影响，成形后需要进行机加工，导致生产成本上升。因此，必须对飞边的产生原因、形成过程、影响因素加以分析，采取可靠手段消除飞边。从流变学角度对注塑成形
过程中飞边的形成进行了研究。通过对矩形和环形两种模型下分型面间隙产生的飞边进行
研究，得出了竖直和曲线分型面下飞边的长度方程，并通过试验证实了该方程的准确性。分析注塑过程，指出飞边的产生受模具结构和加工制造方面、成型工艺、材料特性、制件结构以及设备等因素的影响。通过模具补偿的方法去除飞边的研究报道很少。事实上，通过有限元模拟技术可预测飞边产生的位置及大小，通过模具补偿可以有效去除飞边。
1 飞边产生的影响因素分析
飞边又称溢边、披锋、毛刺等，大多发生在模具的分合位置上，即分型面上靠近型腔的位置。飞边产生的原因比较复杂，主要集中在以下几个方面：①模具模具设计结构不合理、模具制造精度的影响、模具材料选择不当；②工艺参数模具的预热温度不合适、熔融金属温度的影响、浇注速度不合理、锁模力选择不当；③设备合模装置调节不佳，造成合模不均衡；④铸件结构与材质。
本课题研究的涡轮增压器铸件原用模具是日本制造，在长期使用后损坏，故自主设计了同型号的模具，在设备、工艺参数、铸件材料、模具材料等完全相同的情况下，出现飞边。
排除了设备、工艺参数、铸件材料、模具材料等的影响，经过观察分析，认为飞边产生的主要原因是在铸造过程中。模具变形，分型面上产生附加间隙，使得熔融金属液进入模具间隙。为消除飞边，拟对飞边产生部位进行补偿。
本课题采用Abaqus软件模拟了低压铸造涡轮增压器壳体铸造成形过程，壳体材质为AIS17Mg。对涡壳模具在铸造过程中的变形进行分析，预测飞边产生的位置与大小；采取合适的措施对模具进行修正补偿，消除了飞边，并进行试验，得到与预期相符的效果。
2 涡轮增压器壳体铸造成形过程模拟
对涡轮增压器壳体的低压铸造成形过程进行有限元模拟。根据模拟结果，观察模具分型面上节点的变形位移情况，计算出飞边产生的位置及大小，与实际生产中壳体上的铸造飞边的位置及大小相比较是否一致；采取合理的方法对模具进行修正补偿，以达到消除飞边的目的；用补偿后的模具进行生产试验，验证修正补偿的可行性。
2.1 模型的建立及简化
以某涡轮增压器的涡壳铸件为研究对象，采用三维设计软件UG对涡壳铸造模具进行三维实体造型，其三维模型见图1。由于模具底部螺栓、底部支板等仅起到连接、固定作用，对传热的影响可以忽略。
涡壳模具分为上模和下模，分别对模型进行简化，再装配，整个过程在三维建模软件UG中完成。首先，简化一些较复杂的结构，如浇道、冒口等；其次去除一些对结果影响不大，但对网格质量影响较大的细微结构，如模型中的孔结构、细小倒角、圆角等。
2.2模具的预处理及求解
涡壳模具的预处理，即对分析模型进行前处理的设置，包括模具材料属性的赋值；建立分析步；对模具进行网格划分；上、下模具间接触关系的定义，所受约束和受力情况的赋予。
将模型导入专用网格划分软件Hypermesh中进行网格划分，上模网格数为162 449，节点数为171 264个；下模网格数为172 644，节点数为180 812个。
涡壳模具的材料是H13钢(5CrNiMo)，将其参数设置好后赋予模具。其参数是：密度为7 800 kg／m3，弹性模量为210×106 k Pa，泊松比为0.3，比热容为460J/(kg．K)，线膨胀系数见表1，热导率见表2。
涡壳模具在整个浇注过程中产生热变形，温度随时间变化，材料参数随温度变化，应力应变场取决于温度场，因此，设置分析步为热机耦合分析步。
上下模具之间为硬接触。上模上有55 k N的合模力，上、下模都有重力载荷。上模的预热温度为330℃，下模的预热温度为300℃，浇注温度为700℃。同时约束下模底面的自由度。在对涡轮增压器壳体铸造过程的预处理设置完成后进行求解。
2.3模拟结果分析及飞边的预测
以铸造模具的下模作为分析对象，模具变形分为两个阶段：预热阶段和金属液浇注阶段。在预热阶段，模具从常温加热至300℃；金属液浇注阶段，700℃熔融金属液进入模具型腔。模具在整个铸造过程中的变形位移云图见图2。可以看出，分型面上间隙较大即可能出现飞边的位置有6处，即A～F。
以这6个区域为研究对象，图3为节点处间隙大小随时间的变化趋势。可以看出，随着预热温度增加，分型面上间隙逐渐增大；之后，随着金属液注入型腔，间隙逐渐减小，预热到300℃时，间隙达到最大，即此时形成的飞边是最大的。
经过分析比较，模具分型面间隙主要是由于模具结构影响，使得模具在预热阶段变形不协调，同一分型面上，靠近型腔部分变形位移较远离部分小，从而形成内低外高的情况，随着预热完成，间隙也达到最大，金属液注入后，部分金属液进入间隙，由于金属液温度很高，模具型腔瞬间升温，分型面上靠近型腔的部分受热膨胀，间隙减小，将部分金属液挤出间隙，随着浇注结束，部分间隙完全消失，随之金属液降温凝固，部分未合拢间隙处形成飞边。因此，最终可能会造成铸造飞边的位置是区域B、C、F。同理，上模变形位移情况见图6。根据模拟的结果，可能产生铸造飞边的位置为：区域a～h。区域b、c、f、g虽然有间隙，但对应的位置是冒口，不影响铸件。
将上下模合模，分型面贴合，在铸件上可能产生飞边处，为区域M、N（见图7）。依据模拟工艺参数进行试验，实际加工的铸件见图8。在靠近浇口（见图7区域M、N）处，有飞边出现，其余位置无明显飞边，试验结果与模拟结果基本符合。
2.4模具修正方法
涡轮增压器壳体飞边是由于模具在预热阶段变形不协调，引起附加间隙，金属液进入模具间隙，冷却后成为飞边。因此提出对模具进行变形量补偿：在设计模具时，将模拟得到的模具分型面上由于预热造成的间隙量补偿在模具上，经过预热、模具热变形，补偿量正好抵消原来的间隙，得到平整的分型面，避免了铸件飞边的产生。
根据上述铸造过程中模具分型面的间隙量对模具进行补偿，补偿后的模具样品，见图9。
2.5试验验证
利用制造出的模具进行预热合模试验，验证其补偿是否起作用，见图10。
在常温状态时合模，由于补偿量的存在，模具无法合拢，四周有间隙，用塞尺测量，分型面1、2处间隙约为0．18 mm，分型面3、4、5处间隙为0.2 mm。随着温度升高，模具产生热变形，四周间隙开始减小，在250℃左右用塞尺测量，分型面5处间隙约为0.12 mm，分型面：1、2、3处间隙为0. 14 mm，分型面4处间隙为0.16mm，说明补偿和模具的变形趋势是一致的，补偿产生了作用。
在294℃时用塞尺测量，各间隙均小于0.07 mm模具分型面仅粗加工），且各分型面基本已呈平面状态，不再有斜度，符合模具补偿的要求。
对模具进行必要的修模，后做浇注试验，图11为改进后的模具浇注得到的涡壳铸件。可以看出，铸件几乎没有飞边，飞边补偿完全达到了预期的效果。
3 结 论
通过有限元分析软件对涡轮增压器壳模具进行铸造过程模拟，可以准确地预测飞边产生的位置及大小，然后采用模具补偿飞边量的办法能够有效去除飞边。
4摘 要 采用UG软件对低压铸造增压器壳体铸造模具进行三维造型，同时对模型进行简化。用Hypermesh软件对模型进行网格划分以获得高质量的网格，运用Abaqus软件模拟增压器壳体的铸造成形过程，对壳体模具在铸造过程中的变形进行分析，预测飞边产生的位置及大小，并与实际生产中产生的飞边作对比；采集模拟的分型面间隙数据，将间隙量补偿在模具上，对模具进行修正补偿，并进行铸造试验，铸件没有飞边，得到与预期相符的结果。
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