CN113084117A - 压气机压壳的制造方法、压气机压壳以及涡轮增压器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了压气机压壳的制造方法、压气机压壳以及涡轮增压器。所述制造方法包括：执行金属模压铸成型步骤，在该步骤中，通过金属模压铸成型工艺制造出压气机压壳本体，在所述压气机压壳本体内形成有涡管，在涡管的最大直径处的第一轮廓线近似为直线段；执行机加工步骤，在该步骤中，利用机加工的方式对所述第一轮廓线处进行切割，在所述第一轮廓线处，将压气机压壳本体的一部分去除，形成第二轮廓线，所述第二轮廓线为曲线，从而在涡管内形成外凸的曲面。根据本发明的制造方法不仅能够避免砂铸工艺带来的环境污染，而且所制造的压气机压壳能够提高涡轮增压器的工作效率。

Description

压气机压壳的制造方法、压气机压壳以及涡轮增压器

技术领域

本发明涉及发动机用涡轮增压器的压气机压壳，更具体地说，涉及一种压气机压壳的制造方法、压气机压壳以及包括该压气机压壳的涡轮增压器。

背景技术

一般而言，车用发动机使用涡轮增压器，是提高发动机功率、扭矩的有效手段。对车用涡轮增压器的压壳而言，其材料一般为铝合金，最为传统的成型工艺为砂铸。

图1是典型径流式压气机的压轮和压壳结构，其中压壳是砂铸结构。如图1所示，100是压气机，其由压轮101和压壳102组成。在压气机工作时，压轮101高速旋转，驱动空气由进气管110中流入压轮101。空气在压轮101中其压力和速度不断增加，离开压轮101后，进入扩压器111和涡管112中，流速逐渐降低，空气动能(速度)转化为势能(压力)，实现增压。增压空气通过后续管路引入发动机燃烧做功。

对于压壳102而言，砂铸工艺可以浇铸出相对更复杂的曲面，但是，其生产过程污染极大，成本很高。在砂铸过程中，首先用模具形成砂芯(这里也包括外部的砂模)。砂芯是由细沙和黏合剂混合而成。砂芯成型后，需要高温烧结。这个过程会造成大量的粉尘污染。而且烧结砂芯非常耗能。在砂芯烧好后，需要把砂芯拼装起来，形成型腔。此时，把铝液浇铸进型腔，待其冷却。冷却后，用震动等手段把砂芯粉碎，取出铸件。显然，这里也会造成大量粉尘污染。由于砂铸的高度污染，汽车零部件行业往往会在不同季节，在长三角地区面临限产。这对于我国产业发展显然是个制约因素。

针对铝合金，可以使用金属模压铸的生产方式，可以极大地减小污染，提高劳动生产率。针对金属模压铸，图2是典型的金属模压铸工艺的压壳设计。其基本结构和砂铸的压壳相似，空气由进气管210中流入压轮201。空气在压轮201中其压力和速度不断增加，离开压轮201后，进入扩压器211和涡管212中，流速逐渐降低，空气动能转化为势能(压力)，实现增压。

如图图2所示，涡管212和图1中的涡管112明显不同。其形状不同是由金属模压铸工艺决定的。为说明金属模压铸的特点，图3示意性示出了图2中压壳的基本制造过程。图3中，300是金属模压铸的压壳，其由压铸形成的外壳310和压铸的内壳320拼装而成。其中，外壳310的涡管部分，尤其是其直径最大处(相对压轮的回转中心而言)，利用金属模芯311形成。显然，金属模芯311只能沿图中向右方向脱模。因此，利用金属模芯311形成的涡管外圆需要满足脱模要求，只能是直线段，而不能像沙铸形成的涡管一样，形成外凸的曲线。

图3所示的金属模压铸的压壳使用了两片式结构，当去掉图3中的内壳320，而仅保留内壳310时，就是一片式压铸结构。

尤其要说明的是，对于一片式和两片式金属模压铸压壳，其存在已经远远超过10年，所有过去的设计，在其涡管的直径最大处，均为直线段。这对于压壳的气动性能和布置都带来了困难，对金属模压铸工艺压壳的推广极为不利，对节能减排、提高劳动生产率极为不利。

发明内容

为了解决现有技术中采用金属模压铸成型工艺制造的压气机压壳存在的不足，本发明提供了一种压气机压壳的制造方法、压气机压壳以及具有该压气机压壳的涡轮增压器。

根据本发明的一方面，压气机压壳的制造方法包括：金属模压铸成型步骤和机加工步骤。首先，执行金属模压铸成型步骤，在该步骤中，通过金属模压铸成型工艺制造出压气机压壳本体，在所述压气机压壳本体内形成有涡管，在涡管的最大直径处的第一轮廓线近似为直线段；然后，执行机加工步骤，在该步骤中，利用机加工的方式对所述第一轮廓线处进行切割，在所述第一轮廓线处，将压气机压壳本体的一部分去除，形成第二轮廓线，所述第二轮廓线为曲线，从而在所述涡管的最大外圆处形成外凸的曲面。

根据本发明的一方面，所述压气机压壳本体为两片式结构或一片式结构。

根据本发明的一方面，在所述金属模压铸成型步骤中，利用铝合金形成所述压气机压壳本体。

根据本发明的一方面，所述压气机压壳为径流式压气机压壳。

根据本发明的另一方面，提供了一种压气机压壳，所述压气机压壳本体利用金属模压铸成型工艺制造而成，所述压气机压壳的涡管的最大直径处的为外凸的曲面，该外凸的曲面是通过利用机加工的工艺在金属模压铸成型的本体上切除一部分而形成的。

根据本发明的另一方面，提供了一种涡轮增压器，所述涡轮增压器用于车辆发动机，所述涡轮增压器包括压轮和压气机压壳，所述压气机压壳为通过如上所述的制造方法制造的压气机压壳。

本发明打破了长久以来采用金属模压铸成型工艺来制造压气机压壳的固有方式，提出了兼顾金属模压铸成型工艺和砂铸成型工艺两者的优点的一种制造方法，通过增加机加工工艺步骤，使得由金属模压铸成型工艺制造的压气机压壳的最大外圆处能够具有外凸的曲面。

因此，虽然仅仅是一条曲线形状的改变，但是，这是至少十余年的技术盲点。而这个盲点导致了在以往的时间我们不得不依赖污染极大的砂铸工艺。如果不填补这个盲点，可以想象，未来我们还需要大规模地向环境排放砂铸废气，废水，以求使用增压器节能减排，这与走绿色能源的持续发展道路是背道而驰的。

附图说明

通过下面参照以下附图的描述，本领域的普通技术人员将更好地理解本发明构思，其中，除非另有说明，否则贯穿各个附图，相同的参考标号表示相同的部件，其中：

图1示意性示出典型径流式压气机的压轮和砂铸压壳的结构；

图2示意性示出了典型径流式压气机的压轮和金属模压铸压壳的结构；

图3示意性示出了金属模压铸压壳的结构；

图4是根据本发明实施例的对金属模压铸压壳的涡管进行机加工的示意图。

在附图中：

100-压气机；101-压轮；102-压壳；110-进气管；

111-扩压器；112-涡管；200-压气机；201-压轮；

202-压壳；210-进气管；211-扩压器；212-涡管；

300-压壳；310-外壳；311-金属模芯；320-内壳；

400-压气机压壳；401-涡管；402-第一轮廓线；403-第二轮廓线。

具体实施方式

在下文中参照附图更充分地描述本发明，在附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式来实施，且不应该解释为局限于在这里所提出的实施例。相反，提供这些实施例使得本公开将是彻底和完全的，并将本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。

金属模压铸的优点至少有两点，一是没有砂铸工艺的高污染，二是生产效率高。但是，通过这种工艺制成的压气机压壳，由于工艺原因，其涡管外圆处无法形成外凸，这就会使气流方向在此发生急剧变化，降低效率；另外，还会使其尺寸与沙铸明显不同，造成布置困难。这已经成为长久以来的难题，但是一直没有得到解决。

针对上述困难，本发明提出了一种新的成型工艺。具体地，本发明提出一种径流式压气机压壳的制造方法和通过该方法制造的径流式压气机压壳，在该压气机压壳中，压壳涡管外圆直径最大处通过机加工形成外凸的曲面。

根据本发明的径流式压气机压壳的制造方法，包括金属模压铸成型步骤和机加工步骤。所述的方法示于图4。图4仅展示了压气机压壳400的一部分，以求更清晰地展示涡管的构成。

首先，执行金属模压铸成型步骤，在该步骤中，通过金属模压铸成型工艺制造出径流式压气机压壳本体，在径流式压气机压壳本体的涡管401的外圆最大直径处的轮廓线402近似为直线段，这里称为第一轮廓线402，在附图4中用粗实线表示。在该步骤中，可以采用金属模压铸成型工艺，第一轮廓线402近似为直线段，以方便脱模。换句话说，第一轮廓线402不必是严格的直线段，只要涡管401的开口处的尺寸能够方便金属模芯的脱模即可。

然后，执行机加工步骤。在该步骤中，利用机加工的方式对第一轮廓线402处进行切割，在第一轮廓线402处，将涡管401内侧的一部分去除，以形成外凸的曲面，相应的第二轮廓线403为曲线，在附图4中，以虚线表示。

当然，具体曲线的形状需要根据应用不同而进行相应的设计。

附图4中示出的金属模压铸的压壳使用了两片式结构。显然，本发明的制造方法也适用于一片式结构。

本发明打破了长久以来的固化思维模式，不再单纯地采用金属模模压铸成型工艺或者采用污染严重的砂铸成型工艺来制造压气机压壳，而是在金属模压铸成型工艺的基础上增加了机加工的工艺，使得径流式压气机压壳的制造方法，不仅具备金属模压铸成型工艺的优点，且能够获得通过砂铸工艺浇铸出相对复杂的曲面形状。

为方便理解本发明，这里简单地介绍一下工艺细节：

金属模压铸工艺：用金属(一般是工具钢)制成模具，模具内部会有水腔冷却。比如附图3中的金属模芯311就是模具的一部分。制造时，这些模具通过机械手相互拼合(和模)，模具件的形状形成型腔。然后，铝液通过压力或自然重力流入型腔。因为铝合金的浇铸温度此时一般是500摄氏度左右，所以，不会损坏金属模(工具钢的熔点远超1000摄氏度)。而且，模具中的水腔会带走大量热量，所以铝合金工件会迅速冷却，固化。此时，延给定方向拉开模具(分模)，就可以取出工件，同时可移除金属模芯311，铸造过程结束。显然，上述过程没有任何造成粉尘污染的可能，非常清洁。同时，不用烧结砂芯，只需要融化铝合金，能量消耗较少。

机加工形成涡管直径最大处：由于涡管的形状在圆周方向上是不对称的(一般是渐开，就是涡管截面积随着流动方向变大，直到出口截面变为最大)，因此，在机加工过程中，优选地，首先考虑在铣床上，通过定制型线的刀具完成切削。切削过程中，工件固定，刀具沿涡管方向圆周运动，同时，可能需要在圆周的不同截面有不同的进给量，以达到涡管截面积渐变的要求。由此，刀具的型线和压铸时的型线显然需要对应设计。需要注意的是，这种对应设计的曲线关系是非常多而无法穷尽的，但是，其基本原则即如上述。

根据本发明的技术方案，通过在金属模压铸成型的压气机压壳的涡管内侧通过机加工的工艺在外圆处形成外凸的曲面。虽然仅仅是一条曲线形状的改变，但是，这是至少十余年的技术盲点，而这个盲点导致了在以往的时间我们不得不依赖污染极大的砂铸工艺。具体地，本发明的技术方案至少解决了两方面的问题。

首先，是涡轮增压器的工作效率的提升。由于流体的高速流动过程中发生速度方向的急剧变化，一般都会造成压力头(也就是由流体的动能，以速度表征和势能，以压力表征，这二者的能量之和)明显下降。由于原来的金属模压铸形成的涡管最大直径处是直线段，其和扩压腔的流动方向大致呈90度左右，所以，流体在此处面临急剧的，近乎直角的方向改变，压力头损失明显，效率降低明显。传统的砂铸在这个局部则可以形成较为平缓的方向改变，不会有明显效率损失。经过机加工后，金属模压铸的压壳在这个局部也可以达成较为平缓的方向改变，从而使其效率基本不受影响。

其次，压气机压壳在布置上的自由度也大幅改善。压壳要用螺栓和中间壳法兰连接。其螺栓孔在直径较大处。对于砂铸的压壳，其涡管的最大直径处可以比螺栓孔直径大，因此，同样的法兰尺寸，砂铸可以得到更大的涡管直径。而对于传统的金属模压铸成型工艺，由于脱模的需要(请参考附图3，由金属模具形成的涡管部分)，涡管直径最大处必须小于螺栓孔，否则在脱模过程中会发生干涉。因此，同样的法兰尺寸，金属模压铸的涡管直径会较小。为了满足涡管的流通面积，就不得不在轴线上拉长涡管。由此，传统的金属模压铸压壳会需要更多的轴向空间(一般对于1.5升汽油机而言，大致会拉长3～7毫米)，对于乘用车布置而言，空间的取舍往往以毫米为单位，3～7毫米的长度增加往往就成为这个技术的否决项，而导致只能使用污染极大，效率很低的砂铸工艺。

因此，本发明的压气机压壳的制造方法相对于传统的制造工艺而言不仅提高了效率，还节约了制造成本，符合当前的绿色可持续发展理念，具有显著的技术效果和经济意义。

虽然已经显示和描述了一些实施例，但是本领域技术人员应该理解，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修改，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种压气机压壳的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：

执行金属模压铸成型步骤，在该步骤中，通过金属模压铸成型工艺制造出压气机压壳本体，在所述压气机压壳本体内形成有涡管，在涡管的最大直径处的第一轮廓线近似为直线段；

执行机加工步骤，在该步骤中，利用机加工的方式对所述第一轮廓线处进行切割，在所述第一轮廓线处，将压气机压壳本体的一部分去除，形成第二轮廓线，所述第二轮廓线为曲线，从而在所述涡管的最大外圆处形成外凸的曲面。

2.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述压气机压壳本体为两片式结构或一片式结构。

3.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述金属模压铸成型步骤中，利用铝合金形成所述压气机压壳本体。

4.如权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述压气机压壳为径流式压气机压壳，用于车辆发动机的涡轮增压器。

5.一种压气机压壳，其特征在于，所述压气机压壳本体利用金属模压铸成型工艺制造而成，所述压气机压壳的涡管的最大直径处的为外凸的曲面，该外凸的曲面是通过利用机加工的工艺在金属模压铸成型的本体上切除一部分而形成的。

6.一种涡轮增压器，所述涡轮增压器用于车辆发动机，所述涡轮增压器包括压轮和压气机压壳，其特征在于，所述压气机压壳为通过如权利要求1-4中任一项所述的制造方法制造的压气机压壳或如权利要求5所述的压气机压壳。

Images