增压器壳体背盘产业化经济可行性研究

随着全球工业化的发展，加强环境保护，改善生存条件，是全人类亟须深刻面对的问题。据环保部门测定，在我国主要城市中，汽车尾气污染物排放已经成为大气污染的主要来源。在大气污染中，颗粒排放是诱发心血管疾病、哮喘和癌症的元凶。尽管我国汽车总保有量还处于较低水平，但随着经济的发展，我国汽车总保有量呈上升趋势已成定局。犹其近十年来，中国已成为全球最大的汽车市场，未来十年中国的汽车工业仍将持续发展，市场规模将超过年3000万辆，成为世界第一。

汽车排放污染已成为我国必须面临的问题，国际上发达国家普遍采用了许多新技术来满足日益严格的排放法规，节能减排是汽车工业发展的趋势，其中发动机增压技术已应用在不同的车型上。增压技术改善了发动机缸内的燃烧，提高了发动机的性能，不仅大幅度地提高了发动机的功率，降低了油耗，提高了经济性，而且改善了废气排放，保护了环境。这意味着越来越多的涡轮增压技术会被运用到汽车上，其中铝合金增压产品因为其重量、性能、成本等综合优势成为首选。

在最近30年时间里，涡轮增压器已经普及到许多类型的汽车上，它弥补了一些自然吸气式发动机的先天不足，使发动机在不改变排气量的情况下可以提高输出功率10% 以上。因此许多汽车制造公司都采用这种增压技术来改进发动机的输出功率，藉以实现汽车的高性能化。柴油机涡轮增压已较普及，随着欧IV排放标准的强制实施，几乎所有的商用车柴油发动机都需装配涡轮增压器；近年乘用车汽油发动机的小型化趋势明显，缸内直喷加涡轮增压已成为家轿的黄金动力，以大众为先锋，目前几乎所有的汽车厂都开始大力推广带涡轮增压的车。2011年我国涡轮增压器的销量约为400万台，2016年预计至少将翻一番，达到800万台。由于轿车汽油机的转速比柴油机高，空气流速快而且变化范围大，因此它的涡轮增压器有更高的要求。现在轿车发动机已普遍采用电子喷射系统，在电子控制技术及新材料的配合下，涡轮增压器在汽油机上的应用也已日益普遍。

涡轮增压器的最大优点是不加大发动机排量就能较大幅度地提高发动机的功率及扭力，一般而言，加装增压器后的发动机的功率及扭矩要增大20%-30%。在目前的技术条件下，涡轮增压器是唯一能使发动机在工作效率不变的情况下增加输出功率的机械装置。而增压器的壳体及背盘恰恰是保障增压器正常可靠工作的重要主件。

增压技术从起初的增加动力、降低油耗发展成为解决排放的重要措施，从而进一步促进了增压技术的发展。目前，欧洲和美国的重型卡车增压化率基本达到100%，欧洲柴油轿车的增压化率也已达到80%。随着我国汽车排放法规的不断完善和环保政策的逐步出台，发动机增压器市场必将得到迅速发展。

与混合动力和电动汽车技术相比，涡轮增压技术成本优势明显。据预测，到2015年，美国在售轻型车涡轮增压器的配装率将由现在的8%上升至25%左右。与相同排量的自然吸气发动机相比，涡轮增压发动机体积更小，节油性更好。随着增压器产业的发展，国内外增压器厂商对我国市场的发展趋势一致看好。

由于增压器安装在发动机的排气管上，所以增压器的工作温度很高，而且增压器工作转速可达到每分钟十几万转，故对其主要配件涡壳背盘产品的技术及品质要求极为苛刻。且目前的传统产品存在热变系数大、强度低、压气量少、高转速时易引起哨叫、制造成本高等缺陷。目前我国汽车工业迅速发展，但此类配件主要依赖进口且价格昂贵。以自主知识产权研发生产高性能增压器壳体及背盘并实现产业化，将会极大地推动我国增压器产业的发展，同时有效地促进节能减排和环境保护。铝合金金属模重力铸造工艺可以获得优良的铸件物理机械性能，模具及设备成本相对较低，劳动生产率高，占用面积少，易于组织大规模生产。在汽车行业该工艺被大量运用于汽车制动系统、转向系统、底盘及悬挂系统以及发动机系统相关零件的生产。国内该工艺的运用仍处于初级阶段，普遍还处于手工模浇铸阶段，而国外已基本实现全自动化浇铸，相比在材料、工艺、模具设计、装备、过程控制及管理等各方面均差距较大。新课题立项后，成功自制了关键的生产设备及模具，新产品开发导入了模流及凝固过程的计算机模拟以及有限元分析，开发了铸造过程监控系统，所有的浇铸过程参数均被计算机监控记录，成功开发了新的合金并实现了一次熔炼浇铸，大大降低了成本。项目通过对材料的配方改进、晶体变质细化工艺的研究实施和产品造型、生产工艺的重新设计、调整，克服或消除上述所列缺点，并运用知识产权保护和建成自动化浇铸生产线优势，相比进口件大幅提升性价比优势。为开发汽车增压器铝合金壳体及背盘打下了坚实的基础。

开发汽车增压器铝合金壳体及背盘，具体技术指标如下： 1）、产品室温抗拉强度Rm≥300 Mpa、伸长率A≥3%、布氏硬度HB≥105。2）、产品250℃时抗拉强度Rm≥180 Mpa、伸长率A≥4%。3）、产品弹性模量E≥75 Gpa。4）、多筋状背盘壁厚3 mm、中心孔直径公差≤0.015mm。5）、建成年产铝合金壳体及背盘100万件的生产线，销售额不低于3000万元。6）、相比目前的压铸成型产品，使用成本下降30%以上。

项目采用的工艺路线如下：材料选备→熔炼→配方、脱气、晶体细化→自动浇铸→热处理→表面抛丸→毛坯指标检测→数控精车→成品检测→总成配型。

在执行上述工艺路线时，须有以下关键技术作为保障：

1、合金的变质细化：亚共晶铝硅合金通过添加变质剂及细化剂实现提高基体常温和高温力学性能之目的，合金的变质细化是本项目研究的主要任务。2、特种复合型铸造工艺：壳体和背盘是形状复杂的薄壁件，壳体的排气道连续变截面造型；背盘12条放射状加强筋厚度小于3mm。因此，模具的结构形式、温度控制、芯型定位、周期控制、铸件质量保障、铸造成型CAE分析是研究的重要内容。3、合金的热处理技术：合金的热处理工艺对基体合金实现综合性能的最佳组合致关重要，最终直接影响产品的使用性能。要提高合金的综合性能，合金的热处理技术十分关键。

摸索合适的配方，结合自动化浇铸工艺和热处理技术的探索，开发出一种温度敏感（热变型）系数小、机械强度高、耐磨性能好、易切削的壳体背盘产品，以适合温差大、震动频率高、免维护周期长的需要。

选用电加热管及可控硅调压模具温度控制系统，保证模具不同部位的相应温度要求；加大悬臂壳芯芯头长度，确保壳芯定位准确可靠，在浇铸铝液时的冲力和浮力作用下不变形、不损毁。采用Sb、Sr长效变质剂对铝合金进行变质处理，并以中间合金的形式加入。控制合金精炼及升温速率、保温时间；采用循环风扇式热处理炉保温，快速淬火工艺等，提高基体铝合金性能的均匀稳定性。

实施所需的相关技术支持已有二项获得自主知识产权专利授权，分别是涡轮增压器（申请号 201020645152.4 授权号 CN 201865754 U）、一种涡轮增压器（申请号 201020645154.3 授权号 CN 201891495 U）。此二种专利技术成功解决了壳体排气道连续变截面造型问题，背盘置12条放射状加强筋解决了产品的散热及强度问题，增强了品质稳定性。盘旋增压消噪风道设计，消除了传统增压器压气效果差，高转速时噪音大的缺点。该技术属国内首创，达到国际先进水平，与之竞争的产品较少，因此技术风险极低。

该壳体背盘产品国内刚刚起步，价格只有国外同类的1/3，极具性价比优势，属高效节能环保产品，符合今年九月份发布的“2013年国家重点新产品计划”中的第一部分“重点支持领域”内（一）“节能环保产业”，属（1）高效节能、（2）先进环保新产品。

该壳体背盘研发及产业化顺利实施对推动地方和国家“十二五”期间产业、产品结构调整，培育新的经济增长点和战略新兴产业具有重要意义。

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