流體動力學仿真模擬&有限元分析技術在動靜盤重力澆注中的應用

武鵬飛+吳鑫

摘 要：文章闡述了流體動力學仿真&有限元分析技術， 在渦旋式汽車空調壓縮機鋁合金動靜盤毛坯件重力鑄造模具設計中的應用，以及在試驗過程中出現問題時，分析原因，制定糾正措施，直至成功的探究。

關鍵詞：流體動力學仿真原理；有限元分析技術；鋁合金；動靜盤；重力鑄造；應用

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）27-0041-02

1 概 述

在渦旋式汽車空調壓縮機鋁合金動靜盤毛坯件重力鑄造領域， 大多數企業都是一模出一件鑄造件，生產工藝極其落后，效率低，浪費大。為了提高效率，降低勞動力成本，許多企業在探索一模出四件或多件鑄件，并進行模具的創新設計和開發。然而，“一模四腔”新模具，設計復雜，造價昂貴，且無前置經驗可借鑒，亦無其他設計依據，設計失敗率很高；“模組設計→加工制造→試模→修改”，整個過程無科學依據與分析，只能靠不斷的資金投入，反復的試驗、修改，不斷的“嘗試”。 目的是為了成功，但資金投入大，制造、試驗成本高，成功率低。

流體動力學仿真&有限元分析技術， 在其他行業發展迅速， 如果將其與模具開發結合， 可以大大提高設計研發效率和試驗、開發的成功率， 降低開發成本。

2 渦旋式壓縮機動靜盤生產工藝分析

2.1 渦旋式壓縮工作原理

渦旋式壓縮機是由兩個渦旋體相互成180o的角，裝配在一起。其中一個被固定，即靜盤；另一個旋轉，即為動盤。這一對漸開線形的渦旋體，組成3對同時工作的壓縮腔，動盤一方面沿著很小的偏心距（曲軸回轉半徑）軌道移動（即擺動），另一方面與靜盤接觸做相對轉動，與靜盤形成3個變容積的密封腔，每1轉中，第1個腔在吸氣，第2個腔在壓縮氣體，第3個腔在排出氣體，也就是說，在每個轉角，都在持續循環地進行吸氣、壓縮、排氣，因此沒有負荷的起伏變化，所以渦旋式壓縮機運轉非常平穩，這種特性對發動機非常有利。

2.2 一模四腔的澆注裝置及模具存在的問題

目前，渦旋式汽車空調壓縮機鋁合金動靜盤生產，主要的幾種制造工藝分別為：重力鑄造、低壓鑄造、液態模鍛、熱模鍛和背壓成型工藝，其中重力鑄造在規模化生產中應用較廣，但是，鋁合金動靜盤重力澆注，普遍采用一模一腔即：一個模具生產一個動盤或者靜盤，效率低，浪費大，成本高；一模四腔的澆注裝置及模具，尚在研發試用階段，存在很多問題和技術難題，如：“一模四件鑄件”鑄造模具，設計復雜，造價昂貴，且無前置經驗可借鑒，亦無其他設計依據，設計失敗率很高；澆冒口、留道的尺寸、流量、流速的確定；冒口鋁水提前結晶、遠端反流補縮效果差；試驗過程中存在充型不滿、有熱結、熱裂紋、縮孔、砂眼、夾渣等缺陷。

3 一模四腔模具設計完成后的動力學仿真模擬&有 限元分析

3.1 “動盤&靜盤鑄造方案”流體力學仿真分析

通過對一模四腔模具設計進行動力學仿真模擬根據仿真結果，如圖1所示。我們總結出了如下改善方案以更好地改善一摸四腔模具的產出質量。

3.2 鑄造方案改善

毛胚頂部表面疏松&縮孔：①增加澆口與冒口高度（澆鑄量）；②頂部加強筋疏松部位增加鑄造余量，并增加排氣功能；③請供應商嚴格管控設計精準度，保持毛胚件水平，并將澆道詳細設計方案提供給研發小組評估；④鑄件缺少編號，請供應商糾正設計。

3.3 相關配套改善

避免冒口補澆，降低人力作業強度；模具加熱與冷卻必須自動化；模具配套需要符合環保要求，增加安全光柵，急停開關等設備，避免發生事故。

4 動力學仿真模擬&有限元分析在“一模四件”鋁合 金動靜盤重力澆注中應用

“一模四腔”重力鑄造鋁合金動盤模具，設計、仿真模擬、修正后，隨即在工廠進行了渦旋式動盤重力澆注試驗，經過2次試驗，成型毛坯件（一模出4件鑄件）終于成功鑄造出來。但毛坯件呈現以下缺陷：

①動盤渦旋根部、軸承孔底部出現了不同程度的熱裂紋；

②基圓底平面有凹坑；

③帽口較大、較厚不利于后步工序敲掉帽口，甚至會在敲帽口時將動盤基體敲壞（俗稱“掉肉”）。

④澆注流道與動盤體聯接處凸出，有較大的臺階，車削加工時不便于裝夾，且易打壞刀具。

⑤有熱結、熱縮現象。

針對上述存在的問題和出現的缺陷，我們應用動力學仿真模擬&有限元分析原理，進行缺陷原因分析，并提出改進措施。

5 技術改進效果

①完成&完善。毛胚件（出模整件）之3D圖紙，如圖2所示。

②利用流體動力學仿真軟件對毛胚件做有限元分析。如圖3所示。

③按照需求（如 表面品質， 重力分析， 熱節分析等）， 按照環境要求（如 材料特性， 環境溫度， 充型速率等）進行仿真， 制作成鑄造仿真分析動畫。如圖4所示。

④ 根據仿真分析結果， 修改毛胚件（出模整件）設計， 優化模具設計，如圖5所示。

由圖5可以看出樣品正面和背面分別出現冷隔和裂紋現象，通過仿真分析我們得知出現冷隔的原因主要有：模具溫度和鋁液溫度較低；排氣不暢；冒口的澆口小；澆鑄速度太慢或澆鑄中斷所致。

建議方案：提高鋁液與模具溫度；適當提高澆鑄速度；適當增大冒口澆口。

出現裂紋的主要原因有：鑄件有尖角或厚薄過渡不圓滑；局部溫度過高；未凝固即開模；縮補不足。

建議方案：檢查毛胚圖紙，倒圓角，調整厚薄；注意涂料厚度；增大冒口補縮；考慮是否放置冷鐵。

⑤“設計-仿真-優化設計”過程中， 仿真為主導， 優化設計， 提升成本優勢與設計成功率.

6 結 語

綜上所述，通過在渦旋式汽車空調壓縮機鋁合金動靜盤毛坯件重力鑄造模具設計中，應用流體動力學仿真&有限元分析技術，可以生動形象地觀察出實驗過程中存在的主要問題，并找出相應的解決方案， 大大提高設計研發效率和試驗、開發的成功率， 降低開發成本。

參考文獻：

[1] 馬燕山，謝英花，任國山，等.建立下肢動脈血管有限元模型及模擬計算 流體力學[J].中國醫學影像技術，2011，（10）.