新能源空調壓縮機軸承座成形工藝研究

文/金鳳臻，黃婷，李瀚偉，朱志成，阮海濤，薛克敏·合肥工業大學

新能源汽車是未來汽車發展的方向，作為汽車空調壓縮機的重要零部件——軸承座的合理設計和經濟制造，對確保壓縮機性能和降低成本具有十分重要的意義。在汽車空調壓縮機里，軸承座與高速運轉的轉軸和渦旋盤相互配合，在復雜應力狀態和高應力值之下，高速而長時間地工作，對其有很高的性能要求。傳統的重力鑄造生產效率較低，易產生氣孔、縮松等內部缺陷，隨著新能源汽車銷量日益增加，顯然已經不能滿足生產要求。本文采取以鍛代鑄的方法，用DEFORM-3D對新能源汽車空調壓縮機軸承座成形進行數值模擬，分析成形過程中金屬流動規律，提出了預鍛制坯，然后背壓力閉塞式模鍛終成形的鍛造工藝，不僅可以改善軸承座的機械性能，提高材料利用率，還能大大提高生產效率。

零件分析

結構分析

新能源汽車空調壓縮機軸承座的三維圖如圖1所示。可以看出軸承座具有表面形狀復雜、壁厚小（最薄處達到4mm）、內部階梯較多的特點。其成形過程中金屬流動性差，鍛造載荷陡增，坯料容易出現拉裂、折疊和充填困難等問題。

圖1 軸承座三維圖

一步成形

采用閉式模鍛的方法對原始坯料進行一次鍛壓成形。根據定位關系及體積不變原則，設置了兩種方案的坯料尺寸：方案一為φ80mm×18mm（高徑比為0.225）、方案二為φ94mm×13mm（高徑比0.138）。

在DEFORM-3D軟件中設置有限元前處理文件，其中坯料為自行建立的4032鋁合金模型，模具為剛性體，采用庫倫摩擦模型，根據生產條件設置摩擦因數為0.25，坯料和模具溫度分別為450℃和200℃，上模下行速度為5mm/s。

圖2所示為方案一和方案二的損傷值分布。可以看出，兩種方案下工件的損傷值均超過1，且集中分布在階梯處的外表面，這是由于此處壁薄、內腔深，且4032鋁合金塑性較差，在一次成形中易出現拉裂、折疊、載荷過高等問題。

圖2 損傷值分布

兩步成形

為避免一步成形中出現拉裂、載荷高等問題，提出用預鍛+終鍛的兩步鍛造工藝成形該零件，同時為保證各處金屬流動平穩，使金屬處于三向壓應力狀態，減少成形過程中的斷裂傾向，并且降低成形載荷，采用帶有背壓體模具進行成形，有限元模型如圖3所示。先對圓柱體坯料預鍛成形出帶有臺階的預鍛坯料，再用預鍛坯料成形出軸承座。參數設置與一步成形中的一致，其中，背壓體需要單獨施加移動邊界條件，最大背壓力20t，背壓距離為0。背壓體隨著上模下行也向下移動，在坯料接觸到背壓體時開始施加背壓力，當背壓體接觸到限位板的時候停止運動，進行閉式擠壓。

成形過程分析

圖3 有限元模型

圖4 坯料形狀

在背壓力閉塞式模鍛成形中，考慮到軸承座內部階梯較多，設置了兩種情形進行對比，如圖4所示。其中方案三為底部無槽階梯形坯料：基圓φ90mm×12mm，凸臺φ48mm×13mm；方案四為底部有槽階梯形坯料：基圓φ91mm×11.7mm，凸臺φ48mm×16mm，底部凹槽φ43mm×4mm。從模擬結果圖5上可以看出，兩種方案材料的損傷值均小于1，有效改善了拉裂問題，且最終的成形載荷小于90t，在當前設備的承受范圍之內。

圖6所示為軸承座成形時金屬流動的速度場。可以看出，當金屬流動一段距離后接觸到沖頭階梯處時，開始出現金屬分流，部分金屬會受到下沖頭的作用而向上流動，當與向下運動的金屬匯流時產生折疊缺陷。而無槽坯料在成形時，金屬流動有較大的速度差，存在拉裂傾向。由于成形初期背壓體作用力小，金屬流動的阻力小，因此速度場較密集且流速大，但在成形中后期，由于背壓體作用，金屬流動受到干涉，流動快的部分減慢，最終使端面各處速度趨于一致。

圖5 損傷值分布

圖6 速度場分布

圖7 應力分布

模具應力分析

圖7所示分別為兩步成形時上模應力、下模應力、背壓體應力分布云圖。可以看出，模具應力最大值均在100MPa以內，因此選取H13鋼作為模具材料是可行的。同時，模具應力較大的地方集中在轉角和階梯處，上模的第一階梯處，下模的內孔邊緣處和背壓體的外部邊緣處所受的應力較大，成形過程中易導致模具發生磨損，影響軸承座的成形質量。

結論

⑴對一步閉式模鍛進行兩種尺寸坯料的對比模擬，發現一次成形易出現拉裂、折疊、載荷過大等問題。

⑵采用兩步鍛壓成形的方法，軸承座成形質量好。在兩步模鍛成形中，設置兩種預鍛成形坯料，發現在底部有槽預鍛坯料成形時金屬流動相對較優，且終鍛成形過程中在背壓體的作用下，坯料處于三向壓應力狀態，塑性提升，開裂傾向小。