新能源汽車4032 鋁合金渦旋件背壓成形數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)研究

時(shí)迎賓，薛世博,，段園培，石文超，薛克敏

（1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009；2.安徽工程大學(xué)，安徽 蕪湖 241000）

汽車空調(diào)裝置的核心是制冷壓縮機(jī)，渦旋式壓縮機(jī)是目前最常見的一種，具有體積小、重量輕等眾多優(yōu)點(diǎn)[1]。渦旋盤是渦旋式空調(diào)壓縮機(jī)的核心部件，其傳統(tǒng)的加工方法包括液態(tài)模鍛、機(jī)械加工、低壓鑄造等。文中渦旋盤所用材料為4032 合金，由于硅（Si）含量高，合金的塑性較差[2—6]，塑性成形技術(shù)可以有效地壓實(shí)合金的內(nèi)部孔隙[7—8]。傳統(tǒng)的擠壓工藝會(huì)出現(xiàn)零件表面不均勻。許多學(xué)者研究了背壓擠壓成形4032 鋁合金渦旋盤，分析了背壓距離和背壓力等工藝參數(shù)對零件成形質(zhì)量的影響[1,9]。這些研究主要針對的是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)渦旋盤成形，與傳統(tǒng)渦旋盤相比，新能源汽車的渦旋盤具有一個(gè)一定高度和厚度的外圈，結(jié)構(gòu)上相對更復(fù)雜。由于外圈補(bǔ)料不足，背壓擠壓成形新能源汽車渦旋盤易出現(xiàn)充填不滿、模具破裂等缺陷，且關(guān)于這種渦旋盤背壓擠壓成形方法尚未見報(bào)道。

文中為了探究新能源汽車空調(diào)壓縮機(jī)核心部件-渦旋盤的成形工藝及成形過程中會(huì)產(chǎn)生的問題，進(jìn)行了有限元模擬，分析了渦旋盤成形過程中應(yīng)力應(yīng)變場分布、成形規(guī)律及成形缺陷的產(chǎn)生原因。最后展開實(shí)驗(yàn)，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析對比，驗(yàn)證工藝方案可行性。

1 工藝分析與成形方案

圖1 顯示了4032 鋁合金渦旋盤鍛件的三維（3D）模型。新型渦旋盤的外圈高度和壁厚大于中間渦旋部分的高度和壁厚，基底的直徑大于外圈外徑，并且在外圈上具有3 個(gè)凹槽。外圈的成形是鍛件成形的難點(diǎn)。

圖1 4032Al 渦旋盤零件Fig.1 4032 aluminum alloy scroll

無背壓擠壓成形渦旋盤時(shí)，由于渦旋部分不同區(qū)域壁厚不同，有的區(qū)域補(bǔ)料相對困難，導(dǎo)致成形后的渦旋部分高度差別較大。為了使渦旋各部分高度均滿足要求，補(bǔ)料充足部分的高度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過零件尺寸要求，而這會(huì)造成材料的極大浪費(fèi)，并且金屬變形的不均勻性，會(huì)造成金屬流線分布不均勻和表面裂紋等缺陷，嚴(yán)重影響使用性能。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將背壓擠壓與閉式擠壓技術(shù)結(jié)合起來。同時(shí)鑒于零件的外圈高度大于渦旋高度，為了確保能夠滿足其外部尺寸，增加了預(yù)鍛步驟，使用預(yù)鍛后的坯料成形鍛件，工藝流程如圖2 所示。

圖2 工藝流程Fig.2 Process program diagram

2 數(shù)值模型建立與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 有限元模型

為了驗(yàn)證工藝方案的可行性并確定成形過程，采用Deform-3D 軟件進(jìn)行有限元仿真分析。工藝流程的有限元模型如圖3 所示，將預(yù)鍛后的坯料用作終鍛成形的坯料。設(shè)置坯料為塑性體，初始溫度為450 ℃，采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)目為120 000。設(shè)置模具為剛體，初始溫度為200 ℃，擠出速度為10 mm/s。設(shè)定摩擦模型為剪切摩擦，摩擦因數(shù)為0.12，背壓為20 t。材料為4032 鋁合金，其流動(dòng)應(yīng)力模型參考陳強(qiáng)[10]的研究結(jié)果，見式（1）。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在6300 kN 超精密等溫超塑成形液壓機(jī)上進(jìn)行了渦旋背壓擠壓成形試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)材料為4032 鋁合金，實(shí)驗(yàn)時(shí)將坯料放入加熱爐中加熱至 450 ℃保溫30 min，并通過加熱環(huán)將加熱模具加熱至200 ℃，用石墨涂刷坯料表面，放入模具中以制備預(yù)鍛坯料，下壓速度設(shè)定為10 mm/s。預(yù)鍛完成后，將預(yù)制坯料放入加熱爐中，再加熱至450 ℃，保溫10 min，然后將預(yù)鍛坯料放入成形模具中進(jìn)行背壓擠出。

3 結(jié)果與分析

3.1 模擬分析

預(yù)鍛工序的載荷-行程曲線步驟及成形過程如圖4 所示，可以看出，預(yù)鍛過程分為2 個(gè)階段。第1 階段，載荷開始施加在毛坯上，載荷迅速增加，然后外圈反擠成形（見圖4a），金屬穩(wěn)定流動(dòng)，負(fù)載穩(wěn)定在100 t 左右。第2 階段，反擠的外圈金屬逐漸充滿型腔，外圈開始整形（見圖4b），金屬填充拐角處，載荷急劇增大。

圖4 預(yù)鍛工序的載荷-行程曲線Fig.4 Stroke-load curve of pre-forging process

圖5 終鍛工序的載荷-行程曲線Fig.5 Stroke-load curve of final forging process

圖6 終鍛過程中的速度場Fig.6 Velocity field during final forging process

圖5、圖6 顯示了終鍛成形過程的載荷-行程曲線及金屬流動(dòng)過程。可以看出，成形過程分為3 個(gè)階段：第1 階段主要是成形渦旋基底，基底底部反擠壓成形，金屬主要從中間向周圍流動(dòng)（見圖6a），基底底部逐漸填充，拐角處充滿（見圖5a），由于金屬反擠及背壓作用，金屬流動(dòng)阻力增加，載荷快速上升；行程到達(dá)30%時(shí)進(jìn)入第2 階段，第2 階段同時(shí)形成外圈和中間渦旋部分，由于背壓對中間渦旋部分的影響，渦旋部分的金屬流動(dòng)較慢，外圈金屬流動(dòng)較快。此外，由于渦旋部分的結(jié)構(gòu)不對稱，外圈中金屬流速也不一致，沒有與渦旋部分接觸的外圈金屬流動(dòng)更快（見圖6b）。外圈開始整形后，金屬填充拐角處，載荷迅速增加。行程到達(dá)84%時(shí)進(jìn)入第3 階段，第3 階段渦旋盤的基底和外圈已經(jīng)基本成形完整，主要成形中間渦旋部分。金屬流動(dòng)集中在渦旋部分，越是靠近中心位置，流動(dòng)越快（見圖6c）。由于外圈端面與模具接觸，載荷保持較大噸位，相對穩(wěn)定在約400 t。成形結(jié)束時(shí)，渦旋部分的流速基本相同（見圖6d）。

成形后渦旋盤的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變的分布如圖7 所示。在成形過程中，隨著壓下量的增加，渦旋根部由于形變量較其他部分更大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。成形快結(jié)束時(shí)，外圈已經(jīng)充滿，沖頭繼續(xù)下壓使頂部應(yīng)力增大（見圖7a）。渦旋根部和外圈頂部的最大等效應(yīng)力在300 MPa 左右，而初始4032 鋁合金的屈服強(qiáng)度在323 MPa 左右，所以不會(huì)發(fā)生斷裂等情況。在渦旋部分和外圈中，等效應(yīng)變逐漸從端部到根部逐漸增加（見圖7b）。最大等效應(yīng)變也分布在渦旋部分根部，這是因?yàn)楦拷饘俦粩D入渦旋部分并且變形很大。由于根部的等效應(yīng)力和等效應(yīng)變較大，實(shí)際生產(chǎn)中根部的成形質(zhì)量需要特別注意。

圖7 等效應(yīng)力場和等效應(yīng)變場Fig.7 Equivalent stress and equivalent strain

3.2 “兩步法”實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖8 為實(shí)驗(yàn)件，經(jīng)測量渦旋盤渦旋部分端面平整，飛邊較少，外圈成形完整，凹槽部分成形完整，鍛造完成后的渦旋盤沒有充填不滿等缺陷，模具無明顯損傷。

圖8 渦旋盤鍛件Fig.8 Scroll forging

4 結(jié)論

1）預(yù)鍛獲得的外圈引導(dǎo)金屬流動(dòng)，槽部分充填完整，外圈高度基本相同。“兩步法”成形可以獲得充填完整，質(zhì)量良好的渦旋盤。

2）終鍛過程分為3 個(gè)階段：第1 階段主要是成形渦旋基底；第2 階段同時(shí)形成外圈和中間渦旋部分，由于背壓對中間渦旋部分的影響，渦旋部分與外圈金屬流動(dòng)速度不一致，同時(shí)渦旋部分結(jié)構(gòu)不對稱，外圈中金屬流速也不一致；第3 階段主要形成旋渦的中間部分。

3）在終鍛過程中，渦旋根部由于形變量較大，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。在終鍛快結(jié)束時(shí)，外圈已經(jīng)充滿，頂部應(yīng)力增大。

4）采用設(shè)計(jì)的模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，成形的4032 鋁合金渦旋盤無充填不滿等缺陷。