鋁合金空調(diào)壓縮機(jī)斜盤閉式模鍛成形數(shù)值模擬研究

張曉波，閆中原，田轍環(huán)，王雪，李萍

鋁合金空調(diào)壓縮機(jī)斜盤閉式模鍛成形數(shù)值模擬研究

張曉波，閆中原，田轍環(huán)，王雪，李萍

（合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，合肥 230009）

探索不同結(jié)構(gòu)模具下斜盤的成形過程，解決斜盤圓環(huán)棱角易充填不滿的缺陷問題。利用Deform對斜盤在無沖孔連皮及單向/雙向沖孔連皮模具下的成形過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果選擇最優(yōu)模具結(jié)構(gòu)并進(jìn)行實驗驗證。在斜盤成形階段，載荷緩慢上升，金屬穩(wěn)定流動充填大部分模腔。在斜盤整形階段，載荷快速上升，金屬將斜盤圓環(huán)棱角充填完整，在圓環(huán)棱角處形成應(yīng)力集中。雙向沖孔連皮成形能有效降低成形載荷（從340 t到250 t），且其應(yīng)力集中及損傷較大區(qū)域可經(jīng)機(jī)加工完全去除，為最優(yōu)的成形方式，其模擬結(jié)果與實驗結(jié)果相符合。經(jīng)實驗驗證雙向沖孔連皮模具結(jié)構(gòu)為成形斜盤的最優(yōu)方式。

4032鋁合金；斜盤；閉式模鍛；數(shù)值模擬；沖孔連皮

斜盤式空調(diào)壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、運行更加平穩(wěn)、吸排氣效率高等優(yōu)勢，近年來成為汽車空調(diào)壓縮機(jī)的主流[1-2]。以4032為代表的高硅鋁合金具有空調(diào)壓縮機(jī)關(guān)鍵零部件斜盤所需的高耐磨性和良好的尺寸穩(wěn)定性[3]，并與目前的轎車輕量化發(fā)展趨勢相符合，成為制造斜盤的熱門材料[4-5]。目前，鋁合金斜盤的成形工藝主要為熱模鍛工藝加少量精加工，其工藝流程為：擠壓棒材→下料→加熱→模鍛塑性成形→熱處理[6]。但4032鋁合金因硅含量較高導(dǎo)致其塑性較差，若成形斜盤的模具結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，則在模鍛過程中容易產(chǎn)生充填不滿、應(yīng)力集中、折疊和裂紋等缺陷[7-8]，因此研究不同模具結(jié)構(gòu)下斜盤的成形過程非常有必要。

文中針對某型號斜盤式空調(diào)壓縮機(jī)斜盤，設(shè)計了3種不同結(jié)構(gòu)的成形模具，使用Deform軟件模擬了不同結(jié)構(gòu)模具下斜盤的成形過程，分析了斜盤在成形過程中的載荷行程曲線、金屬流動規(guī)律、等效應(yīng)力-應(yīng)變分布及損傷，并根據(jù)模擬結(jié)果，選擇最優(yōu)模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行實驗驗證。

1 工藝分析與成形方案

某型號斜盤式空調(diào)壓縮機(jī)斜盤的零件簡圖及三維模型如圖1所示，其由傾斜角度為21.5°、外徑為77 mm的橢圓盤和高為28 mm、外徑為39 mm、內(nèi)徑為18 mm的圓環(huán)組成。熱模鍛時，斜盤中間圓環(huán)的棱角部位（圖1b的Ⅰ部位）難以充填完整，是成形的關(guān)鍵部位。

圖1 斜盤零件示意

根據(jù)零件結(jié)構(gòu)，設(shè)計如圖2所示的3種不同結(jié)構(gòu)的成形模具，模具由上模、下模及模套組成。其中圖2a為無沖孔連皮成形，不成形通孔；圖2b和2c分別為單向和雙向沖孔連皮成形，成形后連皮分別位于斜盤底部和中部[9-10]，連皮厚度約為15 mm。模具與坯料接觸表面采用與零件相同的斜度，避免偏載發(fā)生。坯料為與零件具有相同斜度的棒料，坯料直徑為77 mm，體積為84 584 mm3。

2 數(shù)值模型建立

使用UG建立如圖2所示的三維模具，并導(dǎo)入Deform軟件中進(jìn)行有限元仿真，以分析不同模具結(jié)構(gòu)對斜盤成形質(zhì)量的影響。設(shè)置坯料為剛塑性體，材料為4032鋁合金，溫度為450 ℃[11-13]，四面體單元網(wǎng)格數(shù)為50 000，最小單元尺寸為0.974 mm。上模下壓速度為1 mm/s，增量步距為每步0.25 mm。采用剪切摩擦模型，摩擦因數(shù)為0.25。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 成形過程分析

根據(jù)圖3所示的不同結(jié)構(gòu)模具成形斜盤的載荷-行程曲線及點接觸情況，將斜盤成形過程分為成形和整形階段。在成形階段，上模下壓并與坯料接觸時，造成載荷迅速上升，隨著上模繼續(xù)下壓，坯料邊緣金屬向中間流動，中間金屬向上向下充填模腔，此過程金屬穩(wěn)定流動，直至載荷緩慢上升至70 t左右時成形階段結(jié)束（如圖3a的Ⅰ—Ⅱ）。之后載荷快速上升至

圖2 模具結(jié)構(gòu)

圖3 斜盤載荷-行程曲線和點接觸

3.2 等效應(yīng)力與等效應(yīng)變分析

不同結(jié)構(gòu)模具成形斜盤的等效應(yīng)力分布如圖4所示，在斜盤周邊毛刺部位存在較大的等效應(yīng)力（如圖4的Ⅰ所示），但對斜盤主體影響很小，后期經(jīng)機(jī)加工去除，可以忽略不計。除斜盤周邊毛刺部位外，

斜盤中間圓柱（或圓環(huán)）棱角部位的等效應(yīng)力最大，是明顯的應(yīng)力集中區(qū)域（如圖4的Ⅱ和Ⅲ所示），仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn)，雙向沖孔連皮成形斜盤的應(yīng)力集中區(qū)域表面積最小，后期經(jīng)機(jī)加工去除后對零件的影響最小。不同結(jié)構(gòu)模具成形斜盤的等效應(yīng)變分布如圖5所示。除斜盤周邊毛刺部位的等效應(yīng)變較大外（圖5的Ⅰ部位），單向/雙向沖孔連皮成形時，斜盤內(nèi)環(huán)部位的等效應(yīng)變最大（圖5的Ⅱ和Ⅲ部位），其在成形時金屬流動距離遠(yuǎn)導(dǎo)致內(nèi)環(huán)金屬的變形較大，而無沖孔連皮成形斜盤不存在較大的等效應(yīng)變。

圖4 斜盤的等效應(yīng)力場

圖5 斜盤的等效應(yīng)變場

3.3 損傷分析

Deform模擬獲得的損傷是反映鍛件斷裂傾向的重要物理量，損傷值越大，產(chǎn)生斷裂的可能性就越大[14-15]。不同結(jié)構(gòu)模具成形斜盤的損傷分布如圖6所示，不同結(jié)構(gòu)模具成形斜盤時對斜盤中間圓柱（或圓環(huán)）的棱角部位損傷較大（圖6的Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ部位），而對橢圓盤部位的損傷很小。其中無沖孔連皮成形對斜盤損傷的最大值為0.202，對斜盤的損傷最小；單向沖孔連皮成形對斜盤損傷的最大值為0.644，對斜盤的損傷最大，且后期難以完全消除損傷較大區(qū)域；雙向沖孔連皮成形對斜盤損傷的最大值為0.525，但最大損傷位置后期經(jīng)機(jī)加工可完全去除，而對斜盤整體的損傷較小。

圖6 斜盤的損傷分布

根據(jù)以上分析可知，雙向沖孔連皮成形能夠有效降低成形載荷，且成形后的斜盤經(jīng)機(jī)加工后可消除應(yīng)力集中區(qū)域與損傷最大區(qū)域，是3種成形方式中的最優(yōu)方式。

4 結(jié)果與分析

為驗證雙向沖孔連皮成形的可行性，文中采用YDZFEM-630T型液壓機(jī)進(jìn)行斜盤的雙向沖孔連皮成形實驗，其實際模具結(jié)構(gòu)如圖7所示，成形后使用下模頂出桿頂出斜盤。圖8為不同下壓量所成形的斜盤，隨著下壓量的增加，斜盤圓環(huán)的棱角部位被逐漸填滿，斜盤的成形質(zhì)量良好，最大成形載荷為265 t，證明了雙向沖孔連皮成形的可行性。

圖7 YDZFEM-630T型液壓機(jī)及模具示意

圖8 不同下壓量成形的斜盤

5 結(jié)論

1）與無沖孔連皮、單向沖孔連皮成形相比，雙向沖孔連皮成形能顯著降低斜盤的成形載荷，從340，280，降低至250 t。

2）與單向沖孔連皮成形相比雙向沖孔連皮成形后斜盤的應(yīng)力集中及損傷較大區(qū)域可經(jīng)后處理加工完全去除，而對斜盤的主要部位影響較小，為最優(yōu)的成形方案。

3）實驗驗證表明雙向沖孔連皮成形的斜盤圓角填充完整，成形質(zhì)量良好，最大載荷為265 t，與模擬結(jié)果相匹配。

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Numerical Simulation of Closed-Die Forging for Aluminium Alloy Swashplate of Air Conditioning Compressors

ZHANG Xiao-bo, YAN Zhong-yuan, TIAN Zhe-huan, WANG Xue, LI Ping

(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The work aims to explore the forming process of swashplates of different die structures and solve the defect that the corners of the swashplate are not easy to fill up. The forming process with dies of no-punching wad, one way-punching wad and two way-punching wads were numerically simulated with Deform software, and the best mould structure was selected to conduct experimental verification according to the simulation results. During the forming stage of the swashplate, the load slowly increased while the metal flowed steadily and filled the majority of the cavity. During the shaping stage, the load increased quickly and the corners of the swashplate ring were filled, stress concentration was formed at the corners of the ring. Two way-punching wads could effectively reduce the forming load from 340 t to 250 t, and the stress concentrations and large damage areas could be completely removed by machining, so it was the best forming method. The simulation results were consistent with the experimental results. The two-punching wad is the best way to form the swashplate proven by experiment.

4032 aluminum alloy; swashplate; closed-die forging; numerical simulation; punching wad

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.004

TG376.2

A

1674-6457(2022)02-0022-05

2021-07-04

安徽省重點研究和開發(fā)計劃（面上攻關(guān)）（201904a05020062）

張曉波（1996—），男，碩士生，主要研究方向為精密塑性成形與控制技術(shù)。

李萍（1973—），女，博士，教授，主要研究方向為精密塑性成形工藝與仿真。