文／吳濤，段自豪，石文超，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

汪長開·霍山匯能汽車零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司

引言

目前全球氣候變暖、大氣污染以及能源枯竭等問題日趨嚴(yán)峻，新能源汽車因?yàn)闊o污染、低噪聲及節(jié)省資源等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展受到了各國政府和企業(yè)的高度重視。汽車空調(diào)作為汽車的關(guān)鍵零部件，其制造在汽車生產(chǎn)工業(yè)中的地位舉足輕重，隨著新能源汽車的發(fā)展，汽車空調(diào)的研究開發(fā)問題也隨之而來。為滿足新能源汽車輕量化和低能耗要求，渦旋盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案通常為變徑型線式等強(qiáng)設(shè)計(jì)，即壁厚從吸氣口到排氣口逐漸由薄變厚，且構(gòu)件高厚比較大，屬于典型的難成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)。新能源汽車空調(diào)壓縮機(jī)采用直流無刷永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其電機(jī)轉(zhuǎn)速相較于內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)的空調(diào)壓縮機(jī)可提升約兩倍，故而渦旋盤服役條件極為嚴(yán)苛，同時(shí)也對材料的散熱性能、耐磨性、動(dòng)載性能及其成形件的尺寸精度和表面質(zhì)量提出了較高要求。渦旋盤傳統(tǒng)加工方法，比如重力鑄造、液態(tài)模鍛、機(jī)械加工和低壓鑄造等已無法滿足現(xiàn)階段新能源汽車對于渦旋盤服役性能的需求，因此尋求新的成形工藝刻不容緩。本文通過有限元分析軟件Deform對新能源汽車靜渦旋盤的成形過程進(jìn)行有限元分析，研究其成形過程中的問題，并得到最優(yōu)的成形方案，為實(shí)際的生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

零件結(jié)構(gòu)分析

圖1為某型號汽車空調(diào)靜渦旋盤，從圖中可以看出其形狀較復(fù)雜，內(nèi)部渦旋部分壁厚不均勻，與外圈也存在較大的壁厚差，特別是相較于市面上的靜渦旋盤，靜盤外部桶圈由以前的一些槽口變?yōu)殚L槽，存在一個(gè)很大的缺口特征。由于靜盤渦旋部分壁厚不均勻，外圈與凹模接觸，阻礙金屬流動(dòng)，且此型號靜盤新出現(xiàn)的槽口特征，給后期的零件成形增加了額外的難度。

成形工藝分析

圖1 汽車某型號空調(diào)靜渦旋盤

圖2 預(yù)制坯料示意圖

新能源汽車空調(diào)壓縮機(jī)用渦旋盤多采用背壓式成形模型，根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)依舊采用兩步成形法進(jìn)行模擬，為了分析零件成形過程中的問題，初始坯料采用三組參數(shù)進(jìn)行對比分析（圖2）。其中一組的模擬成形過程如圖3所示。

通過圖3可以看出成形初期，坯料四周流動(dòng)情況較好，在背壓體的作用下，渦旋部分流動(dòng)緩慢。在最大凹槽處，由于受到模具阻礙，金屬流動(dòng)緩慢，此處等效應(yīng)力也較大，下壓到50%時(shí)，渦旋部分開始流動(dòng)，流速比較快，外圈邊緣有產(chǎn)生飛邊的趨勢，金屬流動(dòng)不規(guī)則，但是最大凹槽處金屬流動(dòng)仍然緩慢；隨著繼續(xù)下壓，直到最后階段，都呈現(xiàn)出渦旋部分流速較大，其余部位流速一般的情況。分析局部開口部位整體成形過程，可以看到開口部位在開始成形的階段就出現(xiàn)了斜坡缺陷（開口上部并未與模具貼合），這個(gè)缺陷隨著成形過程的加深不斷變得明顯，雖然在模擬過程中，最后會有一個(gè)整形階段將這個(gè)缺陷消除，但是根據(jù)實(shí)際的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，這個(gè)缺陷在最后的成形階段并不會消除，會一直存在，且改變法蘭的高度對于此缺陷并不會有所改善。從金屬的速度場可以看出開口上端直角的地方，雖然一直有向模具槽口處流動(dòng)的金屬進(jìn)行充填，但是在實(shí)際的生產(chǎn)中一直存在填充不滿的缺陷，如圖4所示，可以看到最后成形零件在槽口處有明顯的斜坡缺陷，且無法消除缺陷。

成形工藝改進(jìn)

圖3 成形過程整體與局部（最大凹槽處）速度場分布

圖4 靜渦旋盤試制零件實(shí)物圖

根據(jù)金屬的流動(dòng)規(guī)律，我們提出對于這個(gè)開口的成形可以在預(yù)鍛坯料中提前開槽，采用進(jìn)行提前成形的方式，從而減弱成形過程中由于缺口的存在，造成金屬流動(dòng)困難的現(xiàn)象。圖5所示為開槽坯料的示意圖和變形過程中的速度場圖，可以看到提前預(yù)制開口的成形使得開口處的成形應(yīng)變大大減小，有利于減少模具的磨損，但是可以看到在成形過程中開口處存在階梯（75%壓下量中較為明顯）。根據(jù)速度場可以看出，雖然我們進(jìn)行了預(yù)開口，但是這個(gè)開口是無法滿足最后的成形開口需要的，在成形開口的過程中，底部基元的金屬會向上流動(dòng)，由于上部模具內(nèi)部存在空間，這個(gè)預(yù)先的開口形狀會一直在成形過程中保持，所以會形成開口處的臺階缺陷。模擬中最后成形完美，但是在實(shí)際生產(chǎn)中這個(gè)缺陷會一直存在，由于預(yù)制坯料中缺口槽的存在，在最后的成形中更利于缺口處的成形，因此我們對于缺口的形狀及尺寸進(jìn)行了進(jìn)一步對比模擬（圖6）。

根據(jù)前期的模擬分析，我們對于預(yù)制坯料缺口的形狀主要進(jìn)行了三個(gè)方面的調(diào)整：⑴缺口變??；⑵缺口變大；⑶缺口處帶斜坡。主要的目的是改變?nèi)笨谔幍慕饘倭鲃?dòng)方式，實(shí)現(xiàn)零件槽口的完美成形。經(jīng)過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)制坯料的缺口變小時(shí)，無論我們怎么調(diào)整預(yù)制坯料的其余參數(shù)（比如法蘭高度，基元厚度等），均無法消除最后零件槽口處充填不滿的缺陷；當(dāng)預(yù)制坯料缺口帶上斜坡或者是變大時(shí)，分析坯料在后期的成形過程，發(fā)現(xiàn)對于缺口處充填不滿的缺陷有明顯的改善，因此我們綜合考慮，采用缺口變大并帶上斜坡的預(yù)制坯，進(jìn)行模擬探索。最終的模擬結(jié)果如圖7所示，試驗(yàn)試制實(shí)物（經(jīng)過處理）如圖8所示，可以發(fā)現(xiàn)根據(jù)最終的模擬工藝進(jìn)行試驗(yàn)試制，零件缺口處充填良好，得到了成形質(zhì)量良好的零件。

圖5 開槽坯料的示意圖和變形過程中的速度場圖

圖6 變?nèi)笨谂髁?/p>

圖7 最終結(jié)果圖與載荷行程圖

圖8 試驗(yàn)試制實(shí)物

結(jié)論

在原有模型基礎(chǔ)上，針對成形過程中零件缺口處充填不滿的缺陷，對預(yù)制坯料的形狀進(jìn)行了探索。發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)制坯料采用帶缺口槽和斜坡的形狀，且槽口寬度大于零件缺口尺寸時(shí)，可以改善坯料在成形過程中的金屬流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零件的最終良好成形，并最終進(jìn)行了零件試制，生產(chǎn)出的零件成形質(zhì)量良好。