渦旋盤背壓擠壓成形工藝研究及模具分析

合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（安徽 230009）李 君 孔 炎 薛克敏

合肥匯能汽車零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司（安徽 230031）田 莊

渦旋盤是汽車空調(diào)渦旋壓縮機核心零件之一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，并且要具有良好的抗振性能、耐腐蝕性、耐磨性，以保證必要的使用壽命。采用傳統(tǒng)加工方法無法滿足性能要求，采用常規(guī)擠壓成形難以有效控制因壁厚不均勻?qū)е碌某尚胃叨炔灰恢?，生產(chǎn)效率和材料利用率很低。近年來，在閉式模鍛的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的金屬流動控制成形技術(shù)（Flow Control Forming，簡稱FCF），可以精確控制金屬材料的非均勻性流動，提高零件成形性能，實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的精密成形。目前，國內(nèi)已有少數(shù)科研院所和企業(yè)對該項技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。本文基于金屬流動控制成形原理，采用背壓擠壓成形技術(shù)來成形渦旋盤，并對其模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，采用數(shù)值模擬與物理實驗相結(jié)合的方法，分析關(guān)鍵模具的強度和彈性變形，驗證工藝的適用性和模具結(jié)構(gòu)的合理性，為實際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1.零件結(jié)構(gòu)分析

本文研究對象為渦旋盤靜盤，如圖1所示，渦旋壁厚從3.5～13mm不等，渦旋部分高度為34mm，渦旋壁后續(xù)機加工單邊余量必須保證在0.65mm以內(nèi)，端部加工余量在1mm?？梢钥闯鲈摿慵某尚侮P(guān)鍵在于渦旋部分的成形，保證渦旋壁均勻的加工余量和良好的端部平整度是關(guān)系到能否加工出合格零件的至關(guān)重要的因素。

圖1 渦旋盤零件

2.流動控制成形數(shù)值模擬

本文基于金屬流動控制成形原理，采用背壓擠壓成形工藝，即在擠壓出口處放置一個受背壓作用的工具，用來調(diào)整擠壓的速度，獲得相同的擠壓長度，從而可以減小鍛造后平整端部的車削加工。將背壓擠壓成形工藝與常規(guī)擠壓一起研究，進(jìn)行工藝對比，圖2所示為常規(guī)擠壓成形零件在不同壓力下時的成形效果，由于渦旋末端很接近基圓外徑以至于在成形過程中補料較其他部位困難，擠出長度最短。渦旋部分高度不一致，相差較大，端面不整齊，需要大量的機械加工。圖3所示為采用背壓擠壓成形工藝時，零件的成形效果。渦旋端部平整，整體高度一致，達(dá)到了凈成形的程度。

圖2 常規(guī)擠壓成形渦旋盤

圖3 背壓擠壓成形渦旋盤

3.模具結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）凹模設(shè)計 在構(gòu)成渦旋盤背壓擠壓成形模具的全部零件中，凹模和坯料直接接觸，并參與變形過程，擠壓時，凹模在靜態(tài)高壓、強烈沖擊和巨大摩擦的作用下，會產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，是所有模具中工作環(huán)境較為惡劣的，凹模的變形或破裂不僅直接影響渦旋盤的尺寸，更難以成形出合格產(chǎn)品，因此凹模的設(shè)計采用兩層組合結(jié)構(gòu)，這種組合結(jié)構(gòu)能夠有效降低凹模的彈性變形，抵消切向拉應(yīng)力，保證零件成形質(zhì)量，提高模具整體使用壽命。根據(jù)總直徑比d3/d1=4～6及d2=（d1d3）1/2，其中d1為凹模內(nèi)徑，計算組合凹模直徑分別為 d2=2d1=180mm；d3=4 d1=360mm。示意圖及實物如圖4所示。

圖4 組合凹模

下面對組合凹模進(jìn)行強度分析，掌握其在成形過程中的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布。凹模受力如圖5所示，其值為渦旋盤成形過程中凹模受力大小，方向沿凹模徑向，最大受力值為28.8k N，分布在與坯料接觸的凹模上端面及渦旋壁表面。

圖5 凹模受力圖

對凹模進(jìn)行應(yīng)力分析，模擬結(jié)果如圖6所示，最大等效應(yīng)力值為1780MPa，發(fā)生在A處，即模具渦旋根部，該處連接模具渦旋部分與外緣部分，在成形過程中，不僅受坯料向下的充填力，還受到渦旋部分金屬的拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力集中。從凹模截面的應(yīng)力分析圖來看（見圖6b），凹模應(yīng)力集中發(fā)生在與坯料接觸的表層部分，深度不大，與坯料接觸的渦旋部分應(yīng)力主要在600～1000MPa，低于所有可用模具鋼的屈服強度，但在物理實驗或?qū)嶋H生產(chǎn)時，需選用強度更高的模具鋼，例如Cr12Mo V 、W6Mo5Cr4V2等，才能保證模具較長的使用壽命。

圖6 凹模應(yīng)力分析圖

（2）模具結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)渦旋盤背壓擠壓成形工藝對背壓系統(tǒng)的要求，設(shè)計符合生產(chǎn)要求的模具工裝，如圖7所示，為了簡化模具結(jié)構(gòu)、降低成本，此處氮氣彈簧提供背壓力。加工后的模具工裝如圖8所示。

圖7 渦旋盤流動控制成形模具簡圖

圖8 模具實物圖

4.物理試驗

渦旋盤背壓擠壓成形試驗在1000k N模鍛液壓機上進(jìn)行，通過操作系統(tǒng)控制凸模的位移，達(dá)到設(shè)定的成形高度即停止加載，起到保護模具、精確成形的效果。選用石墨潤滑劑分別對模具和坯料進(jìn)行潤滑，坯料材料為4032鋁合金。用電阻爐將其分兩段加熱到450℃，兩段加熱中間浸石墨，模具預(yù)熱至200℃，然后將坯料取出放入凹模進(jìn)行擠壓成形。成形的渦旋盤如圖9所示，渦 旋盤端面成形高度基本一致，渦旋壁厚余量控制均勻，無毛刺、飛邊等缺陷，經(jīng)過機械加工表面后，可以得到合格的零件。

圖9 背壓擠壓成形零件

5.結(jié)語

渦旋盤零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用常規(guī)擠壓成形零件端面高度不一致，相差很大，而基于金屬流動控制成形原理，采用背壓擠壓成形工藝成形渦旋盤零件，零件端面平整、高度一致，只需少量的機械加工即可得到合格零件，實現(xiàn)了該零件的近凈成形，對背壓擠壓成形工藝進(jìn)行模具設(shè)計和凹模強度分析，掌握了凹模的應(yīng)力分布和受力狀態(tài)，試驗獲得了合格的零件，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。