新能源空調(diào)壓縮機(jī)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(yè)大學(xué)

新能源汽車是未來(lái)汽車發(fā)展的方向，作為汽車空調(diào)壓縮機(jī)的重要零部件——軸承座的合理設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)制造，對(duì)確保壓縮機(jī)性能和降低成本具有十分重要的意義。在汽車空調(diào)壓縮機(jī)里，軸承座與高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸和渦旋盤相互配合，在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)和高應(yīng)力值之下，高速而長(zhǎng)時(shí)間地工作，對(duì)其有很高的性能要求。傳統(tǒng)的重力鑄造生產(chǎn)效率較低，易產(chǎn)生氣孔、縮松等內(nèi)部缺陷，隨著新能源汽車銷量日益增加，顯然已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求。本文采取以鍛代鑄的方法，用DEFORM-3D對(duì)新能源汽車空調(diào)壓縮機(jī)軸承座成形進(jìn)行數(shù)值模擬，分析成形過(guò)程中金屬流動(dòng)規(guī)律，提出了預(yù)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(jī)械性能，提高材料利用率，還能大大提高生產(chǎn)效率。

零件分析

結(jié)構(gòu)分析

新能源汽車空調(diào)壓縮機(jī)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(fù)雜、壁厚?。ㄗ畋√庍_(dá)到4mm）、內(nèi)部階梯較多的特點(diǎn)。其成形過(guò)程中金屬流動(dòng)性差，鍛造載荷陡增，坯料容易出現(xiàn)拉裂、折疊和充填困難等問(wèn)題。

圖1 軸承座三維圖

一步成形

采用閉式模鍛的方法對(duì)原始坯料進(jìn)行一次鍛壓成形。根據(jù)定位關(guān)系及體積不變?cè)瓌t，設(shè)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(shè)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(kù)倫摩擦模型，根據(jù)生產(chǎn)條件設(shè)置摩擦因數(shù)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?？梢钥闯?，兩種方案下工件的損傷值均超過(guò)1，且集中分布在階梯處的外表面，這是由于此處壁薄、內(nèi)腔深，且4032鋁合金塑性較差，在一次成形中易出現(xiàn)拉裂、折疊、載荷過(guò)高等問(wèn)題。

圖2 損傷值分布

兩步成形

為避免一步成形中出現(xiàn)拉裂、載荷高等問(wèn)題，提出用預(yù)鍛+終鍛的兩步鍛造工藝成形該零件，同時(shí)為保證各處金屬流動(dòng)平穩(wěn)，使金屬處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，減少成形過(guò)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(jìn)行成形，有限元模型如圖3所示。先對(duì)圓柱體坯料預(yù)鍛成形出帶有臺(tái)階的預(yù)鍛坯料，再用預(yù)鍛坯料成形出軸承座。參數(shù)設(shè)置與一步成形中的一致，其中，背壓體需要單獨(dú)施加移動(dòng)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(dòng)，在坯料接觸到背壓體時(shí)開始施加背壓力，當(dāng)背壓體接觸到限位板的時(shí)候停止運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行閉式擠壓。

成形過(guò)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(nèi)部階梯較多，設(shè)置了兩種情形進(jìn)行對(duì)比，如圖4所示。其中方案三為底部無(wú)槽階梯形坯料：基圓φ90mm×12mm，凸臺(tái)φ48mm×13mm；方案四為底部有槽階梯形坯料：基圓φ91mm×11.7mm，凸臺(tái)φ48mm×16mm，底部凹槽φ43mm×4mm。從模擬結(jié)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(wèn)題，且最終的成形載荷小于90t，在當(dāng)前設(shè)備的承受范圍之內(nèi)。

圖6所示為軸承座成形時(shí)金屬流動(dòng)的速度場(chǎng)?？梢钥闯?，當(dāng)金屬流動(dòng)一段距離后接觸到?jīng)_頭階梯處時(shí)，開始出現(xiàn)金屬分流，部分金屬會(huì)受到下沖頭的作用而向上流動(dòng)，當(dāng)與向下運(yùn)動(dòng)的金屬匯流時(shí)產(chǎn)生折疊缺陷。而無(wú)槽坯料在成形時(shí)，金屬流動(dòng)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(dòng)的阻力小，因此速度場(chǎng)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(dòng)受到干涉，流動(dòng)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(chǎng)分布

圖7 應(yīng)力分布

模具應(yīng)力分析

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

結(jié)論

⑴對(duì)一步閉式模鍛進(jìn)行兩種尺寸坯料的對(duì)比模擬，發(fā)現(xiàn)一次成形易出現(xiàn)拉裂、折疊、載荷過(guò)大等問(wèn)題。

⑵采用兩步鍛壓成形的方法，軸承座成形質(zhì)量好。在兩步模鍛成形中，設(shè)置兩種預(yù)鍛成形坯料，發(fā)現(xiàn)在底部有槽預(yù)鍛坯料成形時(shí)金屬流動(dòng)相對(duì)較優(yōu)，且終鍛成形過(guò)程中在背壓體的作用下，坯料處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，塑性提升，開裂傾向小。