文／李君，李凌風(fēng)，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院田莊·合肥匯能汽車零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司

汽車空調(diào)渦旋盤背壓擠壓成形工藝研究與模具設(shè)計(jì)

文／李君，李凌風(fēng)，薛克敏·合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院田莊·合肥匯能汽車零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司

將基于流動控制成形的背壓擠壓工藝用于汽車空調(diào)渦旋盤的成形，可有效避免常規(guī)擠壓成形渦旋高度不一致的缺陷。采用數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究該工藝的實(shí)際生產(chǎn)情況和模具結(jié)構(gòu)的合理性，通過對凹模的強(qiáng)度分析和模具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，獲得了理想的渦旋盤零件及合理的模具結(jié)構(gòu)。

動、靜渦旋盤是應(yīng)用于空調(diào)渦旋壓縮機(jī)上的主要零件，其加工精度特別是渦旋體的形位公差有很高的要求，端部平面的平面度以及端部平面與渦旋體側(cè)壁面的垂直度應(yīng)控制在微米級。采用數(shù)控加工及擠壓鑄造成形技術(shù)可以得到形狀、尺寸較為理想的制件，但材料利用率低；采用常規(guī)擠壓成形技術(shù)，難以保證零件端面高度一致；而基于流動控制成形的背壓擠壓工藝則可以有效克服上述缺點(diǎn)，并且可有效提高材料的塑性成形性能。因此，本文利用流動控制成形原理對渦旋盤背壓擠壓成形工藝進(jìn)行研究，研究結(jié)果可為同類復(fù)雜結(jié)構(gòu)件提供理論依據(jù)，推廣金屬流動控制成形技術(shù)的應(yīng)用。

渦旋盤結(jié)構(gòu)分析

渦旋盤的擠壓件尺寸如圖1所示，材料為4032鋁合金，渦旋壁厚從3mm到13.2mm分布不均，渦旋部分高度為34mm，渦旋壁單邊機(jī)加工余量必須保證在0.65mm以內(nèi)(不計(jì)渦旋最外側(cè)部分），端部加工余量為1mm左右，可以看出該零件的成形關(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 渦旋盤擠壓件的尺寸圖

無背壓擠壓成形

無背壓擠壓成形模擬采用的仿真力學(xué)模型如圖2所示，以靜盤為模擬對象，模型中只有凸模、凹模和坯料，凹模腔有足夠的深度，而且采用開放式，不會阻礙端部的金屬流動，可對成形結(jié)束后的渦旋高度變化進(jìn)行對比分析。

圖2 無背壓擠壓成形模型

如圖3所示是無背壓擠壓成形的模擬結(jié)果，由于渦旋末端很接近基圓外徑以至于在成形過程中補(bǔ)料較其他部位困難，擠出長度最短；渦旋部分整體高度不一致，相差較大，端面不整齊，需要大量的機(jī)械加工，不利于批量化生產(chǎn)；并且由于金屬變形不均勻，故會導(dǎo)致零件內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力，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。

圖3 無背壓擠壓不同壓下量下的成形情況

背壓擠壓成形

成形效果分析

背壓擠壓成形是基于金屬流動控制成形原理，在閉式模鍛的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型精密塑性成形工藝。通過在模腔設(shè)置背壓工具以達(dá)到控制金屬不同部位流動速度的效果，使最終成形的零件在形狀、精度上滿足生產(chǎn)要求。由于采用常規(guī)擠壓成形渦旋盤存在成形高度不一致及裂紋等缺陷，材料利用率很低，因此考慮將流動控制成形原理應(yīng)用在渦旋盤的擠壓成形中，以期望獲得相同的渦旋擠壓長度，省略鍛后平整端部的機(jī)械加工，有效提高材料利用率。如圖4所示為背壓擠壓成形渦旋盤的模型，在常規(guī)擠壓模型的基礎(chǔ)上，增加了背壓體，在背壓體上施加與金屬流動方向相反的背壓力，以阻止流動速度較快部位的金屬成形速度。其中，背壓力和背壓距離的大小可調(diào)，金屬向下充填施加在背壓體上的力大于背壓力時，坯料與背壓體一起向下運(yùn)動。

圖4 背壓擠壓模型

如圖5所示是背壓擠壓成形的模擬結(jié)果?？梢钥闯觯S著壓下量的不斷增大，渦旋端面由起初的成形高度有差異慢慢趨于一致，并且端部平整度也明顯改善，端部加工余量在1mm，有效避免了在常規(guī)擠壓成形工藝中出現(xiàn)的缺陷。

等效應(yīng)力與應(yīng)變分布

如圖6所示為成形后渦旋盤零件的整體等效應(yīng)力與應(yīng)變分布圖，因成形過程中底盤金屬向渦旋部分進(jìn)行補(bǔ)料，而外緣金屬因直徑最大、距離最遠(yuǎn)，故流動最困難，受到的拉應(yīng)力最大，流動行程最大，

圖6 等效應(yīng)力與應(yīng)變分布圖

圖5 背壓擠壓不同壓下量下的成形情況變形最劇烈，因此最大應(yīng)力和應(yīng)變都分布在底盤直徑外緣部分，其次是渦旋根部，因向渦旋部分流動，受到拉應(yīng)力作用，其應(yīng)力也較大，符合渦旋盤成形規(guī)律。最大應(yīng)力只有120MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于4032鋁合金的屈服強(qiáng)度，這是因?yàn)椴捎帽硥簲D壓成形工藝，金屬在模腔里處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，這種狀態(tài)能夠有效提高材料的塑性變形能力，改善零件的成形質(zhì)量。

模具設(shè)計(jì)

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(jì)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，此處選用氮?dú)鈴椈商峁┍硥毫Α?/p>

圖7 渦旋盤背壓擠壓成形模具簡圖

對模具中的凹模進(jìn)行應(yīng)力分析，如圖8所示，在凹模渦旋根部的位置發(fā)生較大的應(yīng)力集中，因該處連接渦旋部分與外緣部分，故不僅受到坯料向下的充填力，還受到渦旋部分金屬的拉應(yīng)力，而采用圖7的模具結(jié)構(gòu)，凹模渦旋部分處于懸空狀態(tài)，凹模除了有較大的局部應(yīng)力集中之外，渦旋部分還發(fā)生了較大的Z向位移，這種情況可能會導(dǎo)致模具在該處的斷裂。如圖9所示為渦旋盤背壓擠壓成形實(shí)驗(yàn)前凹模實(shí)物圖及實(shí)驗(yàn)后斷裂圖，斷裂部位恰好是渦旋根部，這說明圖7的模具結(jié)構(gòu)雖然簡單緊湊，但難以保證凹模強(qiáng)度，需對模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖8 凹模等效應(yīng)力分布圖

圖9 實(shí)驗(yàn)前后的凹模

如圖10所示為改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)和實(shí)際工裝，相對于圖7，將氮?dú)鈴椈芍芟蚓迹捎靡簤簷C(jī)的頂桿進(jìn)行頂料；增加了凹模墊板和頂桿，改善了原來模具結(jié)構(gòu)中凹模的受力狀態(tài)；其他主要模具零部件的結(jié)構(gòu)不變。如圖11所示是改進(jìn)后凹模的等效應(yīng)力分布圖，可以看出，渦旋根部雖然仍有應(yīng)力集中，但已降至1720MPa，凹模整體受力較均勻，由此可見，改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)提高了凹模的強(qiáng)度和整體模具的使用壽命。

圖10 改進(jìn)后的模具結(jié)構(gòu)和實(shí)際工裝

實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)在1000kN液壓機(jī)上進(jìn)行，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12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，表面經(jīng)過機(jī)械加工后，可以得到合格的零件。

圖11 改進(jìn)后凹模的應(yīng)力分布

圖12 成形的渦旋盤

結(jié)束語

渦旋盤零件具有特別的結(jié)構(gòu)和精度要求，采用常規(guī)擠壓成形會出現(xiàn)端面成形高度不一致的缺陷，材料利用率極低，而采用基于流動控制成形原理的背壓擠壓成形工藝則能夠有效解決這一難題。本文研究了采用背壓擠壓成形工藝成形該零件的合理性，并對金屬內(nèi)部應(yīng)力與應(yīng)變分布進(jìn)行了研究和分析，采用數(shù)值模擬和物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了該工藝成形渦旋盤零件的適用性，并設(shè)計(jì)了專用的模具工裝，通過對模具的改進(jìn)和強(qiáng)度分析，背壓擠壓成形工藝能很好的成形出渦旋盤零件，所得到的零件滿足形狀精度要求。

李君，碩士，主要研究方向?yàn)榫芩苄猿尚渭夹g(shù)及模具設(shè)計(jì)。