新能源汽車4032 鋁合金渦旋件背壓成形數值模擬與實驗研究

時迎賓，薛世博,，段園培，石文超，薛克敏

（1.合肥工業大學，合肥 230009；2.安徽工程大學，安徽 蕪湖 241000）

汽車空調裝置的核心是制冷壓縮機，渦旋式壓縮機是目前最常見的一種，具有體積小、重量輕等眾多優點[1]。渦旋盤是渦旋式空調壓縮機的核心部件，其傳統的加工方法包括液態模鍛、機械加工、低壓鑄造等。文中渦旋盤所用材料為4032 合金，由于硅（Si）含量高，合金的塑性較差[2—6]，塑性成形技術可以有效地壓實合金的內部孔隙[7—8]。傳統的擠壓工藝會出現零件表面不均勻。許多學者研究了背壓擠壓成形4032 鋁合金渦旋盤，分析了背壓距離和背壓力等工藝參數對零件成形質量的影響[1,9]。這些研究主要針對的是傳統結構渦旋盤成形，與傳統渦旋盤相比，新能源汽車的渦旋盤具有一個一定高度和厚度的外圈，結構上相對更復雜。由于外圈補料不足，背壓擠壓成形新能源汽車渦旋盤易出現充填不滿、模具破裂等缺陷，且關于這種渦旋盤背壓擠壓成形方法尚未見報道。

文中為了探究新能源汽車空調壓縮機核心部件-渦旋盤的成形工藝及成形過程中會產生的問題，進行了有限元模擬，分析了渦旋盤成形過程中應力應變場分布、成形規律及成形缺陷的產生原因。最后展開實驗，將模擬結果與實驗結果分析對比，驗證工藝方案可行性。

1 工藝分析與成形方案

圖1 顯示了4032 鋁合金渦旋盤鍛件的三維（3D）模型。新型渦旋盤的外圈高度和壁厚大于中間渦旋部分的高度和壁厚，基底的直徑大于外圈外徑，并且在外圈上具有3 個凹槽。外圈的成形是鍛件成形的難點。

圖1 4032Al 渦旋盤零件Fig.1 4032 aluminum alloy scroll

無背壓擠壓成形渦旋盤時，由于渦旋部分不同區域壁厚不同，有的區域補料相對困難，導致成形后的渦旋部分高度差別較大。為了使渦旋各部分高度均滿足要求，補料充足部分的高度要遠遠超過零件尺寸要求，而這會造成材料的極大浪費，并且金屬變形的不均勻性，會造成金屬流線分布不均勻和表面裂紋等缺陷，嚴重影響使用性能。根據零件的結構特點，將背壓擠壓與閉式擠壓技術結合起來。同時鑒于零件的外圈高度大于渦旋高度，為了確保能夠滿足其外部尺寸，增加了預鍛步驟，使用預鍛后的坯料成形鍛件，工藝流程如圖2 所示。

圖2 工藝流程Fig.2 Process program diagram

2 數值模型建立與實驗方法

2.1 有限元模型

為了驗證工藝方案的可行性并確定成形過程，采用Deform-3D 軟件進行有限元仿真分析。工藝流程的有限元模型如圖3 所示，將預鍛后的坯料用作終鍛成形的坯料。設置坯料為塑性體，初始溫度為450 ℃，采用四面體網格，網格數目為120 000。設置模具為剛體，初始溫度為200 ℃，擠出速度為10 mm/s。設定摩擦模型為剪切摩擦，摩擦因數為0.12，背壓為20 t。材料為4032 鋁合金，其流動應力模型參考陳強[10]的研究結果，見式（1）。

圖3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 實驗方法

在6300 kN 超精密等溫超塑成形液壓機上進行了渦旋背壓擠壓成形試驗。實驗材料為4032 鋁合金，實驗時將坯料放入加熱爐中加熱至 450 ℃保溫30 min，并通過加熱環將加熱模具加熱至200 ℃，用石墨涂刷坯料表面，放入模具中以制備預鍛坯料，下壓速度設定為10 mm/s。預鍛完成后，將預制坯料放入加熱爐中，再加熱至450 ℃，保溫10 min，然后將預鍛坯料放入成形模具中進行背壓擠出。

3 結果與分析

3.1 模擬分析

預鍛工序的載荷-行程曲線步驟及成形過程如圖4 所示，可以看出，預鍛過程分為2 個階段。第1 階段，載荷開始施加在毛坯上，載荷迅速增加，然后外圈反擠成形（見圖4a），金屬穩定流動，負載穩定在100 t 左右。第2 階段，反擠的外圈金屬逐漸充滿型腔，外圈開始整形（見圖4b），金屬填充拐角處，載荷急劇增大。

圖4 預鍛工序的載荷-行程曲線Fig.4 Stroke-load curve of pre-forging process

圖5 終鍛工序的載荷-行程曲線Fig.5 Stroke-load curve of final forging process

圖6 終鍛過程中的速度場Fig.6 Velocity field during final forging process

圖5、圖6 顯示了終鍛成形過程的載荷-行程曲線及金屬流動過程?？梢钥闯?，成形過程分為3 個階段：第1 階段主要是成形渦旋基底，基底底部反擠壓成形，金屬主要從中間向周圍流動（見圖6a），基底底部逐漸填充，拐角處充滿（見圖5a），由于金屬反擠及背壓作用，金屬流動阻力增加，載荷快速上升；行程到達30%時進入第2 階段，第2 階段同時形成外圈和中間渦旋部分，由于背壓對中間渦旋部分的影響，渦旋部分的金屬流動較慢，外圈金屬流動較快。此外，由于渦旋部分的結構不對稱，外圈中金屬流速也不一致，沒有與渦旋部分接觸的外圈金屬流動更快（見圖6b）。外圈開始整形后，金屬填充拐角處，載荷迅速增加。行程到達84%時進入第3 階段，第3 階段渦旋盤的基底和外圈已經基本成形完整，主要成形中間渦旋部分。金屬流動集中在渦旋部分，越是靠近中心位置，流動越快（見圖6c）。由于外圈端面與模具接觸，載荷保持較大噸位，相對穩定在約400 t。成形結束時，渦旋部分的流速基本相同（見圖6d）。

成形后渦旋盤的等效應力和等效應變的分布如圖7 所示。在成形過程中，隨著壓下量的增加，渦旋根部由于形變量較其他部分更大，存在應力集中現象。成形快結束時，外圈已經充滿，沖頭繼續下壓使頂部應力增大（見圖7a）。渦旋根部和外圈頂部的最大等效應力在300 MPa 左右，而初始4032 鋁合金的屈服強度在323 MPa 左右，所以不會發生斷裂等情況。在渦旋部分和外圈中，等效應變逐漸從端部到根部逐漸增加（見圖7b）。最大等效應變也分布在渦旋部分根部，這是因為根部金屬被擠入渦旋部分并且變形很大。由于根部的等效應力和等效應變較大，實際生產中根部的成形質量需要特別注意。

圖7 等效應力場和等效應變場Fig.7 Equivalent stress and equivalent strain

3.2 “兩步法”實驗結果分析

圖8 為實驗件，經測量渦旋盤渦旋部分端面平整，飛邊較少，外圈成形完整，凹槽部分成形完整，鍛造完成后的渦旋盤沒有充填不滿等缺陷，模具無明顯損傷。

圖8 渦旋盤鍛件Fig.8 Scroll forging

4 結論

1）預鍛獲得的外圈引導金屬流動，槽部分充填完整，外圈高度基本相同?！皟刹椒ā背尚慰梢垣@得充填完整，質量良好的渦旋盤。

2）終鍛過程分為3 個階段：第1 階段主要是成形渦旋基底；第2 階段同時形成外圈和中間渦旋部分，由于背壓對中間渦旋部分的影響，渦旋部分與外圈金屬流動速度不一致，同時渦旋部分結構不對稱，外圈中金屬流速也不一致；第3 階段主要形成旋渦的中間部分。

3）在終鍛過程中，渦旋根部由于形變量較大，存在應力集中現象。在終鍛快結束時，外圈已經充滿，頂部應力增大。

4）采用設計的模具進行實驗，成形的4032 鋁合金渦旋盤無充填不滿等缺陷。