D變頻鑄件氣缸分析

摘要：本文以D變頻機種為例，對鑄件氣缸進行深入研究。本文首先簡單介紹了砂型鑄件材料，提出了3種鑄件氣缸加強方案設計，然后進行了方案可行性CAE分析與變形量測試分析，并以此為重要依據，提出了相應有效的改善方案，并對改善后金型鑄件氣缸進行了變形量測試分析，最后進行了咬合試驗。

1.砂型鑄件材料簡介

砂型鑄造是一種以砂作為主要造型材料，制作鑄件的傳統鑄造工藝。因DISA鑄造設備的應用，使得砂型鑄造的金屬零件生產效率及零件質量得到大幅提高。本文所使用的砂型氣缸材料牌號為FC250。金型材料密度為7.1g/cm3，砂型材料密度為7.3g/cm3，粉末冶金材料密度6.82g/cm3。因為彈性模量和泊松比因實驗條件是比較有限的，所以本文參考《材料參數測定和制訂》。通過測量后不難發現，彈性模量為粉末冶金>金型材料>砂型材料，材料密度為砂型>金型>粉末冶金。考慮到氣缸變形主要與彈性模量有關，因此需要對鑄件氣缸進行加強方案設計。

2. 鑄件氣缸加強方案設計

鑄件材料氣缸變形量大于粉末冶金氣缸，主要是因為鑄件的彈性模量小于粉末冶金材料，在材料不變的情況下，本文對鑄件氣缸的結構方面進行加強。因氣缸變形量主要體現在葉片槽變形。為了與粉末件氣缸形成互為替代的產品，因此氣缸內部結構，鑄件與粉末件氣缸應該保持一致，因此只能從氣缸外部進行加強。

在本文中，本文共設計3種鑄件氣缸加強方案，即：方案一，氣缸外徑從Φ65→Φ69，通過加強氣缸壁的厚度來提高氣缸的整體強度。方案二，氣缸扇形面加強，因為主要是葉片槽變形，因此考慮加強扇形面來降低葉片槽變形量。方案三，氣缸外徑和扇形面同時加強。

3.方案可行性CAE分析

為驗證上文提及的3種方案的效果，對三種方案分別代入三種材料的性能參數（密度、彈性模量、泊松比），通過進行CAE分析，驗證三種分案的理論加強效果。其中，CAE分析計算條件包括：（1）材料參數;（2）三種方案三維模型;（3）施加載荷為螺栓預緊力12N/m和最大吸排氣壓力。

從CAE分析結果看，以粉末冶金氣缸的變形量差值為標準值，其中方案一和方案三是達到了加強氣缸減少葉片槽變形量這個目標的。在方案一和方案三之中比較，方案三是優于方案一，但考慮到設計一款產品，生產成本最優，性能足夠就行，方案一和方案三都符合設計目標，但是方案三明顯性能過剩且成本高于方案一，因此選擇設計方案一為最終方案。在材料上考慮到金型鑄件彈性模量優于砂型鑄件，理論和實際有偏差，因此選擇金型鑄件。

4.變形量測試分析

4.1裝配變形量

第一，粉末件氣缸裝配變形量范圍為2um～-4.5um;第二，鑄件氣缸的裝配變形量范圍為2um～-5um。

從裝配變形量看，加強后的鑄件氣缸裝配變形量與粉末件氣缸變形量相差不大，鑄件氣缸有0.5um的差距。

4.2焊接變形量

第一，粉末件氣缸焊接變形量范圍為2um～-6um;第二，鑄件氣缸焊接變形量范圍為0um～-7um。由此不難發現，雖然鑄件氣缸的焊接變形量最大值與粉末冶金僅相差1um，但是從整體上進行分析，鑄件氣缸的葉片槽變形量比粉末冶金氣缸大。達不到量產要求。因此后續壽命試驗取消，進行加強方案改善，待鑄件氣缸葉片槽焊接變形量達到與粉末件氣缸在進行壽命試驗。

5.改善方案

改善可以從以下兩方面進行，即：

第一，因為原加強方案的金型鑄件氣缸其裝配變形量和焊接變形量雖達不到量產品粉末冶金氣缸的要求，但相差也不大，可以對原方案一加強結構進行進一步加強。第二，對金型鑄件氣缸其變形量比粉末冶金氣缸大，主要原因在于鑄件材料的彈性模量小于粉末冶金材料，因此我們可以通過提高鑄件材料的彈性模量來達到減小變形量的目的。

對于上述兩個優化方案，第一個方案經測算，其生產成本遠大于現有粉末冶金氣缸成本，因此不具有實現量產的條件。因此選擇第二種優化方案。

要提高一種合金金屬材料的彈性模量，只能通過更改其中化學成分比例來實現。本次對材料化學成分進行調整，主要是減少碳當量和增加Sn元素。減少碳當量的目的在與減少石墨的形成。增加Sn元素的目的在于增加珠光體的含量，珠光體的韌性和抗拉強度好，增加其在基體中的含量，可以有效提高鑄件的彈性模量。通過進行化學成分的調整，金型鑄件材料的彈性模量成功從131.15GPa提高到144.22GPa。后續彈性模量提高后的材料鑄出的金型氣缸進行裝配變形量和焊接變形量實際測量。

6.改善后金型鑄件氣缸的變形量測試分析

本文對改善后的金型鑄件氣缸再一次進行了裝配變形量和焊接變形量測驗，結果如下文所示。

6.1鑄件氣缸裝配變形量

材料彈性模量提高后，裝配變形量的測量結果為1um～-5um。第一次加強方案裝配變形量為2un～-5um。兩次裝配變形量結果差異不大。

6.2焊接變形量結果：

焊接變形量測量結果為2um～-5um。相比第一次加強方案的焊接變形量結果0um～-7um，本次材料彈性模量提高后，金型氣缸的焊接變形量有了明顯的改善。與批量的粉冶金氣缸相比，粉末冶金為2um～-6um，鑄件氣缸為2um～-5um，本次鑄件氣缸焊接變形量已達批量粉末冶金氣缸水平。

7.咬合試驗

本文共進行兩次咬合試驗，具體情況如下表1所示。

2. 1臺曲軸短軸止推面局部磨耗12.2（要求10um以下）

通過分析上表后可知，兩次咬合氣缸葉片槽磨耗情況一致，葉片端面異物殘留。

參考文獻

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作者簡介：楊辰軼（1991年2月24日），男，漢，上海，本科，助理工程師，單位：上海海立電器有限公司.

（上海海立電器有限公司 ?上海 ?201206）