新能源汽車4032鋁合金軸承座閉塞式背壓成形工藝數值模擬和實驗研究

田轍環，薛克敏，李萍

汽車輕量化集成制造專題

新能源汽車4032鋁合金軸承座閉塞式背壓成形工藝數值模擬和實驗研究

田轍環，薛克敏，李萍

（合肥工業大學 材料科學與工程學院，合肥 230009）

新能源汽車空調壓縮機軸承座有著薄壁、多階梯、外形復雜的特點，極易在成形過程中產生充填不滿、折疊和拉裂等質量問題，為提高其成形質量，對其成形工藝進行仿真和優化。對“T”形和“帽”形兩種預鍛坯料采用閉塞式背壓成形工藝的成形情況進行模擬，依據所得結果對相關工藝參數和配套模具進行相應的優化。在有背壓力的情況下，“T”形預鍛坯料的最大成形載荷由無背壓時的927 t降低至78.2 t，并且載荷上升穩定，各成形階段過渡平滑，易于調控。“帽”形坯料在成形過程中金屬的流動更加充分，模具型腔充填得更加飽滿，無“T”形坯料成形過程中的充不滿等情況。材料的Si顆粒偏聚也得到了改善，晶粒得到細化。背壓力的存在和預鍛坯料形狀的調控，使最終的成形載荷、成形質量以及零件的微觀組織有了極大的改善。

軸承座；背壓力；閉塞式成形；數值模擬；工藝優化

近20年來，世界性能源及環境問題變得越來越嚴重，二氧化碳排放量也在逐年上升，碳中和、碳達峰的“雙碳”政策也已經提升到了國家戰略層面[1]，這使減輕汽車自重、降低油耗、減少排放成了各大汽車生產企業提高競爭能力的關鍵。在各行業的石油消耗中，汽車工業是耗油大戶。交通運輸的溫室氣體排放量僅次于電力工業[2-3]，因此，汽車工業節能減排對于一個國家的能源供應、環境保護乃至國家安全都具有重要的意義[4-5]。

新能源汽車行業的蓬勃發展對其核心零部件提出了高性能、輕量化、功能高效化和低成本的要求。軸承座等薄壁變截面異型結構件，是新能源汽車渦旋式空調壓縮機的核心部件[6-7]，其輕量化要求及配合要求導致其具有表面形狀復雜、壁厚小、內部階梯較多的特點，為其成形和加工帶來了嚴峻的挑戰。

背壓力的存在可以提高零件難成形部位的成形質量，有效改善零件的變形均勻性，減小零件表面的裂紋傾向[8-9]。通過開設阻流槽和優化模具結構等方式控制材料的流變行為[10]，同樣可以改善材料流動不均衡的問題，使應力集中得到緩解，整體變形更加協調[11]。根據數值模擬結果，通過反向修正，對預制坯進行精準設計，控制材料在變形過程中的整體流動行為，可以有效調控開裂等缺陷的出現[12]，提高成形質量。

綜合應用背壓力調控、模具結構優化和預制坯優化等多種方法對軸承座的成形過程進行模擬和優化，對于提高軸承座的成形質量，達到整體化、精密化的成形要求，有著十分重要的意義。

1 工藝分析

圖1為新能源汽車空調壓縮機軸承座的尺寸和形狀，其基圓直徑為102 mm，最大高度為36.7 mm，最小壁厚為4 mm。此軸承座從上到下由4組階梯組成，其中位于上部的2組階梯為圓臺狀，第3組階梯截面為類正六邊形，最后一組階梯為直徑102 mm的圓臺。軸承座側壁厚度小，頂端存在凹槽，基圓直徑大，這就導致成形過程中金屬流動困難，頂部和側壁不易充填完整，存在折疊和拉裂的傾向[13]。

圖1 軸承座尺寸和外形

為了保證最后零件的成形質量，采用閉塞式背壓成形工藝，使坯料在成形過程中處于三向壓應力狀態，最大程度上避免充不滿和拉裂等缺陷的出現[14]。圖2為無背壓和有背壓的閉塞式成形模具示意圖。

圖2 有背壓和無背壓下閉塞式成形的模具示意

圖3a和b分別為“T”形和“帽”形預鍛坯料的示意圖，由于坯料形狀也會影響最終的成形質量，因此采用“T”形和“帽”形2種形狀的預鍛坯料分別進行成形模擬和工藝實驗，探究不同形狀坯料的成形規律，明確成形過程中的優化方向。

圖3 預鍛坯料示意

2 成形工藝仿真分析

2.1 成形數值模型的建立

首先利用UG建立如圖3所示的2種預鍛坯料的非熱力耦合三維模型，再依次建立如圖2所示的上模、下沖頭和背壓體的三維模型，然后采用Deform有限元分析軟件進行有限元數值模擬。模具溫度為20 ℃，坯料溫度為420 ℃。摩擦類型選為剪切摩擦，數值為0.25。材料為4032鋁合金，本構方程如下[15]：

2.2 成形數值模擬結果分析

圖4為“T”形預鍛坯料有背壓和無背壓時的成形載荷和模擬示意圖。從圖4a可以看出，有背壓力時成形載荷上升平穩，最大載荷為78.2 t，遠小于無背壓時的927 t。有背壓力的存在，金屬在流動過程中處于三向壓應力的狀態，靜水壓力更大[16]，金屬易于流入型腔尖角及末端等難成形的部位，使型腔的充填更加飽滿，相應的載荷也更低[17]。無背壓力的情況下，成形初期金屬流動阻力小，成形載荷低，但在成形末期的整形階段，薄壁和型腔末端需很大的載荷才能使金屬充填完全，此階段的載荷也會發生急劇的變化。

圖4 “T”形預鍛坯料有背壓和無背壓的成形載荷及模擬示意

圖5為“帽”形預鍛坯料有背壓成形時的成形載荷和模擬示意圖，圖6為“T”形坯料和“帽”形坯料模擬結束時的接觸關系。從圖5—6可以看出“帽”形坯料的最大成形載荷為86.5 t，略大于“T”形坯料的78.2 t，但“帽”形坯料由于其心部近乎中空，心部難變形的金屬較“T”形坯料更少，其余金屬更容易流動且更早接觸模具，并且在最終的成形階段與模具的接觸更加充分，沒有出現“T”形坯料基圓處接觸不足的情況。

綜合對比有無背壓及坯料形狀，最終確定成形質量良好、載荷合適的”帽”形坯料閉塞式背壓工藝。

圖5 “帽”形預鍛坯料有背壓時的成形載荷及模擬示意

a“T”形

b“帽”形

圖6 “T”形和“帽”形預鍛坯料成形結束時的接觸情況

Fig.6 Contact diagram of "T" and "cap" pre-forging blanks at the end of forging process

3 工藝實驗驗證與優化

由于數值模擬結果與實際情況存在一定的誤差，且“帽”形預鍛坯料和“T”形預鍛坯料的模擬結果差距較小，因此對“帽”形預鍛坯料和“T”形預鍛坯料都進行了4032鋁合金的工藝試制實驗，進一步探究兩者之間的成形規律，以獲得最優的成形方案。

3.1 “T”形預鍛坯料

圖7為“T”形坯料試制前后的照片。坯料基圓和頭部的初始尺寸分別為85 mm×10 mm和45 mm× 20 mm。成形過程中背壓體對基圓金屬的流動有限制作用，而“T”形坯料的心部金屬在變形過程中的變形量很大，因此基圓處的金屬會受到心部變形金屬的拉應力作用，當拉應力超過材料的抗拉極限便出現了開裂的情況，并且基圓底部的圓口成形質量不佳，圓口位置偏移，這主要是成形末期側壁和頭部的金屬難以向基圓底部流動，加之坯料定位不準確所致。

3.2 “帽”形預鍛坯料

圖8為“帽”形坯料試制前后的照片。“帽”形坯料的基圓尺寸為102 mm，由于坯料的基圓直徑跟零件的直徑一致，在成形過程中原始坯料的基圓金屬流動困難，導致基圓部分的凸起和頭部充填不滿，同樣在基圓底部的圓口處成形效果不佳。

圖7 “T”形預鍛坯料及其試制件典型缺陷

圖8 “帽”形預鍛坯料及其試制件典型缺陷

3.3 優化方案及試制實驗

通過上述實驗，可知頭部金屬和基圓金屬之間流動困難，基圓尺寸對最終的成形質量也有著一定的影響。由于頭部金屬和基圓金屬之間的流動與沖頭形狀有極大的關系，因此對原始的沖頭進行相應的優化，將原來的3組階梯改為2組階梯，并將圓角半徑增大，使金屬受到沖頭的限制更小，更易于向基圓處流動，優化結果如圖9所示。制坯時在基圓底部成形出一個41 mm×4 mm的圓形槽，此圓形槽既起到了定位的作用，同時也起到了和“帽”形坯料中空部分同樣用來減少心部難變形區域的作用，避免了在背壓作用下基圓開裂以及頭部金屬向基圓流動困難的情況。基圓尺寸定為90 mm×12 mm，頭部尺寸定為48 mm×16 mm，防止出現基圓直徑過大，基圓處金屬難以流動，從而導致成形效果差的情況，優化后的坯料及其試制件如圖10所示。

由最終試制效果可以看出，軸承座鍛件正面充填飽滿，基圓上的凸起和頭部的6個棱形狀滿足要求，背部圓口無偏移和充填完整，基圓背部的凹槽無開裂問題。

圖9 模具優化示意

圖10 優化后的“T”形預鍛坯料及其試制件

4 軸承座微觀組織分析

軸承座材料為4032鋁合金，其主要元素是Al和Si，其中Si的質量分數為11.79%，4032鋁合金中Si大多數是共晶硅，其伸長率為5%，塑性較差[18]，因此鍛造成形中容易出現開裂缺陷。軸承座擠壓成形后，經固溶時效熱處理，再線切割成若干小試樣，腐蝕后進行金相組織觀察。其中熱處理工藝為515 ℃/2.5 h+165 ℃/10 h，腐蝕液為5%的HF+95%酒精（體積分數）的混合溶液，選取原始坯料和擠壓后軸承座基圓、側壁部位進行顯微組織觀察。

變形過程中不同位置對應著不同的應變狀態，因此得到的擠壓態組織有著不同的特點。圖11為原始試樣和成形熱處理后不同部位的光學顯微組織，其中白色基底為Al，黑色顆粒為Si顆粒[19]，可以明顯看到原始材料組織不均勻、偏析嚴重[20]，而擠壓過后，Si顆粒團聚現象得到改善，基圓部分由于變形量小，仍保留著原始的鑄態組織；側壁變形劇烈，組織狀態發生了很大變化，產生了具有明顯方向性的組織[21]，同時晶粒得到了進一步的細化[22]。

圖11 金相顯微組織

5 結論

通過數值模擬的方法，探明了有背壓和無背壓情況下閉塞式成形工藝及坯料形狀對最終成形質量的影響規律，明確了相關工藝參數的優化方向，進行了實驗驗證，并結合實驗結果進行了進一步的優化與微觀組織分析，最終獲得了力學性能優良，外形精準，無折疊、拉裂和充不滿等缺陷的軸承座零件。相關結論如下。

1）背壓力的存在，使材料處于三向應力的狀態，靜水壓力增加，金屬在變形過程中更易流動，零件的成形質量更佳，“T”形預鍛坯料的成形載荷由無背壓的927 t降至有背壓的78.2 t，降低了約91.6%。

2）“帽”形預鍛坯料的中空結構減少了坯料心部難變形的區域，避免了變形過程中由于背壓力的限制導致基圓受拉部分發生開裂的情況。

3）根據工藝試驗結果將沖頭的三階梯結構優化為兩階梯結構，并在“T”形坯料基圓的底部開出41 mm×4 mm的圓形槽，這樣有效降低了頭部和側壁金屬向基圓流動的困難程度，同時減少了坯料心部難變形的區域，避免了開裂和充不滿等缺陷的出現。

4）變形后材料的初始鑄態組織得到了改善，基圓和側壁的Si顆粒團聚現象得到改善，晶粒都得到了不同程度的細化。側壁由于有著更大的變形量，其組織分布更加均勻，晶粒細化更加明顯。

[1] 丁輝. 雙碳背景下中國氣候投融資政策與發展研究[D]. 合肥: 中國科學技術大學, 2021: 5-7.

DING hui. Research on China's Climate finance Policies and Development in the Context of Carbon Neutrality[D]. Hefei: University of Science and Technology of China, 2021: 5-8.

[2] XIONG Hui-yuan, LIU Huan, ZHANG Rong-hui, et al. An Energy Matching Method for Battery Electric Vehicle and Hydrogen Fuel Cell Vehicle Based on Source Energy Consumption Rate[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2019, 44(56): 29733-29742.

[3] CHEN Zi-yue, NIE Pu-yan. Effects of Carbon Tax on Social Welfare: A Case Study of China[J]. Applied Energy, 2016, 183: 1607-1617.

[4] YANG Dong-xiao, QIU Lin-shu, YAN Jian-jun, et al. The Government Regulation and Market Behavior of the New Energy Automotive Industry[J]. Journal of Cleaner Production, 2019, 210: 1281-1288.

[5] ZHANG Hao, CAI Gui-xin. Subsidy Strategy on New-Energy Vehicle Based on Incomplete Information: A Case in China[J]. Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications, 2020, 541: 123370.

[6] TAN Si-lei, ZHONG Lei. Research on the Survival and Development of New Energy Vehicles in China[J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2018, 153(2): 022039.

[7] 陳江艷, 楊誠. 旋葉式汽車空調壓縮機聲品質分析與評價[J]. 噪聲與振動控制, 2020, 40(5): 164-168.

CHEN Jiang-yan, YANG Cheng. Analysis and Evaluation of Sound Quality for Rotary Vane Air-Conditioning Compressors[J]. Noise and Vibration Control, 2020, 40(5): 164-168.

[8] HAN Xiong-wei, CHEN Zu-hong. Effects of Back Pressure Factors on Titanium Alloy by Equal Channel Angular Extrusion[J]. Special Casting & Nonferrous Alloys, 2015, 35(8): 810-812.

[9] FRINT P, HOCKAUF M, HALLE T. The Role of Backpressure during Large Scale Equal-Channel Angular Pressingt[J]. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2012, 43(7): 668-672.

[10] 胡福泰, 汪飛雪. 復雜腔體直壁扇形筋板精密擠壓成形缺陷控制[J]. 塑性工程學報, 2021, 28(3): 1-6.

HU Fu-tai, WANG Fei-xue. Defect Control of Precision Extrusion Forming of Complex Cavity Straight Fan-Shaped Rib Plate[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2021, 28(3): 1-6.

[11] 徐虹, 劉猛, 國志鵬, 等. 動車組變曲率L型截面鋁合金門立柱拉彎精度控制[J]. 哈爾濱工業大學學報, 2021, 53(2): 77-83.

XU Hong, LIU Meng, GUO Zhi-peng, et al. Accuracy Control of Stretch Bending for Variable Curvature L-Section Aluminum Alloy Door Column of EMU[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2021, 53(2): 77-83.

[12] 張陽, 董定乾, 朱洪洋, 等. 基于預制坯精準設計的水室封頭熱沖成形新工藝[J]. 塑性工程學報, 2020, 27(5): 58-65.

ZHANG Yang, DONG Ding-qian, ZHU Hong-yang, et al. New Hot Pressing Process of Water Chamber Head Based on Precise Design of Preform[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2020, 27(5): 58-65.

[13] XU Feng, GONG Dong-mei, CHEN Ke, et al. Isothermal Forming of Aluminum Alloy Control Arm[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2018, 394(3): 032036.

[14] Hawryluk Marek, Ziemba Jacek, Janik Marta. Wear Analysis of Forging Tools Used in an Industrial Production Process—Hot Forging in Closed Dies of the “Head-Disk” of an Engine Valve Forging[J]. Materials, 2021, 14(22): 7063.

[15] 陳強, 陳拂曉, 楊永順, 等. 4032鋁合金的高溫壓縮變形行為及本構方程[J]. 熱加工工藝, 2013, 42(7): 37-39.

CHEN Qiang, CHEN Fu-xiao, Yang Yong-shun, et al. Hot Deformation Behavior in Compression and Constitutive Equation of 4032 Aluminium Alloy[J]. Hot Working Technology, 2013, 42(7): 37-39.

[16] 時迎賓, 薛世博, 段園培, 等. 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[J]. 精密成形工程, 2020, 12(5): 88-92.

SHI Ying-bin, XUE Shi-bo, DUAN Yuan-pei, et al. Numerical Simulation and Experimental Study on Back Pressure Forming of New Energy Vehicle 4032 Aluminum Alloy Scroll[J]. Journal of Netshaoe Forming Engineering, 2020, 12(5): 88-92.

[17] 吳進, 王成勇, 何大宏, 等. 背壓加載方式對輕量化壓縮機渦旋盤成形質量的影響[J]. 塑性工程學報, 2021, 28(1): 77-84.

WU Jin, WANG Cheng-yong, HE Da-hong, et al. Influence of Back Pressure Loading Mode on Forming Quality of Lightweight Compressor Scroll[J]. Journal of Plasticity Engineering, 2021, 28(1): 77-84.

[18] NUR C F, SOEGIJONO B. Effect of Solution Heat Treatment of Aluminum Alloy 4032 on the Structure and Corrosion Resistance in 3.5% and 10.5% NaCl Solution[J]. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, 694: 012043.

[19] Zhang Ming-shan, Wang Jun-sheng, Wang Bing, et al. Quantifying the Effects of Sc and Ag on the Microstructure and Mechanical Properties of Al–Cu Alloys[J]. Materials Science & Engineering A, 2022, 831: 142355.

[20] KAREEM A, QUDEIRI J, ABDUDEEN A, et al. A Review on AA 6061 Metal Matrix Composites Produced by Stir Casting[J]. Materials, 2021, 14(1): 175.

[21] WANG An-heng, XUE Hong-qian, BAYRAKTAR E, et al. Analysis and Control of Twist Defects of Aluminum Profiles with Large Z-Section in Roll Bending Process[J]. Metals, 2019, 10(1): 31.

[22] WU Yong-fu, ZHU Guang-lei, ZHONG Gu, et al. Effect of Cooling Rate on Modification and Grain Refinement of 4032 Aluminum Alloy[J]. Materials Science Forum, 2016, 877: 20-26.

Numerical Simulation and Experimental Investigation on Enclosed Die Forging with Back Pressure for 4032 Aluminum Alloy Bearing Pedestal of New Energy Vehicle

TIAN Zhe-huan, XUE Ke-min, LI Ping

(School of Materials Science and Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)

The work aims to simulate and optimize the forging technology so as to improve the forging quality aiming at the problems of that A/C compressor bearing pedestal of new energy vehicle has the characteristics of thin wall, multi steps and complex shape and forging defects such as filling dissatisfaction, folding and cracking are easy to occur in the forging. The forging situation of "T" shaped and "cap" shaped pre-forging blanks by enclosed die forging with back pressure was simulated, and the related process parameters and matching dies were optimized according to the obtained results. Under the condition of back pressure, the maximum forging load of "T" shaped pre-forging blank was reduced from 927 t without back pressure to 78.2 t, and the load rose steadily, and the transition of each forging stage was smooth and easy to control. The metal flow of "cap" shaped blank was more sufficient in the forging process, the die cavity was fully filled, and there was no insufficient filling in the forging process of "T" shaped blank. The segregation of Si particles of the material was also improved and the grains were refined. The existence of back pressure and the regulation of pre-forging shape have greatly improved the final forging load, forging quality and microstructure of parts.

bearing pedestal; back pressure; enclosed die forging; numerical simulation; process optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.001

TG376

A

1674-6457(2022)02-0001-06

2021-12-20

安徽省重點研究和開發計劃（面上攻關）（201904a05020062）；安徽省科技重大專項（201903a05020045）

田轍環（1998—），男，博士生，主要研究方向為大塑性變形與精密成形。

薛克敏（1963—），男，博士，教授，主要研究方向為精密塑性成形工藝及仿真。