斜盤式汽車空調壓縮機雙頭活塞成形坯料研究

徐洪磊，閆中原，薛世博，田文春，石文超，李萍

斜盤式汽車空調壓縮機雙頭活塞成形坯料研究

徐洪磊，閆中原，薛世博，田文春，石文超，李萍

（合肥工業大學 材料科學與工程學院，合肥 230009）

研究坯料形狀對汽車空調壓縮機雙頭活塞鍛造成形質量的影響，以期提高材料利用率，獲得成形質量良好的零件。基于有限元數值模擬及物理試驗，對不同坯料形狀的成形結果進行對比研究，分析坯料形狀對成形過程中金屬流動行為和成形質量的影響。模擬表明成形零件的A和B區域時，載荷緩慢上升，成形零件C區域時載荷急劇升高，圓柱成形載荷為230 t，異形坯成形載荷為180 t。異形坯向零件兩端轉移了更多的金屬，使型腔A和B區域飛邊槽內金屬體積少于圓柱坯。物理試驗表明異形坯成形結果良好。通過合理減小坯料長度和寬度、增加坯料高度，使材料利用率提高了7.91%，成形載荷降低了21.7%。

斜盤式空調壓縮機活塞；鍛造工藝；有限元數值模擬；坯料優化

近年來，隨著我國汽車行業的高速發展以及節能減排環保要求的不斷提升，輕量化成為汽車發展的必然趨勢[1-3]。采用輕質金屬加工汽車零部件是實現汽車輕量化的重要途徑之一[4]。鋁合金因其質量輕、強度高等特性，廣泛應用于飛機、汽車、軌道交通等領域[5-6]。4032鋁合金除了具有一般難變形鋁合金的優點，還具有熱膨脹系數低、耐磨性能好以及體積穩定性好等特點，被廣泛應用于制造活塞、渦旋盤等汽車空調壓縮機關鍵零部件[7-11]。斜盤式汽車空調壓縮機雙頭活塞傳統制造方法是鑄造成形，但是4032鋁合金鑄態組織中易出現Al-Si共晶。針狀的共晶Si分布在Al基體中，使合金的塑韌性嚴重降低，從而影響鑄態合金的力學性能和機械加工性能[12-15]，難以滿足現代汽車對空調壓縮機活塞的質量要求。采用鍛造成形，使金屬處于壓應力狀態下成形，可以有效克服鑄造成形產生的縮松縮孔、組織粗大等缺陷，減小初晶硅和共晶硅的尺寸，能夠有效提高金屬力學性能[16]。

圖1為斜盤式汽車空調壓縮機雙頭活塞零件。零件體積分布極其不均，采用常規圓柱坯料鍛造成形勢必在中間區域產生大量飛邊，造成材料浪費，文中提出一種新型坯料方案，通過減少中間區域飛邊體積，提高材料利用率，降低成形載荷，改善成形質量。

圖1 活塞零件

1 成形工藝方案分析及有限元模型建立

1.1 活塞結構分析

圖2為斜盤式汽車空調壓縮機雙頭活塞等距截面積分布情況。將零件分為3個區域，各區域的體積比值為A∶B∶C=1∶2.2∶4.6。A區域壁厚較薄，表面形狀復雜，內壁無加工余量，同時該部位也是活塞的重要受力部位。

1.2 成形工藝方案及模具設計

根據零件結構特點可知，使用體積均勻分布的坯料成形時，端部C區域可能由于金屬體積不足，導致型腔充填不滿。為保證零件成形質量，在分模面不同位置合理設計飛邊槽尺寸，控制金屬流動，即開式模鍛成形工藝方法。由于零件A和B區域最大截面與C區域最大截面不在同一水平面，故將分模面設計成臺階式。飛邊槽橋部尺寸由式（1）確定：

式中：為飛邊槽橋部高度；為零件在分模面上的投影面積。

開式模鍛將金屬置于不完全受限的模具型腔內，成形時中間部位多余金屬并不能有效地轉移至端部，為容納多余金屬，將中間部位飛邊槽倉部尺寸由端部的7 mm×4 mm增大至16.5 mm×5 mm，建立如圖3所示的開式模鍛模具。

圖2 活塞等距截面積分布

圖3 開式模鍛模具示意

該零件A區域和C區域體積相差較大，坯料形狀的選擇對該類型零件成形尤為重要。圖4a為圓柱坯料，尺寸為29 mm×69 mm，坯料直徑小于零件最大截面直徑，端部成形方式為擠壓成形；圖4b為異形坯料，尺寸為32.5 mm×22 mm×63 mm，坯料直徑大于零件最大截面直徑，端部成形方式為鐓粗成形。

1.3 有限元模型建立

圖5為利用DEFORM-3D建立的斜盤式汽車空調壓縮機雙頭活塞開式模鍛有限元模型。坯料設置為塑性體，材料選擇4032鋁合金，溫度設置為450 ℃，采用四面體劃分網格，網格數量為150 000；上模下行速度設置為5 mm/s；坯料和模具間的摩擦類型定義為剪切摩擦，摩擦因數為0.25，求解器迭代方法選擇共軛梯度法和直接迭代法。

圖4 坯料形狀

圖5 開式模鍛有限元模型

2 模擬結果分析

2.1 成形過程分析

圖6為成形過程中點接觸示意圖，上側是坯料與上模接觸部分，下側是坯料與下模接觸部分。首先成形A區域，此時坯料僅有中間部位受上模約束，兩端不受上模約束作用。隨著上模下行，開始成形B區域，此時坯料變形程度增大，已有一部分金屬開始被擠入飛邊槽，如圖6中黑色線框標記部分。由于異形坯寬度小于圓柱坯，坯料與模具之間的空隙容納了一部分金屬，進入飛邊槽區域的金屬少于圓柱坯。當成形C區域時，因圓柱坯高度小于型腔直徑，所以通過擠壓成形的方式充填C區域型腔。當成形結束時，數值模擬結果顯示2種坯料均充填滿型腔。型腔A和B區域內2種坯料初始體積相似，但是圓柱坯成形結束時型腔A和B區域飛邊槽已被充填滿，其型腔A和B區域飛邊槽內的金屬體積明顯大于異形坯料飛邊槽內金屬體積。

圖6 成形過程點接觸

2.2 載荷分析

圖7為成形過程中的載荷行程曲線。成形過程可以分為2個階段：第1階段成形零件A和B區域，此時，飛邊槽橋部高度較大，不能起到阻礙金屬流動的作用，成形載荷緩慢上升；第2階段主要成形零件C區域，此時金屬流向飛邊槽的阻力開始增大，金屬自由流動表面積減小，成形載荷開始急劇上升，圓柱坯料成形載荷為230 t，異形坯料成形載荷為180 t。

采用圓柱坯料時，坯料與模具型腔等長，成形時A和B區域內的金屬難以沿坯料軸向流向C區域，從而沿徑向轉移至飛邊槽，使型腔A和B區域飛邊槽被過早地充滿，造成成形后期金屬沿徑向流向飛邊槽的阻力增大，最終導致成形后期載荷急劇升高。異形坯料通過減小坯料長度，降低軸向流動阻力，促使一部分金屬流向C區域，同時，因其寬度小，坯料與型腔間的空隙容納了一部分沿徑向流動的金屬，減少了流向A和B區域飛邊槽的金屬體積，避免A和B區域飛邊槽被過早地充填滿，阻礙后續金屬流入，從而減小第2階段成形時A和B區域金屬流動阻力；

增大坯料高度，使第2階段成形零件端部時，由圓柱坯料的擠壓成形轉變為鐓粗成形，降低變形力。因此，異形坯料通過減小坯料長度和寬度，增加坯料高度，改變成形時金屬的流動方式和變形狀態，最終使成形載荷較圓柱坯料降低了21.7%。

圖7 載荷行程曲線

2.3 金屬流動分析

圖8為成形C區域時的速度場分布情況。2種坯料成形時金屬均從A區域流向C區域。圓柱坯金屬流向端部上側，以反擠成形的方式充填上模型腔；異形坯成形時，端部金屬的變形方式為鐓粗變形，金屬以沿坯料軸向與徑向復合的流動方式，由A區域流向C區域，充填坯料與模具在軸方向的空隙。

為了更好地表示成形過程中金屬沿坯料軸向流動的情況，在初始坯料的軸截面上，沿坯料軸向從中心點向兩側每隔7 mm取一個特征點，得到如圖9a所示的各點沿軸向的位移曲線。各點的軸向位移隨距中心點距離的增大而增大，其中圓柱坯端部受模具型腔限制，其軸向位移出現減小趨勢。在距離中心相同的位置，異形坯料的軸向位移量顯著大于圓柱坯料，表明了異形坯料向兩側轉移更多的金屬。圖9b為型腔A和B區域內初始坯料體積及成形結束時飛邊槽內金屬體積分布情況，2種坯料型腔A和B區域內初始坯料體積相近，而異形坯成形結束時型腔A和B區域及C區域飛邊槽內金屬體積相較于圓柱坯分別少34.6%和55.2%。因此，異形坯料有效地減少流向型腔A和B區域飛邊槽的金屬，提高了材料利用率。材料利用率表示為：

圖8 成形C區域時的速度場

圖9 坯料軸向位移及體積分布

式中：為材料利用率；零為零件體積；坯為坯料體積。圓柱坯材料利用率為75.75%，異形坯為83.66%，故異形坯材料利用率提高了7.91%。

2.4 等效應變分析

圖10為成形結束時零件對稱面的等效應變分布。金屬變形主要集中在A區域周圍，其中A和B區域交界側面可以通過機加工去除表層大變形區，而A區不可機加工。可以看出，A區域的等效應變沿軸方向從內表面向外表面逐漸減小，而異形坯A區域內表面的等效應變小于圓柱坯，因此方向的等效應變梯度更小，等效應變極差為2.06，有利于減小該處因變形不均勻產生的殘余應力。同時，A區域是零件中壁厚最薄的區域，在零件工作時，該區域受到循環交變應力作用，是活塞零件中最容易出現失效的部位。所以異形坯能夠更好提高零件成形質量。

圖10 等效應變截面

3 物理試驗驗證

圖11為物理試驗成形鍛件實物，該物理試驗于630 t液壓機上進行，模具材料為H13鋼，坯料為4032鋁合金，坯料使用電阻爐加熱至450 ℃，模具使用火焰噴槍加熱至300 ℃，坯料與模具間采用油基石墨潤滑。圖11a為圓柱坯料成形結果，成形結束后零件端部未充滿型腔，圖11b為異形坯料成形結果，成形結果良好，型腔充填完整。通過物理試驗再次證明異形坯相比于圓柱坯更容易充滿型腔，成形效果更好。

4 結論

1）針對斜盤式汽車空調壓縮機雙頭活塞鍛造成形，通過減小坯料長度和寬度，有效減少了流向飛邊槽的金屬體積，使材料利用率提高了7.91%；同時，金屬變形方式由擠壓變形向鐓粗變形的轉變，不僅有利于型腔充填，還能有效降低成形載荷約21.7%。

2）相比于圓柱坯，異形坯成形件A區域沿軸方向的等效應變分布更均勻，減小了因變形不均勻帶來的殘余應力，提高了該部位的成形質量。

3）物理試驗驗證了異形坯的合理性，獲得了成形質量良好、型腔充填完整的零件，為該類型零件的鍛造生產提供指導。

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Blanks of Double-Headed Piston Forming for Swash Plate Type Automobile Air-Conditioning Compressor

XU Hong-lei, YAN Zhong-yuan, XUE Shi-bo, TIAN Wen-chun, SHI Wen-chao, LI Ping

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

The work aims to study the effects of different billet shapes on the forging results of double-ended pistons for automotive air-conditioning compressors to improve material utilization and obtain parts with good forming quality. Based on finite element numerical simulations and physical tests, a comparative study of the forming results with different billet shapes was carried out to analyze the effects of billet shapes on the metal flow behavior and forming quality during the forming process. The simulation results showed that the load rose slowly when forming areas A and B of parts, and rose sharply when forming area C of parts. The cylindrical forming load was 230 t and the shaped billet forming load was 180 t. The shaped billet transferred more metal to the ends of the part, resulting in less metal volume in the fly grooves of cavities A and B than the cylindrical billet. The physical tests showed good results of shaped billet forming. Therefore, by reasonably reducing the length and width of the blank and increasing the height of the blank, the material utilization rate is increased by 7.91% and the forming load is reduced by 21.7%.

swash plate compressor piston; forging process; finite element numerical simulation; blank optimization

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.02.005

TG316.3

A

1674-6457(2022)02-0027-06

2021-07-06

中央高校基本科研業務費專項（JZ2020HGQB0220）；安徽省重點研究和開發計劃（面上攻關）（201904a05020062）

徐洪磊（1996—），男，碩士生，主要研究方向為精密塑性成形與控制技術。

李萍（1973—），女，博士，教授，主要研究方向為極端服役條件下難變形材料關鍵構件大塑性變形調形控性原理與宏微結構精確制造。