空调压缩机用静涡旋盘成形工艺优化

士兵

   目前全球气候变暖、大气污染以及能源枯竭等问题日趋严峻，新能源汽车因为无污染、低噪声及节省资源等优点，其发展受到了各国政府和企业的高度重视。汽车空调作为汽车的关键零部件，其制造在汽车生产工业中的地位举足轻重，随着新能源汽车的发展，汽车空调的研究开发问题也随之而来。为满足新能源汽车轻量化和低能耗要求，涡旋盘结构设计方案通常为变径型线式等强设计，即壁厚从吸气口到排气口逐渐由薄变厚，且构件高厚比较大，属于典型的难成形复杂结构。

  新能源汽车空调压缩机采用直流无刷永磁电机驱动，其电机转速相较于内燃机驱动的空调压缩机可提升约两倍，故而涡旋盘服役条件极为严苛，同时也对材料的散热性能、耐磨性、动载性能及其成形件的尺寸精度和表面质量提出了较高要求。涡旋盘传统加工方法，比如重力铸造、液态模锻、机械加工和低压铸造等已无法满足现阶段新能源汽车对于涡旋盘服役性能的需求，因此寻求新的成形工艺刻不容缓。本文通过有限元分析软件Deform对新能源汽车静涡旋盘的成形过程进行有限元分析，研究其成形过程中的问题，并得到最优的成形方案，为实际的生产提供指导。

零件结构分析

图1为某型号汽车空调静涡旋盘，从图中可以看出其形状较复杂，内部涡旋部分壁厚不均匀，与外圈也存在较大的壁厚差，特别是相较于市面上的静涡旋盘，静盘外部桶圈由以前的一些槽口变为长槽，存在一个很大的缺口特征。由于静盘涡旋部分壁厚不均匀，外圈与凹模接触，阻碍金属流动，且此型号静盘新出现的槽口特征，给后期的零件成形增加了额外的难度。

图1 汽车某型号空调静涡旋盘

成形工艺分析

新能源汽车空调压缩机用涡旋盘多采用背压式成形模型，根据以往生产经验依旧采用两步成形法进行模拟，为了分析零件成形过程中的问题，初始坯料采用三组参数进行对比分析（图2）。其中一组的模拟成形过程如图3所示。

图2 预制坯料示意图

通过图3可以看出成形初期，坯料四周流动情况较好，在背压体的作用下，涡旋部分流动缓慢。在最大凹槽处，由于受到模具阻碍，金属流动缓慢，此处等效应力也较大，下压到50%时，涡旋部分开始流动，流速比较快，外圈边缘有产生飞边的趋势，金属流动不规则，但是最大凹槽处金属流动仍然缓慢；随着继续下压，直到最后阶段，都呈现出涡旋部分流速较大，其余部位流速一般的情况。分析局部开口部位整体成形过程，可以看到开口部位在开始成形的阶段就出现了斜坡缺陷（开口上部并未与模具贴合），这个缺陷随着成形过程的加深不断变得明显，虽然在模拟过程中，最后会有一个整形阶段将这个缺陷消除，但是根据实际的生产经验，这个缺陷在最后的成形阶段并不会消除，会一直存在，且改变法兰的高度对于此缺陷并不会有所改善。从金属的速度场可以看出开口上端直角的地方，虽然一直有向模具槽口处流动的金属进行充填，但是在实际的生产中一直存在填充不满的缺陷，如图4所示，可以看到最后成形零件在槽口处有明显的斜坡缺陷，且无法消除缺陷。

图3 成形过程整体与局部（最大凹槽处）速度场分布

图4 静涡旋盘试制零件实物图

成形工艺改进

   根据金属的流动规律，我们提出对于这个开口的成形可以在预锻坯料中提前开槽，采用进行提前成形的方式，从而减弱成形过程中由于缺口的存在，造成金属流动困难的现象。图5所示为开槽坯料的示意图和变形过程中的速度场图，可以看到提前预制开口的成形使得开口处的成形应变大大减小，有利于减少模具的磨损，但是可以看到在成形过程中开口处存在阶梯（75%压下量中较为明显）。根据速度场可以看出，虽然我们进行了预开口，但是这个开口是无法满足最后的成形开口需要的，在成形开口的过程中，底部基元的金属会向上流动，由于上部模具内部存在空间，这个预先的开口形状会一直在成形过程中保持，所以会形成开口处的台阶缺陷。模拟中最后成形完美，但是在实际生产中这个缺陷会一直存在，由于预制坯料中缺口槽的存在，在最后的成形中更利于缺口处的成形，因此我们对于缺口的形状及尺寸进行了进一步对比模拟（图6）。

    根据前期的模拟分析，我们对于预制坯料缺口的形状主要进行了三个方面的调整：⑴缺口变小；⑵缺口变大；⑶缺口处带斜坡。主要的目的是改变缺口处的金属流动方式，实现零件槽口的完美成形。经过数值模拟发现当预制坯料的缺口变小时，无论我们怎么调整预制坯料的其余参数（比如法兰高度，基元厚度等），均无法消除最后零件槽口处充填不满的缺陷；当预制坯料缺口带上斜坡或者是变大时，分析坯料在后期的成形过程，发现对于缺口处充填不满的缺陷有明显的改善，因此我们综合考虑，采用缺口变大并带上斜坡的预制坯，进行模拟探索。最终的模拟结果如图7所示，试验试制实物（经过处理）如图8所示，可以发现根据最终的模拟工艺进行试验试制，零件缺口处充填良好，得到了成形质量良好的零件。

图5 开槽坯料的示意图和变形过程中的速度场图

图6 变缺口坯料

图7 最终结果图与载荷行程图

图8 试验试制实物

结论

在原有模型基础上，针对成形过程中零件缺口处充填不满的缺陷，对预制坯料的形状进行了探索。发现当预制坯料采用带缺口槽和斜坡的形状，且槽口宽度大于零件缺口尺寸时，可以改善坯料在成形过程中的金属流动，从而实现零件的最终良好成形，并最终进行了零件试制，生产出的零件成形质量良好。

作者简介

吴涛，合肥工业大学硕士研究生，主要从事零件精密塑性成形研究，参与完成节能环保空调压缩机涡旋盘背压挤压成形技术开发及产业化的校企合作项目研制，实现产品产业化生产。

——本文节选自《锻造与冲压》2019年第9期。