合肥工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院（安徽 230009）李 君 孔 炎 薛克敏

合肥匯能汽車零部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司（安徽 230031）田 莊

渦旋盤是汽車空調(diào)渦旋壓縮機(jī)核心零件之一，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，精度要求高，并且要具有良好的抗振性能、耐腐蝕性、耐磨性，以保證必要的使用壽命。采用傳統(tǒng)加工方法無法滿足性能要求，采用常規(guī)擠壓成形難以有效控制因壁厚不均勻?qū)е碌某尚胃叨炔灰恢?，生產(chǎn)效率和材料利用率很低。近年來，在閉式模鍛的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的金屬流動(dòng)控制成形技術(shù)（Flow Control Forming，簡(jiǎn)稱FCF），可以精確控制金屬材料的非均勻性流動(dòng)，提高零件成形性能，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的精密成形。目前，國內(nèi)已有少數(shù)科研院所和企業(yè)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行研究和應(yīng)用。本文基于金屬流動(dòng)控制成形原理，采用背壓擠壓成形技術(shù)來成形渦旋盤，并對(duì)其模具結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用數(shù)值模擬與物理實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析關(guān)鍵模具的強(qiáng)度和彈性變形，驗(yàn)證工藝的適用性和模具結(jié)構(gòu)的合理性，為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的理論依據(jù)。

1.零件結(jié)構(gòu)分析

本文研究對(duì)象為渦旋盤靜盤，如圖1所示，渦旋壁厚從3.5～13mm不等，渦旋部分高度為34mm，渦旋壁后續(xù)機(jī)加工單邊余量必須保證在0.65mm以內(nèi)，端部加工余量在1mm。可以看出該零件的成形關(guān)鍵在于渦旋部分的成形，保證渦旋壁均勻的加工余量和良好的端部平整度是關(guān)系到能否加工出合格零件的至關(guān)重要的因素。

圖1 渦旋盤零件

2.流動(dòng)控制成形數(shù)值模擬

本文基于金屬流動(dòng)控制成形原理，采用背壓擠壓成形工藝，即在擠壓出口處放置一個(gè)受背壓作用的工具，用來調(diào)整擠壓的速度，獲得相同的擠壓長(zhǎng)度，從而可以減小鍛造后平整端部的車削加工。將背壓擠壓成形工藝與常規(guī)擠壓一起研究，進(jìn)行工藝對(duì)比，圖2所示為常規(guī)擠壓成形零件在不同壓力下時(shí)的成形效果，由于渦旋末端很接近基圓外徑以至于在成形過程中補(bǔ)料較其他部位困難，擠出長(zhǎng)度最短。渦旋部分高度不一致，相差較大，端面不整齊，需要大量的機(jī)械加工。圖3所示為采用背壓擠壓成形工藝時(shí)，零件的成形效果。渦旋端部平整，整體高度一致，達(dá)到了凈成形的程度。

圖2 常規(guī)擠壓成形渦旋盤

圖3 背壓擠壓成形渦旋盤

3.模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）凹模設(shè)計(jì) 在構(gòu)成渦旋盤背壓擠壓成形模具的全部零件中，凹模和坯料直接接觸，并參與變形過程，擠壓時(shí)，凹模在靜態(tài)高壓、強(qiáng)烈沖擊和巨大摩擦的作用下，會(huì)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力，是所有模具中工作環(huán)境較為惡劣的，凹模的變形或破裂不僅直接影響渦旋盤的尺寸，更難以成形出合格產(chǎn)品，因此凹模的設(shè)計(jì)采用兩層組合結(jié)構(gòu)，這種組合結(jié)構(gòu)能夠有效降低凹模的彈性變形，抵消切向拉應(yīng)力，保證零件成形質(zhì)量，提高模具整體使用壽命。根據(jù)總直徑比d3/d1=4～6及d2=（d1d3）1/2，其中d1為凹模內(nèi)徑，計(jì)算組合凹模直徑分別為 d2=2d1=180mm；d3=4 d1=360mm。示意圖及實(shí)物如圖4所示。

圖4 組合凹模

下面對(duì)組合凹模進(jìn)行強(qiáng)度分析，掌握其在成形過程中的受力狀態(tài)和應(yīng)力分布。凹模受力如圖5所示，其值為渦旋盤成形過程中凹模受力大小，方向沿凹模徑向，最大受力值為28.8k N，分布在與坯料接觸的凹模上端面及渦旋壁表面。

圖5 凹模受力圖

對(duì)凹模進(jìn)行應(yīng)力分析，模擬結(jié)果如圖6所示，最大等效應(yīng)力值為1780MPa，發(fā)生在A處，即模具渦旋根部，該處連接模具渦旋部分與外緣部分，在成形過程中，不僅受坯料向下的充填力，還受到渦旋部分金屬的拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生較大的局部應(yīng)力集中。從凹模截面的應(yīng)力分析圖來看（見圖6b），凹模應(yīng)力集中發(fā)生在與坯料接觸的表層部分，深度不大，與坯料接觸的渦旋部分應(yīng)力主要在600～1000MPa，低于所有可用模具鋼的屈服強(qiáng)度，但在物理實(shí)驗(yàn)或?qū)嶋H生產(chǎn)時(shí)，需選用強(qiáng)度更高的模具鋼，例如Cr12Mo V 、W6Mo5Cr4V2等，才能保證模具較長(zhǎng)的使用壽命。

圖6 凹模應(yīng)力分析圖

（2）模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)渦旋盤背壓擠壓成形工藝對(duì)背壓系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)符合生產(chǎn)要求的模具工裝，如圖7所示，為了簡(jiǎn)化模具結(jié)構(gòu)、降低成本，此處氮?dú)鈴椈商峁┍硥毫?。加工后的模具工裝如圖8所示。

圖7 渦旋盤流動(dòng)控制成形模具簡(jiǎn)圖

圖8 模具實(shí)物圖

4.物理試驗(yàn)

渦旋盤背壓擠壓成形試驗(yàn)在1000k N模鍛液壓機(jī)上進(jìn)行，通過操作系統(tǒng)控制凸模的位移，達(dá)到設(shè)定的成形高度即停止加載，起到保護(hù)模具、精確成形的效果。選用石墨潤滑劑分別對(duì)模具和坯料進(jìn)行潤滑，坯料材料為4032鋁合金。用電阻爐將其分兩段加熱到450℃，兩段加熱中間浸石墨，模具預(yù)熱至200℃，然后將坯料取出放入凹模進(jìn)行擠壓成形。成形的渦旋盤如圖9所示，渦 旋盤端面成形高度基本一致，渦旋壁厚余量控制均勻，無毛刺、飛邊等缺陷，經(jīng)過機(jī)械加工表面后，可以得到合格的零件。

圖9 背壓擠壓成形零件

5.結(jié)語

渦旋盤零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用常規(guī)擠壓成形零件端面高度不一致，相差很大，而基于金屬流動(dòng)控制成形原理，采用背壓擠壓成形工藝成形渦旋盤零件，零件端面平整、高度一致，只需少量的機(jī)械加工即可得到合格零件，實(shí)現(xiàn)了該零件的近凈成形，對(duì)背壓擠壓成形工藝進(jìn)行模具設(shè)計(jì)和凹模強(qiáng)度分析，掌握了凹模的應(yīng)力分布和受力狀態(tài)，試驗(yàn)獲得了合格的零件，模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理。