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新能源空调压缩机轴承座成形工艺研究

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作者:金凤臻,黄婷

  新能源汽车是未来汽车发展的方向,作为汽车空调压缩机的重要零部件——轴承座的合理设计和经济制造,对确保压缩机性能和降低成本具有十分重要的意义。在汽车空调压缩机里,轴承座与高速运转的转轴和涡旋盘相互配合,在复杂应力状态和高应力值之下,高速而长时间地工作,对其有很高的性能要求。传统的重力铸造生产效率较低,易产生气孔、缩松等内部缺陷,随着新能源汽车销量日益增加,显然已经不能满足生产要求。本文采取以锻代铸的方法,用DEFORM-3D对新能源汽车空调压缩机轴承座成形进行数值模拟,分析成形过程中金属流动规律,提出了预锻制坯,然后背压力闭塞式模锻终成形的锻造工艺,不仅可以改善轴承座的机械性能,提高材料利用率,还能大大提高生产效率。

  零件分析

  结构分析

  新能源汽车空调压缩机轴承座的三维图如图1所示。可以看出轴承座具有表面形状复杂、壁厚小(最薄处达到4mm)、内部阶梯较多的特点。其成形过程中金属流动性差,锻造载荷陡增,坯料容易出现拉裂、折叠和充填困难等问题。


  一步成形

  采用闭式模锻的方法对原始坯料进行一次锻压成形。根据定位关系及体积不变原则,设置了两种方案的坯料尺寸:方案一为φ80mm×18mm(高径比为0.225)、方案二为φ94mm×13mm(高径比0.138)。

  在DEFORM-3D软件中设置有限元前处理文件,其中坯料为自行建立的4032铝合金模型,模具为刚性体,采用库伦摩擦模型,根据生产条件设置摩擦因数为0.25,坯料和模具温度分别为450℃和200℃,上模下行速度为5mm/s。

  图2所示为方案一和方案二的损伤值分布。可以看出,两种方案下工件的损伤值均超过1,且集中分布在阶梯处的外表面,这是由于此处壁薄、内腔深,且4032铝合金塑性较差,在一次成形中易出现拉裂、折叠、载荷过高等问题。


  两步成形

  为避免一步成形中出现拉裂、载荷高等问题,提出用预锻+终锻的两步锻造工艺成形该零件,同时为保证各处金属流动平稳,使金属处于三向压应力状态,减少成形过程中的断裂倾向,并且降低成形载荷,采用带有背压体模具进行成形,有限元模型如图3所示。先对圆柱体坯料预锻成形出带有台阶的预锻坯料,再用预锻坯料成形出轴承座。参数设置与一步成形中的一致,其中,背压体需要单独施加移动边界条件,最大背压力20t,背压距离为0。背压体随着上模下行也向下移动,在坯料接触到背压体时开始施加背压力,当背压体接触到限位板的时候停止运动,进行闭式挤压。

  成形过程分析


  在背压力闭塞式模锻成形中,考虑到轴承座内部阶梯较多,设置了两种情形进行对比,如图4所示。其中方案三为底部无槽阶梯形坯料:基圆φ90mm×12mm,凸台φ48mm×13mm;方案四为底部有槽阶梯形坯料:基圆φ91mm×11.7mm,凸台φ48mm×16mm,底部凹槽φ43mm×4mm。从模拟结果图5上可以看出,两种方案材料的损伤值均小于1,有效改善了拉裂问题,且最终的成形载荷小于90t,在当前设备的承受范围之内。

  图6所示为轴承座成形时金属流动的速度场。可以看出,当金属流动一段距离后接触到冲头阶梯处时,开始出现金属分流,部分金属会受到下冲头的作用而向上流动,当与向下运动的金属汇流时产生折叠缺陷。而无槽坯料在成形时,金属流动有较大的速度差,存在拉裂倾向。由于成形初期背压体作用力小,金属流动的阻力小,因此速度场较密集且流速大,但在成形中后期,由于背压体作用,金属流动受到干涉,流动快的部分减慢,最终使端面各处速度趋于一致。


  模具应力分析

  图7所示分别为两步成形时上模应力、下模应力、背压体应力分布云图。可以看出,模具应力最大值均在100MPa以内,因此选取H13钢作为模具材料是可行的。同时,模具应力较大的地方集中在转角和阶梯处,上模的第一阶梯处,下模的内孔边缘处和背压体的外部边缘处所受的应力较大,成形过程中易导致模具发生磨损,影响轴承座的成形质量。

  结论

  ⑴对一步闭式模锻进行两种尺寸坯料的对比模拟,发现一次成形易出现拉裂、折叠、载荷过大等问题。

  ⑵采用两步锻压成形的方法,轴承座成形质量好。在两步模锻成形中,设置两种预锻成形坯料,发现在底部有槽预锻坯料成形时金属流动相对较优,且终锻成形过程中在背压体的作用下,坯料处于三向压应力状态,塑性提升,开裂倾向小。

来源:《锻造与冲压》2018年第17期