新能源空调压缩机轴承座成形工艺研究

文/金凤臻，黄婷，李瀚伟，朱志成，阮海涛，薛克敏·合肥工业大学

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。

图1 轴承座三维图

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。

图2 损伤值分布

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

图3 有限元模型

图4 坯料形状

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。

图5 损伤值分布

图6 速度场分布

图7 应力分布

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。