新能源汽车4032 铝合金涡旋件背压成形数值模拟与实验研究

时迎宾，薛世博,，段园培，石文超，薛克敏

（1.合肥工业大学，合肥 230009；2.安徽工程大学，安徽 芜湖 241000）

汽车空调装置的核心是制冷压缩机，涡旋式压缩机是目前最常见的一种，具有体积小、重量轻等众多优点[1]。涡旋盘是涡旋式空调压缩机的核心部件，其传统的加工方法包括液态模锻、机械加工、低压铸造等。文中涡旋盘所用材料为4032 合金，由于硅（Si）含量高，合金的塑性较差[2—6]，塑性成形技术可以有效地压实合金的内部孔隙[7—8]。传统的挤压工艺会出现零件表面不均匀。许多学者研究了背压挤压成形4032 铝合金涡旋盘，分析了背压距离和背压力等工艺参数对零件成形质量的影响[1,9]。这些研究主要针对的是传统结构涡旋盘成形，与传统涡旋盘相比，新能源汽车的涡旋盘具有一个一定高度和厚度的外圈，结构上相对更复杂。由于外圈补料不足，背压挤压成形新能源汽车涡旋盘易出现充填不满、模具破裂等缺陷，且关于这种涡旋盘背压挤压成形方法尚未见报道。

文中为了探究新能源汽车空调压缩机核心部件-涡旋盘的成形工艺及成形过程中会产生的问题，进行了有限元模拟，分析了涡旋盘成形过程中应力应变场分布、成形规律及成形缺陷的产生原因。最后展开实验，将模拟结果与实验结果分析对比，验证工艺方案可行性。

1 工艺分析与成形方案

图1 显示了4032 铝合金涡旋盘锻件的三维（3D）模型。新型涡旋盘的外圈高度和壁厚大于中间涡旋部分的高度和壁厚，基底的直径大于外圈外径，并且在外圈上具有3 个凹槽。外圈的成形是锻件成形的难点。

图1 4032Al 涡旋盘零件Fig.1 4032 aluminum alloy scroll

无背压挤压成形涡旋盘时，由于涡旋部分不同区域壁厚不同，有的区域补料相对困难，导致成形后的涡旋部分高度差别较大。为了使涡旋各部分高度均满足要求，补料充足部分的高度要远远超过零件尺寸要求，而这会造成材料的极大浪费，并且金属变形的不均匀性，会造成金属流线分布不均匀和表面裂纹等缺陷，严重影响使用性能。根据零件的结构特点，将背压挤压与闭式挤压技术结合起来。同时鉴于零件的外圈高度大于涡旋高度，为了确保能够满足其外部尺寸，增加了预锻步骤，使用预锻后的坯料成形锻件，工艺流程如图2 所示。

图2 工艺流程Fig.2 Process program diagram

2 数值模型建立与实验方法

2.1 有限元模型

为了验证工艺方案的可行性并确定成形过程，采用Deform-3D 软件进行有限元仿真分析。工艺流程的有限元模型如图3 所示，将预锻后的坯料用作终锻成形的坯料。设置坯料为塑性体，初始温度为450 ℃，采用四面体网格，网格数目为120 000。设置模具为刚体，初始温度为200 ℃，挤出速度为10 mm/s。设定摩擦模型为剪切摩擦，摩擦因数为0.12，背压为20 t。材料为4032 铝合金，其流动应力模型参考陈强[10]的研究结果，见式（1）。

图3 有限元模型Fig.3 Finite element model

2.2 实验方法

在6300 kN 超精密等温超塑成形液压机上进行了涡旋背压挤压成形试验。实验材料为4032 铝合金，实验时将坯料放入加热炉中加热至 450 ℃保温30 min，并通过加热环将加热模具加热至200 ℃，用石墨涂刷坯料表面，放入模具中以制备预锻坯料，下压速度设定为10 mm/s。预锻完成后，将预制坯料放入加热炉中，再加热至450 ℃，保温10 min，然后将预锻坯料放入成形模具中进行背压挤出。

3 结果与分析

3.1 模拟分析

预锻工序的载荷-行程曲线步骤及成形过程如图4 所示，可以看出，预锻过程分为2 个阶段。第1 阶段，载荷开始施加在毛坯上，载荷迅速增加，然后外圈反挤成形（见图4a），金属稳定流动，负载稳定在100 t 左右。第2 阶段，反挤的外圈金属逐渐充满型腔，外圈开始整形（见图4b），金属填充拐角处，载荷急剧增大。

图4 预锻工序的载荷-行程曲线Fig.4 Stroke-load curve of pre-forging process

图5 终锻工序的载荷-行程曲线Fig.5 Stroke-load curve of final forging process

图6 终锻过程中的速度场Fig.6 Velocity field during final forging process

图5、图6 显示了终锻成形过程的载荷-行程曲线及金属流动过程。可以看出，成形过程分为3 个阶段：第1 阶段主要是成形涡旋基底，基底底部反挤压成形，金属主要从中间向周围流动（见图6a），基底底部逐渐填充，拐角处充满（见图5a），由于金属反挤及背压作用，金属流动阻力增加，载荷快速上升；行程到达30%时进入第2 阶段，第2 阶段同时形成外圈和中间涡旋部分，由于背压对中间涡旋部分的影响，涡旋部分的金属流动较慢，外圈金属流动较快。此外，由于涡旋部分的结构不对称，外圈中金属流速也不一致，没有与涡旋部分接触的外圈金属流动更快（见图6b）。外圈开始整形后，金属填充拐角处，载荷迅速增加。行程到达84%时进入第3 阶段，第3 阶段涡旋盘的基底和外圈已经基本成形完整，主要成形中间涡旋部分。金属流动集中在涡旋部分，越是靠近中心位置，流动越快（见图6c）。由于外圈端面与模具接触，载荷保持较大吨位，相对稳定在约400 t。成形结束时，涡旋部分的流速基本相同（见图6d）。

成形后涡旋盘的等效应力和等效应变的分布如图7 所示。在成形过程中，随着压下量的增加，涡旋根部由于形变量较其他部分更大，存在应力集中现象。成形快结束时，外圈已经充满，冲头继续下压使顶部应力增大（见图7a）。涡旋根部和外圈顶部的最大等效应力在300 MPa 左右，而初始4032 铝合金的屈服强度在323 MPa 左右，所以不会发生断裂等情况。在涡旋部分和外圈中，等效应变逐渐从端部到根部逐渐增加（见图7b）。最大等效应变也分布在涡旋部分根部，这是因为根部金属被挤入涡旋部分并且变形很大。由于根部的等效应力和等效应变较大，实际生产中根部的成形质量需要特别注意。

图7 等效应力场和等效应变场Fig.7 Equivalent stress and equivalent strain

3.2 “两步法”实验结果分析

图8 为实验件，经测量涡旋盘涡旋部分端面平整，飞边较少，外圈成形完整，凹槽部分成形完整，锻造完成后的涡旋盘没有充填不满等缺陷，模具无明显损伤。

图8 涡旋盘锻件Fig.8 Scroll forging

4 结论

1）预锻获得的外圈引导金属流动，槽部分充填完整，外圈高度基本相同。“两步法”成形可以获得充填完整，质量良好的涡旋盘。

2）终锻过程分为3 个阶段：第1 阶段主要是成形涡旋基底；第2 阶段同时形成外圈和中间涡旋部分，由于背压对中间涡旋部分的影响，涡旋部分与外圈金属流动速度不一致，同时涡旋部分结构不对称，外圈中金属流速也不一致；第3 阶段主要形成旋涡的中间部分。

3）在终锻过程中，涡旋根部由于形变量较大，存在应力集中现象。在终锻快结束时，外圈已经充满，顶部应力增大。

4）采用设计的模具进行实验，成形的4032 铝合金涡旋盘无充填不满等缺陷。