（材料加工工程专业论文）空调压缩器涡旋盘流动控制成形工艺数值模拟及实验研究.pdf

中文摘要 空调压缩器涡旋盘流动控制成形工艺数值模拟及实验研究 摘要 金属流动控制成形技术( f l o wc o n t r o lf o r m i n g 简称f c f ) 是近年来发展起 来的一种新的成形工艺技术，国外率先开发出该项技术并将该技术应用于安全气 囊、空调涡旋压缩器涡旋盘等复杂零件大批量生产中，并取得了很好的经济效益 和社会效益。该技术的特点在于：可以精确控制金属材料的非均匀塑性流动，提 高其成形性能，实现更复杂结构件的精密成形；可以有效地避免折叠、充不满等 缺陷的产生，使成形金属制件流线连续致密，提高了产品的机械性能；可以使制 件表面更加光洁，尺寸精度更高。金属流动控制成形是当前金属精密成形领域的 前沿技术，也是国际塑性加工技术所关注的热点课题。 本文结合汽车空调涡旋压缩器核心零件涡旋盘及其高硅铝合会4 0 3 2 材料。 通过实验研究了该材料流动应力应变规律，结合材料参数以有限元分析软件 d e f o r m 3 d 为工具，对涡旋盘流动控制成形( 本文又称背压成形) 规律进行了几 个方面的研究，本文的研究主要包括以下几个方面的工作： i 通过实验研究了高强比铝合金4 0 3 2 材料在不同温度秘应交速率下鲍流动应 力应变关系，为数值模拟提供了必要的材料参数。 2 分鄹对三种不同涡旋蓥圜外径涡旋盘在无背压成形过程中涡旋部分成形规律 进行了研究，获得了外径大小与涡旋挤出长度的关系。 3 分析了在不同背压力下涡旋部分的挤出长度分布规律以及背压力大小对成形 载荷的影响规律，确定了该零件背压力最佳取值范围。 4 对不同背压距离下的背压成形过程进行了仿真分析，确定了背压距离大小对 成形载荷以及涡旋端部乎整度的影响规律。 5 通过数值模拟分析了变形温度和摩擦润滑对成形载荷的影响规律 6 对模具在不同成形载蘅下的受力及变形情况进行了分柝，获褥了成形载薪大 小与模具所受最大应力的变化规律。 7 通过实验研究了涡旋盘背压成形，并和数值模拟结果进行了对比分析。 本文主要通过数值模拟对涡旋盘成形规律进行研究，对影响成形的诸多因素 中文摘要 进行了探索，研究结果对于指导其它相似零件的成形及工艺优化具有一定的理论 意义和指导作用。 关键词：流动控制成形背压成形背压距离涡旋盘 基圆外径数值模拟背压力应力应变平整度 l i 英文摘要 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nf l o w c o n t r o lf o r m i n gt e c h n o l o g yo fs c r o l1 a b s t r a c t f l o wc o n t r o lf o r m i n gi san e w l yd e v e l o p e d p r o c e s si nr e c e n ty e a r si th a s b e e na p p l i e di nt h em a s sp r o d u c t i o no fs o m ec o m p l e xc o m p o n e n t ss u c ha ss c r o l lo f a i rc o n d i t i o n i n gc o m p r e s s o ra n dm o t o ra i r b a gi nj a p a na n dg e r m a n y i t sc h a r a c t e r i s t i c i st h a ti tc a l lp r e c i s e l yc o n t r o li n h o m o g e n e o u s p l a s t i cf l o wo fm e t a l sa n di m p r o v eb o t h m a n u f a c t u r i n ga n dp e r f o r m a n c eo f p a r t i tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c es t r e s so nt h ed i ea n d f i l lt h ec a v i t yu n i f o r m l y ，i ta l s oc a nm a k et h es u r f a c eo fp a r t sm o r es m o o t h n o w a d a y si ti st h eh o tt o p i ci nt h ei n t e r n a t i o n a li n d u s t r yo f p l a s t i cw o r k i n g i nt h i s p a p e r ，f l o ws t r e s so fa l u m i n u m s i l i c o na l l o y4 0 3 2i ss t u d i e dt h r o u g h e x p e r i m e n t w i t ht h em a t e r i a lp a r a m e t e r ，s c r o l l sf l o wc o n t r o lf o r m i n g ( a l s oc a l l e d c o u n t e r p r e s s u r ef o r m i n gi nt h i sp a p e r 、w a ss i m u l a t e dw i t ht h ef e ms o f t w a r e d e f o r m 一3 d t h em a i nr e s e a r c h e sa n dr e s u l t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 1 w i t ht h ea l u m i n u m s i l i c o na l l o y4 0 3 2 ，f l o ws t r e s su n d e rd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e a n ds t r a i n r a t ew a sm e a s u r e db ym e a n so fg l e e b l e 一1 5 0 0s i m u l a t o ri nt h e e x p e r i m e n t t h i sp r o v i d e dm a t e r i a lp a r a m e t e r sf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 2 t h r e ed i f f e r e n ts c r o l l s f o r m i n gp r o c e s sw i t h o u tc o u n t e r p r e s s u r ew a ss i m u l a t e d a n dt h ei n f l u e n c eo fc h a n g ei nd i a m e t e ro fb a s ep l a t eo ns c r o l le x t r u d e dl e n g t h w a ss t u d i e d 3 r e g u l a r i t yo fs c r o l le x t r u d e dl e n g t hu n d e rd i f f e r e n tc o u n t e r p r e s s u r ea n dt h e i n f l u e n c eo fc o u n t e r p r e s s u r eo nf o r m i n gl o a dw a ss t u d i e d ar e a s i o n a l t l l 英文摘要 c o u n t e r p r e s s u r er a n g ew a sa c h i e v e df r o mt h es i m u l a t i o nr e s u l t 4 f o r m i n gp r o c e s su n d e rd i f f e r e n tc o u n t e r p r e s s u r ed i s t a n c ew a ss i m u l a t e d t h e i n f l u e n c eo fc o u n t e r p r e s s u r ed i s t a n c eo nf o r m i n gl o a da n df l a t n e s so fs c r o l le n d w e r es t u d i e d 5 e f f e c to ff o r m i n gt e m p e r a t u r ea n df r i c t i o no nf o r g i n gl o a dw e r ei n v e s t i g a t e db y m e a n so ff e ms i m u l a t i o n 6d i es t r e s sa n dd e f o r m a t i o nw e r es i m u l a t e da n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf o r m i n g l o a da n dm a x i m u me r i e c t i v es t r e s so fd i ew a sa c h i e y e d 7 b a s e do nt h er e s u l to fs i m u l a t i o n ，s c r o l lf o r m i n gp r o c e s sw a ss t u d i e dt h r o u g h e x p e r i m e n t ，a n dh a d ac o m p a r i s i o nb e t w e e ns i m u l a t i o nr e s u l ta n d e x p e r i m e n t f e ms i m u l a t i o ni st h em a i nr e s e a r c hm e t h o di nt h i sp a p e r d i f f e r e n tf a c t o r si n f o r m i n gp r o c e s sw e r ed i s c u s s e dw i t hf e mm e t h o di nt h i sp a p e r t h er e s u l to ft h i s r e s e a r c hi si n s t r u c t i v et ot h es i m i l a r i t yc o m p o n e n t sf o r m i n gp r o c e s sa n dd i ed e s i g n k e y w o r d s ：f l o wc o n t r o lf o r m i n g ，c o u n t e r p r e s s u r ef o r m i n g ，c o u n t e r p r e s s u r e d i s t a n c e ，b a s ep l a t e ，s c r o l l ，f e ms i m u l a t i o n ，f l a t n e s s ，s t r a i n ，s t r e s s 符号清单 5 。变形程度 孑等效应力 盯i 塑性区内应力偏量 等效应变速率 e ( 。) 塑性变形功率函数 五l a g r a n g e 乘子 瓦k r o n e k e r 退号 口惩罚因子 o 应变速率矩阵 c 矩阵记号 二 s 单元的等效应变率 譬内热源密度 p 密度( j k g k ) t 时间 a 不同方向的导热系数 莎s t e f a n b o ll z m & n n 常数 f 表面辐射率 t 环境湿度 声速度场修i f 减速因子 m 摩擦因子 符号清单 ，接触面切向相对滑动速度荜位向量 r 。坯料变形开始后凸模下行距离h 坯料原始厚度h v 插圈清单 插图清单 图1 1涡旋压缩机主要零部件 图2 1 三种挤压基本方法 图2 2 正挤压棒材会属流动四阶段及压力随挤压行程的变化关系 图2 3挤压时会流动的基本类型 图2 - 4 国外f c f 工艺成形零件 图2 5 h e l i c a lc u pf c f 工艺流程 图2 - 6因外闭塞锻造零件 图2 7闭塞锻造原理 图2 8常规挤压散热片 图2 - 9背压成形散热片 图2 1 0 背压成形原理 图2 一1 1背压闭塞分流锻造的组合 图2 一1 2 漏旋线 图2 1 3 涡旋长度分布 图2 1 4 涡旋盘流动控制原理简图 图4 ，1动涡旋盘锻件图 图4 2涡旋常规成形流动状况 图4 3 4 0 3 2 铝合会流动应力强线( 应变速率对流动应力的影响) 图4 - 4图4 - 4 铝合会4 0 3 2 流动应力曲线( 温度对流动应力的影响) 图4 5图4 5 变形前坯料上端温度分布 图4 - 6图4 - 6 变形前坯料f 端温度分布 图4 7无背压成形仿真力学模型 图4 8基圆外径巾1 1 2 ，7 m m 涡赡盘无背压成形过程 图4 9沿涡旋线测量点位置 图4 一1 0 涡旋高度分布 图4 一ll 审1 2 0 r a m 基圆涡旋盘 图4 1 2 中1 2 7 m m 基圆涡旋盘 图4 一1 3m 1 2 0 m m 基圆涡旋盘无背压成形过程 图4 1 4 砸1 2 7 r n m 基圆涡旋盘成形过程 图4 - 1 5 涡旋盘基圆变化对涡旋高度的影响规律 图4 1 6 背压成形仿真力学模型 图4 一1 7 背压力为1 吨成形过程 图4 1 8 背压力为4 吨成形过程 图4 一1 9 鹜压力为7 建成形过程 图4 - 2 0 不同背_ i 力下涡旋长度变化规律 图4 - 2 1 零件端部平整度定义 图4 2 2 背压力1 0 吨成形成形结果 图4 2 3 图4 2 3 背压力1 4 吨下涡旋零件 图4 2 4 图4 2 4 背压力2 4 吨下涡旋零件一 图4 2 5 不同润滑状况下成形载荷随背压力变化舰律 图4 2 6 背压力2 4 吨载荷曲线 圉4 2 7 背压力由”吨降为3 吨成形载荷曲线 ；，m 他b b h h m珏”m豫博垮”弘”钔舢小也m也够小m舶舢硒舶铂躬铝锅躯 插i 茎i 清单 不同初锻温度下成形载荷变化规律 背压距离的定义一 背压距离5 4 m m 背压力1 0 吨下成形状况 背压距离 5 。4 m m 背压力i o 吨下成形状况 背压距离对成形载荷的影响 巾1 1 2 7 m m 基圆涡旋盘4 吨背压力下成形结果 审1 2 0 r n m 基圆涡旋盘4 魄背压力下成形结果 1 2 7 r a m 基圆涡旋盘4 吨背压力下成形结果 4 吨背压力作用下三种零件涡旋高度变化规律 m 1 2 0 r a m 基圆涡盘基圆涡旋盘l o 吨背压力下成形结果 巾1 2 7 r a m 基圆涡盘基圆涡旋盘1 0 吨背压力下成形结果 模具三维模型 凹模网格划分 9 3 8 吨载荷下凹模有效应力分如图 6 3 8 跨载荷下凹模有效应力分布图 载荷4 9 0 吨下凹模有效应力分布图 凹模最大应力随成形载荷变化规律 变形过程三阶段凹模有效应力分布图 变形过程三阶段凹模总位移图 凹模在6 3 8 盹载葡下沿x ，y ，z 方向位移图 动、静涡旋盘成形模具 动涡旋蠹零件 静涡旋盛零件 动涡旋盘缺陷 静涡旋盘缺陷 拉裂的静涡旋盘， 静盘模具破裂图 动涡旋盘数值模拟温度场分布 动涡旋盘数值模拟零件图 动涡旋盘实验零件图 动涡旋盘数值模拟结果缺陷图 动涡旋盘实验结果缺陷圈 静盘模具破裂图。 静盘模具受力分析图 v l l 悖的如熨“观鸵铊娩妈”舛弱钌铂卯贸矾甜铯记酡以甜酗酊：2：2舒 勰拶珈氆磁瑚埘砸舶讲瑚舶舢啦舢斟郴啪书o o o 4石0罐母邶也奶“ _ l 卜4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 s 5 5 5 5 s 5 5 5 5 5 5 5 乳乳图匿图图鳖图图图图踅图图醋图图图图图图图图图銎图图图图图图图露图 表 宅 清单 表格清单 表2 1 涡旋盘制造工艺优缺点比较 袭4 ，l4 0 3 2 锯合金材料化学成分。 表4 - 2 模拟中使用的基本参数 表5 1动涡旋盘成形实验零件表面温度分饰 袭5 - 2 动涡旋盘数值模拟零件表面温度分布 表5 3 动涡旋盘实验成形载荷变化情况 表5 - 4 动涡旋盘数值模拟成形载荷变化情况 v 1 1 i 1 7 3 4 3 8 6 3 6 3 6 4 6 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得扭撼型堂皿窟瞳或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：似先i 鼓签字日期：沙s 年月- 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭撼科堂盟宜暄有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阒。本人授权扭撼科堂婴究喧可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：p 钆a 文 签字同期：y j 年月五日 导师签名：1 签字闷期：多箨占月。日 第一章绪论 第一章绪论 1 - 1 金属精密塑性加工研究和发展趋势 金属塑性加工是金属加工的一种重要手段，它不仅效率高，产品质量稳定， 原材料消耗少，而且可以有效地改善金属的组织性能，因此金属塑性成形广泛应 用于航空、航天、汽车、兵工、电子、仪表及闩用品生产等各个领域，在国民 经济中占有重要的地位。特别是对于航空、航天、汽车工业中的一些受力条件较 苛刻的零部件如一些重要的轴、杆、齿轮、叶片等，金属塑性加工工艺在很大 程度上决定了其最高性能水平、可靠性、寿命和技术经济效益，具有不可替代的 作用。由于这种经济和技术上的重要性，金属塑性加工技术已经成为衡量世界各 国制造业水平的一项重要指标。因此世界各国在金属塑性加工的工艺和理论两个 方面都在不断进行广泛而深入的研究”“。 随着工业的迅速发展与产品竞争的目益如剧，人们对商效、节能的塑性加工 技术要求更为迫切，传统的塑性加工技术已不能满足现代化的生产要求。近二、 三十年来，精密塑性成形技术在国外迅速发展，大量优质、赢效、节能、省力的 塑性成形技术相继推出，并在工业中得到广泛应用，如精密热锻、闭塞模锻、精 密冷、温挤压成形、精密轧南8 成形、精冲、精密板料成形、超塑性成形、强力旋 压等精密塑性成形技术已被汽车、家电等行业普遍采用“1 。 精密塑性成形技术是指零件成形后，仅需少量加工或不再加工( 近净成形技 术，n e a rn e ts h a p et e c h n i q u e ；或净成形技术，n e ts h a p et e c h n i q u e ) ，就可 用作机械构件的成形技术。它改造了传统的毛坯成彤技术，使之由枫糙成形变为 优质、离散、毫精度、轻量化、低成本、无公害的成形。这使得成形的耄l l 械槐牛 具有精确的外形、高的尺寸精度和形位精度、良好的表面粗糙度，较传统成形产 晶改善了生产条件、减少了对环境污染，成为一种清洁生产技术，为可持续发震 刨造了有利条件。 精密塑性成形技术在工业发达国家己得到广泛应用，如国外模锻和精锻的比 重己占锻件总量的6 0 一7 5 ，美国宇航、航空、汽车、模锻、精锻件占锻件总数 8 0 以上闩本汽车锻件中占6 3 9 、德国7 0 7 5 ，机械构件精密成形技术已实 现大批量生产。精密塑性成形技术，通过先进的工艺设备、检测手段钼配合，已 第一章绪论 形成了不同档次的优质高效低耗的精密成形制造单元或系统，并普遍取代了传统 的成形工艺及设备 4 7 | 。 二十世纪九十年代以后，我国汽车工业的发展对精密塑性成形技术提出了挑 战，要求锻件在质量上有大幅度的提高，而且要达到世界先进水平，因此必须加 速锻件精化的程度，进一步适应市场和满足用户的要求。目前我国汽车行业采用 精锻、冷锻、精密工艺的零件比例不断上升，汽车零件由热锻改为温锻、冷锻工 艺，使能耗下降，精度提高。冷精锻成形工艺越来越多应用到精锻件的生产中， 如采用冷温锻成形工艺生产的形状复杂的等速万向节外套锻件，锻后的磨削余量 为0 2 - 0 3i n m ；中6 0 r a m 直径的汽车差速器伞齿轮精密成形后，齿厚公差为 0 o lr n m ，齿间误差为o 川一0 0 3 m 聊；汽车等速万向节外套每件重i 一2 5 k g ，最大 规格为由l l o ，经过几道温挤，再冷成形两次、其滚道公差可达 0 0 4 0 ，0 8 啪州“”。此外热精锻成形工艺也广泛应用于精密汽车锻件的生产，普 通的热锻设备已逐渐被全自动高速热锻机所取代，生产效率大大提高；一批先进 的新型、高效、优质、高精度成形技术在机械工业生产中被大量采用。h 前幽内 越来越多厂家在采用精锻技术生产汽车所需零件，但与固外还有很大差距，仍需 进一步研究和推广，使精锻技术得到更广泛的应用。 同本塑性加工大师工藤英明教授指出，为适应2 l 世纪工业竞争的趋势潮流 以及省能源、省资源、高效率化、价值多样化、制品轻细小化等需求，塑性加工 必须结合自动化生产并提高其制品的精度。2 l 世纪精密成形是塑性成形发展的 必然趋势，精密塑性成形技术将会取得更迅猛的发展：塑性加工件的精度将不断 提高，塑性加工的范围将不断扩大。 1 2 金属体积成形过程有限元数值模拟。“1 大批量地可重复地生产高精度的锻件，是一个复杂的系统工程工艺设计、 实施等任何一坏节失当都可能吃捧以d m m 计的精度指标。影响精密成彤工艺水乎 的因素很多，为了达到可与机加工匹配的产品精度，需要多学科的研究与开发手 段，有限元数值模拟技术必然成为重要工具之一。2 t 毽纪金属塑性加工行监， 以有限元为基础的数值模拟技术扮演了越来越重要的角色，应用数值模拟于塑性 第一章绪论 成形工艺设计中，并与物理模拟和专家系统结合，来确定工艺参数、优化工艺 方案，从而预测塑性加工过程中可能产生的缺陷及采取有效防止措施、有效地控 制和保证加工工件的质量。 采用有限元法对塑性加工过程进行数值模拟已有3 0 多年的历史，已成为工 程数值分析的有力工具“”。其基本原理是将求解未知场变量的连续介质划分为有 限个单元，单元用节点连接，每个单元用插值函数表示场变量，插值函数由节点 值确定，单元之间的力由节点传递，建立物理方程，将全部单元的插值函数集合 成场变量的方程组，然后进行数值计算。1 9 7 3 年c h l e e 和s k o b a y a s h i 提出 刚( 粘) 塑性有限元矩阵列式之后，极大地推动了有限元数值模拟技术的研究在 金属体积成形过程中的应用。这种方法基于小应交的位移关系，忽略了塑性变形 中的弹性变形，而考虑了材料在变形时的体积不变的条件，它可以计算较大的变 形问题，且计算模型较简单，能在较短时间内计算较大变形。利用刚( 粘) 塑性 有限元数值模拟，可以方便地确定塑性成形过程各个阶段所需的变形功和载荷， 获得工件的内部应力、应变、温度分布和金属流动规律，获得模具的应力、应变、 温度分布，预测工件的成形状况，残余应力、缺陷、晶粒的粒度和取向分布等等， 为模具设计和工艺设计提供强有力的工具“。随着刚( 粘) 塑性有限元的成熟和 关键技术的解决，国际上出现了以美国的d e f o r m 、m a r c a u t o f o r g e 和德国的 y 一2 一f o r m 、e a s y - 3 一f o r m 、法国的f o r g y 2 、f o r g y 3 、俄罗斯的q f o r m 等为代表的 通用有限元数值模拟的商业c a e 软件。在体积成形方面，目前在国际上较有影响 的并己进入中国市场的专业化的模拟软件主要是d e f o r m ，d e f o r m 除了模拟锻造 过程外，还可以模拟轧制、挤压、粉末成形等多种体积成形工艺和切削加工工艺。 它在考虑包括塑性变形功和摩擦功的热效应在内的热力偶合分析方面，在变形和 包括相变在内的材料组织性能演化的偶合分析方面，在自适应网格重分方面，都 有独到之处”“1 。 长期以来，由于计算机硬件和软件技术的限制，二维数值模拟在塑性成形研 究中一直占主要地位。近年来，由于计算机硬软件技术的迅速发展和数值计算方 法的不断完善，使三维大体积变形问题的分析成为可能。一方面，人们在研究提 高计算速度的方法，开发了大规模计算问题的并行算法( p a r a l l e lc o m p u t a t i o n ) 利用并行处理机多c p u 可同时工作的特点，配以软件编程中的并行处理方法，使 第一章绪论 计算速度大大加快。目前国际上报多商业软件都推出了并行版，如a n s y s 、j 】i a r c 、 l s d y n a 3 d 等：另一方面，很多研究人员正在致力于改进三维网格重划的自适应 能力和自动化程度，改进新旧网格间信息传递的方法，取得了可喜的进展。同时 开发了a l e 法( a r b i t r a r yl a g r a n ge u l e r i a nm e t h o d ) 和显式解法( e x p l i c i t s o l u t i o n ) ，a l e 法通过利用高阶的技术不断进行网格划重划，提高了计算速度 和精度。显式法主要是为解决非线性问题隐式求解时为保证求解精度需反复迭 带，使计算量猛增的问题。“。新的技术的不断出现使得计算机模拟技术越来越多 应用到复杂金属零件三维数值模拟中。 计算机硬件技术的发展也使得计算机模拟朝向集成化方向发展，它包括建立 并行处理环境，数据存储管理的高频效化，分布式存储和线性方程组的优化求解， 知识库和材料数据库的建立及他们的合作，与c a d 数据交换，分析结果的自动评 估，单元的自动划分等，将材料学与计算机系统的集成，硬件与软件的集成， c a d c a m c a e 的集成，模拟与a i 的结合等”。高效率的c a e 集成系统的建成必 将使数值模拟技术更广泛应用于金属成形过程。 迄今为止，国内外关于金属成形的数值模拟研究已不少见于报道，数值模拟 技术在会属塑性成形中的应用己成为塑性加工行业研究的热点。数值模拟软件的 应用，大大提高了塑性加工行业产品丌发能力。数值模拟技术已逐渐深入到塑性 加工行业的每一个角落。总之，数值模拟技术应用于塑性加工行业，已成为一个 必不可少的有力工具。 1 3 选题依据及研究意义“_ “。， 汽车工业是我国的支柱产、监，汽车空调作为汽车的总成之一，在汽车生产与 销售过程中有着举足轻重的地位。制冷压缩机是空调装簧的核心，用于汽车空调 的压缩机多达3 0 4 0 种，主要机型是压缩式容积型的压缩机。往复活塞立式压缩 机装入汽车空调为最早，其中斜盘式压缩机是汽车空调最主要的机型( 斜盘式压 缩机为往复活塞立式压缩机的一种) ，因为斜盘式压缩机的设计、结构及加工工 艺、维修等都比较成熟，以斜盘式作蔻汽车压缩枧约占憨压缩枫量的8 0 。从压 缩机容积效率、零件数多少、尺寸紧凑、重量指标、节能效果、噪音以及耐久性 等进行圪较，入们选择汽车空调器压缩视幽传统豹往复活塞式转为回转式。汽车 第一章绪论 空调回转式压缩机主要机型有旋叶式、滚动活塞式、螺杆式、三角转子式、涡旋 式压缩机等。其中最引人注目的是涡旋式压缩机，由于其体积小、重量轻、噪音 小、无气阀、零件少、寿命长等优点，尤其是它的容积效率特别高，等值排量情 况下节料性、节能性极高，一开始出现就引起人们高度的关注。相同条件下，它 比往复活塞式容积效率高2 0 。3 0 ，绝热效率高1 0 ，功率下降1 0 ，体积减少4 0 ， 重量下降1 5 ，噪音减低4 0 d b 。 涡旋式压缩机在节能、振动噪声低等方面与现在使用的斜盘式压缩机相比有 明显优势，斜盘式压缩机振动与噪声指标难以达到高档汽车的要求。随着国内汽 车制造业的发展与r 益正规化，空调系统的噪声及能耗指标r 益引起重视。1 9 8 3 年日本三菱公司开始生产汽车空调用压缩机并很快推向市场。美国c o p e l a n d 公 司1 9 8 7 年丌始生产涡旋压缩机，年产量在2 5 0 万台以上，并且一直以质量和技 术居于世界领先地位：美国c a r l y l e 压缩机公司1 9 9 2 年开始生产2 9 匹的涡旋 压缩机；n 本t e c u s e h 公司1 9 9 5 年开始涡旋压缩机的生产。1 9 9 9 年上海易初通 用机器有限公司就因目前生产的斜盘式压缩机的噪声标准达不到大众公司的要 求而不得不耗资3 0 0 0 万美元重新引进生产线。1 9 9 9 年美国v i s t e o n 公司投资1 5 亿美元在欧洲建立了车用涡旋式压缩机生产线。 我国2 0 0 2 年汽车年产量为3 2 5 万辆，保有量为2 0 0 0 多万辆。丽国内生产的 汽车用压缩机活塞式压缩机是2 0 世纪5 0 年代的产品，如今仍然在广泛应用。 活塞压缩机耗功大，汽车百公里耗油达l ，5 2 升，对汽车动力损失在6 匹马力左 右。国产轿车如：广州本阳、天津夏利2 0 0 0 已采用一部分进口涡旋压缩机。但 价格较高。中国进入w t o 后，汽车工业整体质量必须接近国外同行水平，因此涡 旋压缩机的技术开发非常紧迫。国产涡旋压缩机批量进入市场替代进口，将推动 汽车配套水平的提高。 图1 1 涡旋压缩机主要零部件 第一章结论 由于缺乏精密加工技术，涡旋压缩器到2 0 世纪7 0 年代未还未达到实用化， 其关键在于涡旋盘制造技术。涡旋盘是涡旋压缩器核心零件之一，其材质选择低 密度材料，材料必须有高的静态强度的同时，还必须有良好的塑性。此外，还要 有良好的抗振性能、耐腐蚀性、耐磨性，以保证必要的使用寿命。 涡旋盘零件是在零件精密毛坯的基础上采用专用加工机床加工而来的。零件 毛坯的制造技术成为当今研究涡旋盘成形的主要热点之一，涡旋盘毛坯的加工方 法有直接机械加工、低压铸造、热锻、液态模锻、挤压铸造、挤压背压工艺等， 其中直接采用专用机床进行加工材料利用率低，生产效率低，成本高；低压铸造 会产生气孔等内部缺陷，无良好的机械性能；粉末冶金零件密度分前i 不均，挤压 铸造和液态模锻生产效率低，热锻加工余量大，而采用挤压背压工艺生产涡旋盘 不仅零件机械性能好，生产效率高，产品精度高，而且达到净成形的程度，既具 有其他工艺的优点，又克服了其他工艺的缺陷，在国外涡旋盘零件的生产中，挤 压背n ；工艺被普遍采用。涡旋盘挤压工艺即r 本所称的背压成形技术，其基本原 理为通过控制材料的流动来成形零件，也称为流动控制成形( f l o wc o n t r o l f o r m i n g 简称f c f ) 技术。目前关于此项技术的研究多见于r 本的各种文献中， 同本于上世纪九十年代就开发出涡旋盘的背压成形工艺，并就这技术进行过广 泛深入的研究。我国目前关于f c f 技术的研究少处于起步阶段，国内目前有邯郸 氧气厂开发的挤压铸造工艺生产涡旋盘，生产效率太低，难以满足大批量生产的 要求。北京机电研究所承担的“十五”国家科技攻关计划项目“汽车典型零部 件智能精密制造技术与装备开发及应用示范”研究对象之一涡旋盘背压成 形技术，f 是基于我国汽车空调行业发展的需要，这项技术的开发将推动我国汽 车空调业和家用空调业的发展，扭转我国汽车用涡旋式空调压缩机依赖于国外进 口的局面，节约大量外汇，节约成本，节约能源，降低环境污染，提高人民生活 水平，将给我国带来了巨大的经济效益。本文的研究工作属于国家十五科技攻关 项目的深入延伸，主要内容是分析国内外相关研究方向和成果，并采用数值模拟 和实验相结合的方法研究涡旋盘流动控制成形规律，指导生产实践。 1 4 本文主要研究工作和内容 本文将主要进行以下几个方面的研究工作 第一章绪论 1 研究国内外流动控制成形技术发展状况，分析空调压缩器涡旋盘成形的研究状 况以及涡旋盘流动控制成形技术，并明确课题研究方向、目标和内容。 2 研究铝合金4 0 3 2 材料在不同温度、不同应变速率下材料流动应力应变关系， 为数值模拟提供必要的材料参数。 3 利用所建立的有限元模型对涡旋盘流动控制成形进行仿真研究，分析无背压成 形材料流动规律及影响因素，分析背压力大小对材料流动、成形载荷和成形缺陷 的影响，研究背压力对涡旋体平齐程度、端面平整度的影响：研究涡旋盘基圆外 径尺寸对成形的影响规律，研究背压距离对成形的影响，研究成形温度及摩擦状 况对成形载荷的影响，研究成形模具受力及变形状况。 4 ，对涡旋盘流动控制成形避行实验研究。 以上几个方面的研究内容构成本文的核心内容，从以上的研究中得出涡旋零件 成彤的一些基本规律。对其它不同尺寸、涡旋型线以及不同形状的涡旋零件的模 具和工艺设计有很好的指导作用。 第二章金属流动控制成彤技术 第二章金属流动控制成形技术 金属流动控制成形( f l o wc o n t r o lf o r m i n g 简称f c f ) 技术是随着精密塑 性成形技术的发展而发展起来的一种新的加工工艺技术，近年来在美国、日本、 德国等工业发达国家的制造业中得到了广泛的应用。该成形工艺的应用使得塑性 成形质量、精度、效率等都大大提高，特别适合于加工复杂精密零件， 扩大了 塑性加工范围。流动控制成形主要通过在传统成形的基础上对材料流动的再控制 从而达到成形目的，对零件的成形控制也因不同零件具有不同成形特点而采取不 同的控制方式。如结构阻尼成形通过改变模具局部形状，使材料流经该处的阻力 发生变化，调整各部分材料流动速度，从而达到控制零件成形的目的；背压成形 通过在零件成形过程中施加背压力以控制零件成形。 背压成形是针对部分零件成形特点和要求而采用背压力来控制其成形的一 种方法，是流动控制成形技术的种重要方法，汽车空调涡旋盘、汽车安全气囊 等复杂零件均采用背压成形。国外对背压成形技术进行过很多研究，但成功用于 生产的只有日本、德国的一些公司，国内目前在涡旋盘等类似零件背压成形变形 规律的研究还很少。为此本文以涡旋盘零件背压成形为研究对象，采用有限元仿 宾和实验襁结合的方法来探索这一成形技术的基本规律( 本文中涡旋盘的流动控 制成形即指涡旋盘的背压成形) 。 本章在前入金属流动控制成形技术研究和应用的基础上，对金属流动控制成 形的基本理论进行讨论，目的在于明确涡旋盘流动控制成形的关键技术和研究目 标。 2 1 挤压成形的基本理论侮“3 矧 金属挤压成形技术是一种少无切削加工技术，随着压力加工设备的发展以及 计算机模拟技术的引入，挤压成形已逐渐成为一种常用的精密塑性成形工艺。挤 压是利用模具的压力使模腔内的金属毛坯产生塑性流动，从而获得所需的形状、 尺寸并具有一定机械强度的工艺。挤压工艺有很多优点。它可以节约原材料，提 高生产率，提高零件机械性能，加工形状复杂的零件，提高零件精度及表面粗糙 第二章盘属流动控制成形技术 第二章金属流动控制成形技术 金属流动控制成形( f l o wc o n t r o lf o r m i n g 简称f c f ) 技术是随着精密塑 性成形技术的发展而发展起来的一种新的加工工艺技术，近年来在美国、日本、 德国等工业发达国家的制造业中得到了广泛的应用。该成形工艺的应用使得塑性 成形质量、精度、效率等都大大提高，特别适合于加工复杂精密零件， 扩大了 塑性加工范围。流动控制成形主要通过在传统成形的基础上对材料流动的再控制 从而达到成形目的，对零件的成形控制也因不同零件具有不同成形特点而采取不 同的控制方式。如结构阻尼成形通过改变模具局部形状，使材料流经该处的阻力 发生变化，调整各部分材料流动速度，从而达到控制零件成形的目的：背压成形 通过在零件成形过程中施加背压力咀控制零件成形。 背压成形是针对部分零件成形特点和要求而采用背压力来控制其成形的一 种方法，是流动控制成形技术的一种重要方法，汽车空调涡旋盘、汽车安全气囊 等复杂零件均采用背压成形。国外对背压成形技术进行过很多研究，但成功用于 生产的只有日本、德国的一些公司，国内目前在涡旋盘等类似零件背压成形变形 规律的研究还很少。为此本文以涡旋盘零件背压成形为研究对象，采用有限元仿 真和实验相结合的方法来探索这一成形技术的基本规律( 本文中涡旋盘的流动控 制成形即指涡旋盘的背压成形) 。 本章在前人金属流动控制成形技术研究和应用的基础上，对金属流动控制成 形的基本理论进行讨论，目的在于明确涡旋盘流动控制成形的关键技术和研究目 标。 2 1 挤压成形的基本理论”1 3 3 ”1 会属挤压成形技术是一种少无切削加工技术，随着压力加工设备的发展以及 计算机模拟技术的引入，挤压成形己逐渐成为一种常用的精密塑性成形工艺。挤 压是利用模具的压力使模腔内的金属毛坯产生塑性流动，从而获得所需的形状、 尺寸并具有一定机械强度的工艺。挤压工艺有很多优点，它可以节约原材料，提 高生产率，提高零件机械性能，加工形状复杂的零件，提高零件精度及表面粗糙 高生产率，提高零件机械性能，加工形状复杂的零件，提高零件精度及表面粗糙 第二章金属流动控制成形技术 度，减少工序，缩短生产周期。 2 1 1 基本类形 按照金属流动方向与凸模运动方向的关系划分，挤压有三种基本类形： ( 1 ) 正挤压金属流动方向与凸模运动方向相同，正挤压可以制造实心秆零 件，也可以制造管形及深孔零件。 ( 2 ) 反挤压反挤压时，毛坯在凸模的压力作用下，迫使金属在凹模和凸模之 间的环形间隙里被挤出向上流动，与凸模作用方向相反。凡金属的流动方 向与凸模方向相反的变形过程称为反挤压，反挤压主要用来制造各类杯形 零件。 ( 3 ) 复合挤压复合挤压时，一部分金属流动方向与凸模运动方向相同，另 部分金属流动方向与凸模运动方向相反，也就是说在凸模的压力作用下， 金属向着两个不同的方向流动，发生了双向挤出变形。采用复合挤压可以 制造中间带隔的，双向有孔的，以及具有台阶、突肩的复杂形状零件。 r 、 f l i 嚏霹盘h 阚 正挤压 反挤压 l 复合挤压 图2 1 三种挤压基本方法 2 。l 。2 变形程度 在挤压变形过程中，毛坯的形状、尺寸都要发生变化，变形的大小即为变形 程度，也称为交形率，通常以断面收缩率来表示。箕定义为；挤殛蘸、后横粝霞 积差与毛坯横断面积之比的百分数。即： 一口厂 第二章金属流动控制成形技术 一= a o 如- a 必1 0 0 式中a 挤压变形前毛坯的横断面积( 毫米2 ) 爿挤压后的横断面积( 毫米2 ) 变形程度是挤压工艺计算与设计的主要技术参数，是衡量挤压压力的主要因 素，变形程度愈大，挤压力也愈大。从凸模的设计角度考虑，过大的变形程度可 能使工具的负载过大而破坏。 2 1 ，3 挤压力及其相关因素 挤压变形过程大体可以分为四个阶段，以lf - 挤压棒材为例，变形情况为：i 充满阶段：凸模压到毛坯上，毛坯被镦耦产生径向流动直至充满模腔。i i 开始 挤出阶段：凸模挤压毛坯将其挤至凹模孔口；f 【稳定挤压阶段：金属从模孔中 连续挤出i v 终了挤压阶段。 p 案 避 盘扛 s 挤压行程 图2 - 2 e 挤压捧材金属流动匹阶段及压力隧挤压行程的变化关系 影响挤压力大小的因素主要有： 一变形程度 变形程度增加时，变形抗力不断增加，挤压力越来越大：