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转子温锻成形工艺方案和有限元模拟分析

时间:2019-11-11 来源:科技风 作者:冯飞 本文字数:2685字

  摘    要: 以一种更具效率的方式加工转子毛坯,本文所提及的转子广泛应用于滑片式空气压缩机。转子的外形结构比较简单,两端各一个直径较细的轴肩,中间部分直径较大,本文制定了转子温锻成形的工艺方案,采用刚塑性有限元法对其成形过程进行模拟,同时在此基础上对工艺方案进行优化,以期许一种高效、节约的毛坯形式能替代传统毛坯结构。

  关键词: 转子; 有限元模拟; 温锻成形;

  近年来,随着人们生活水平的不断提高以及工业技术水平的快速发展,各行各业对零部件的要求越来越高,这也间接地促进了机械设备的发展达到了崭新的水平。也正是由于不断地有新的技术以及新产品的出现才促进了工农业的发展,生产能力得到了更有效的保证。空气压缩机作为机械设备中的一员,在这种快速发展潮流的涌动下也正悄悄地进行着一场革命,从活塞式压缩机到螺杆式压缩机再到滑片式压缩机,空压机的内在品质发生了质的飞跃,。而这种行业发展的本质也间接地说明了了机械设备在未来的发展方向:机械传动过程中德的运动部件将会逐步减少,而零部件的加工、配合精密度的要求也将会逐步提高。滑片式空气压缩压机也被成为旋转叶片式压缩机,其工作原理是通过转子转动时,转子滑槽中的叶片与气缸之间密封空间的变化实现气体压缩,最终实现将电机带动转子转动的机械能转化成为气体流动的一种压缩机。滑片式空气压缩机是容积式压缩机家族成员中的一员,与活塞式空压机相比,它没有活塞运动,也就没有吸气、排气阀和曲轴连杆结构,同时由于其结构比较简单,能够同原电机直接连接,因此转速可较高。与活塞式压缩机和螺杆式压缩机相比制造相对容易,操作维修保养方便,同时由于滑片式空压机是回转式的容积压缩机,所以其在工作过程中比较平静,振动小,没有复杂的程序。滑片式空压机以体积小、重量轻、噪音低、操作简单可靠性高的优势,被广泛的应用到新能源客车、电车领域。滑片式空气压缩机的主机部分主要是由转子和定子组成,其结构与叶片泵的结构相仿,都是在转子上切有纵向的滑槽以供滑片能够在滑槽中滑动;气缸作为定子,将转子偏心安装在气缸中,然后将气缸两端以缸盖密封。当空气压缩机工作时,由电动机带动转子在气缸中转动,由于转子在高速旋转时产生较大的离心力,使得滑片自滑槽中甩出直至与气缸紧密接触,从而在滑片、转子外壁与气缸内壁间形成一个封闭的空间。其工作原理是在吸气过程中,空气经由过滤器被吸入压缩腔,并与喷入主机内的润滑油混合。在压缩过程中,由于转子与气缸之间是偏心安装,所以随着转子的转动,两个叶片之间的密闭空间的体积会随转子的转动而逐渐缩小,密闭空间中的气体压力就会随着密闭空间的变小而升高,之后油气混合物通过排气口高压排出。

  1、 工艺方案制定

  转子的传统工艺是首先经过铸造得到毛坯,由于铸件在铸造时会产生气孔、缩孔、疏松、夹层、偏析等缺陷,所以就导致需要在机加工时将这些缺陷车除从而导致机加工生产效率的降低。还有一种工艺是直接用圆钢车削,这种工艺的同样加工余量比较大,尤其是轴肩部分;这两种加工工艺的余量大从而导致材料损耗大、加工周期长从而使得成本较高。而经过锻造成形的毛坯则不会出现铸造所产生的这些缺陷,所以锻造成形的毛坯的加工余量要比铸造和圆钢的小,并且金属材料在经过温锻锻造成形的方法加工后,金属材料会发生再结晶现象,使原来钢锭或者圆钢棒料出厂时的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织,并且由于锻造压力的作用使金属材料中原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合,使得金属材料的组织变得更加致密,从而对金属材料的力学性能有一定的强化和提升作用。此外由于锻造过程中金属材料在模具中产生流动现象并与模具内部形状(产品的外形)一致,其中的纤维组织保留完整,从而可以保证锻件良好的力学性能,这些内部组织的优越性能都是铸件和圆钢所不具有的。由于转子是经过锻造直接成形,并且两端轴肩都是在模具的型腔中,所以其两端轴肩与中间部分的同轴度可以得到较好的保证,因此采取温锻方案。为了避免工件由棒料直接将两端轴肩挤压成形所产生的挤压力过大,因此采取两道工序,棒料先挤压短的轴肩然后再挤压较长的轴肩,所以转子的工艺路线是:下料、抛丸、涂层、加热、内反挤I、内反挤II、机加工。
 

转子温锻成形工艺方案和有限元模拟分析
 

  2、 有限元模拟分析

  转子温锻成形的关键工序是两端轴肩的内反挤成形。由于该工件的长度较长,考虑到设备行程及模具退料,所以选用与转子直径相近的圆钢棒料,这样可以省却镦粗(准备锻前坯料)这一步骤。为了能够深入了解转子内反挤冲头在内反挤这一过程中的受力情况,及金属材料在锻造过程中是否会产生缺陷以及其他问题,因此选择采用Deform-3D有限元分析软件将转子锻造过程中的变形过程参数化模拟。首先选取与转子材质近似的材质ANSI-1045,将其设置为塑性体,并将塑性体转子的坯料温度设置为1000℃,同时将凸模(Topdie)和下模(Botton)温度设置为200℃,并将模具定义为刚性,忽略工件在成形过程中温升效应,坯料与模具的接触摩擦因子选择温锻的0.25,设置主模具Topdie(内反挤冲头)的行程为81mm,并将原始工件分割为50000个四面体有限单元进行分析。根据下图可以清楚地了解到,冲头在将工件镦粗直至充满整个模具内腔后开始轴肩的内反挤时所承受的压力最大,达到6690kN并趋于稳定至终了位置,内反挤冲头的端面截面积约为5636 mm2,内反挤冲头的单位面积受到的压力约1187N/mm2。由于关键工序中,轴肩经过内反挤向上流动时由于金属流动与模具摩擦产生摩擦力导致挤压力增大,因此调整模具结构,在冲头的口部车一个5mm长,角度为5°单边0.2mm的韧带,减少轴肩与冲头之间的摩擦距离从而减少摩擦力,由于内反挤时,内反挤的冲头将转子的整个轴肩包裹在冲头之中,这就导致冲头结构变为杯壁式使得冲头的整体强度有所降低,同时由于冲头于转子的接触部位较多,所以冲头的升温速度较快,根据这一特殊要求所以冲头材料需要选用硬度相对较高并且回火温度相对较高的材质,综合性价比之后选择65Nb或DY44,这两种材质的硬度都可以达到58-60HRC,并且回火温度都在520以上,可以满足转子内反挤冲头易升温的特性。

  3、 结语

  针对有限元分析结果,在确定锻造过程中锻件各台阶处饱满无缺肉现象以及没有折叠等锻造缺陷产生的情况下,通过调整锻造压力机的行程光控来控制内反挤成形出的轴肩高度。针对退料力过大导致退料过程中轴肩部分镦粗或者由于顶杆顶料造成凹陷的现象,由于该产品的中间部分长度角长,与模具的接触长度较大,所以摩擦力较大,因此在凹模上能够保证定位的基础前提下在模具的内腔中车一个单边0.3mm的锥度,从而达到减小退料力的效果。通过实际试制,达到预期效果,能够满足批量生产要求。

  参考文献

  [1] 吴诗.冷温挤压技术[M].北京:机械工业出版社,1995.
  [2]冯飞.梅花联轴器的温锻成形与分析[J].科技风,2018,4,10.

    冯飞.转子的温锻成形与分析[J].科技风,2019(30):132.
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