论文部分内容阅读
摘 要：文章阐述了流体动力学仿真&有限元分析技术， 在涡旋式汽车空调压缩机铝合金动静盘毛坯件重力铸造模具设计中的应用，以及在试验过程中出现问题时，分析原因，制定纠正措施，直至成功的探究。
关键词：流体动力学仿真原理；有限元分析技术；铝合金；动静盘；重力铸造；应用
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0041-02
1 概 述
在涡旋式汽车空调压缩机铝合金动静盘毛坯件重力铸造领域， 大多数企业都是一模出一件铸造件，生产工艺极其落后，效率低，浪费大。为了提高效率，降低劳动力成本，许多企业在探索一模出四件或多件铸件，并进行模具的创新设计和开发。然而，“一模四腔”新模具，设计复杂，造价昂贵，且无前置经验可借鉴，亦无其他设计依据，设计失败率很高；“模组设计→加工制造→试模→修改”，整个过程无科学依据与分析，只能靠不断的资金投入，反复的试验、修改，不断的“尝试”。 目的是为了成功，但资金投入大，制造、试验成本高，成功率低。
流体动力学仿真&有限元分析技术， 在其他行业发展迅速， 如果将其与模具开发结合， 可以大大提高设计研发效率和试验、开发的成功率， 降低开发成本。
2 涡旋式压缩机动静盘生产工艺分析
2.1 涡旋式压缩工作原理
涡旋式压缩机是由两个涡旋体相互成180o的角，装配在一起。其中一个被固定，即静盘；另一个旋转，即为动盘。这一对渐开线形的涡旋体，组成3对同时工作的压缩腔，动盘一方面沿着很小的偏心距（曲轴回转半径）轨道移动（即摆动），另一方面与静盘接触做相对转动，与静盘形成3个变容积的密封腔，每1转中，第1个腔在吸气，第2个腔在压缩气体，第3个腔在排出气体，也就是说，在每个转角，都在持续循环地进行吸气、压缩、排气，因此没有负荷的起伏变化，所以涡旋式压缩机运转非常平稳，这种特性对发动机非常有利。
2.2 一模四腔的浇注装置及模具存在的问题
目前，涡旋式汽车空调压缩机铝合金动静盘生产，主要的几种制造工艺分别为：重力铸造、低压铸造、液态模锻、热模锻和背压成型工艺，其中重力铸造在规模化生产中应用较广，但是，铝合金动静盘重力浇注，普遍采用一模一腔即：一个模具生产一个动盘或者静盘，效率低，浪费大，成本高；一模四腔的浇注装置及模具，尚在研发试用阶段，存在很多问题和技术难题，如：“一模四件铸件”铸造模具，设计复杂，造价昂贵，且无前置经验可借鉴，亦无其他设计依据，设计失败率很高；浇冒口、留道的尺寸、流量、流速的确定；冒口铝水提前结晶、远端反流补缩效果差；试验过程中存在充型不满、有热结、热裂纹、缩孔、砂眼、夹渣等缺陷。
3 一模四腔模具设计完成后的动力学仿真模拟&有 限元分析
3.1 “动盘&静盘铸造方案”流体力学仿真分析
通过对一模四腔模具设计进行动力学仿真模拟根据仿真结果，如图1所示。我们总结出了如下改善方案以更好地改善一摸四腔模具的产出质量。
3.2 铸造方案改善
毛胚顶部表面疏松&缩孔：①增加浇口与冒口高度（浇铸量）；②顶部加强筋疏松部位增加铸造余量，并增加排气功能；③请供应商严格管控设计精准度，保持毛胚件水平，并将浇道详细设计方案提供给研发小组评估；④铸件缺少编号，请供应商纠正设计。
3.3 相关配套改善
避免冒口补浇，降低人力作业强度；模具加热与冷却必须自动化；模具配套需要符合环保要求，增加安全光栅，急停开关等设备，避免发生事故。
4 动力学仿真模拟&有限元分析在“一模四件”铝合 金动静盘重力浇注中应用
“一模四腔”重力铸造铝合金动盘模具，设计、仿真模拟、修正后，随即在工厂进行了涡旋式动盘重力浇注试验，经过2次试验，成型毛坯件（一模出4件铸件）终于成功铸造出来。但毛坯件呈現以下缺陷：
①动盘涡旋根部、轴承孔底部出现了不同程度的热裂纹；
②基圆底平面有凹坑；
③帽口较大、较厚不利于后步工序敲掉帽口，甚至会在敲帽口时将动盘基体敲坏（俗称“掉肉”）。
④浇注流道与动盘体联接处凸出，有较大的台阶，车削加工时不便于装夹，且易打坏刀具。
⑤有热结、热缩现象。
针对上述存在的问题和出现的缺陷，我们应用动力学仿真模拟&有限元分析原理，进行缺陷原因分析，并提出改进措施。
5 技术改进效果
①完成&完善。毛胚件（出模整件）之3D图纸，如图2所示。
②利用流体动力学仿真软件对毛胚件做有限元分析。如图3所示。
③按照需求（如 表面品质， 重力分析， 热节分析等）， 按照环境要求（如 材料特性， 环境温度， 充型速率等）进行仿真， 制作成铸造仿真分析动画。如图4所示。
④ 根据仿真分析结果， 修改毛胚件（出模整件）设计， 优化模具设计，如图5所示。
由图5可以看出样品正面和背面分别出现冷隔和裂纹现象，通过仿真分析我们得知出现冷隔的原因主要有：模具温度和铝液温度较低；排气不畅；冒口的浇口小；浇铸速度太慢或浇铸中断所致。
建议方案：提高铝液与模具温度；适当提高浇铸速度；适当增大冒口浇口。
出现裂纹的主要原因有：铸件有尖角或厚薄过渡不圆滑；局部温度过高；未凝固即开模；缩补不足。
建议方案：检查毛胚图纸，倒圆角，调整厚薄；注意涂料厚度；增大冒口补缩；考虑是否放置冷铁。
⑤“设计-仿真-优化设计”过程中， 仿真为主导， 优化设计， 提升成本优势与设计成功率.
6 结 语
综上所述，通过在涡旋式汽车空调压缩机铝合金动静盘毛坯件重力铸造模具设计中，应用流体动力学仿真&有限元分析技术，可以生动形象地观察出实验过程中存在的主要问题，并找出相应的解决方案， 大大提高设计研发效率和试验、开发的成功率， 降低开发成本。
参考文献：
[1] 马燕山，谢英花，任国山，等.建立下肢动脉血管有限元模型及模拟计算 流体力学[J].中国医学影像技术，2011，（10）.
关键词：流体动力学仿真原理；有限元分析技术；铝合金；动静盘；重力铸造；应用
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）27-0041-02
1 概 述
在涡旋式汽车空调压缩机铝合金动静盘毛坯件重力铸造领域， 大多数企业都是一模出一件铸造件，生产工艺极其落后，效率低，浪费大。为了提高效率，降低劳动力成本，许多企业在探索一模出四件或多件铸件，并进行模具的创新设计和开发。然而，“一模四腔”新模具，设计复杂，造价昂贵，且无前置经验可借鉴，亦无其他设计依据，设计失败率很高；“模组设计→加工制造→试模→修改”，整个过程无科学依据与分析，只能靠不断的资金投入，反复的试验、修改，不断的“尝试”。 目的是为了成功，但资金投入大，制造、试验成本高，成功率低。
流体动力学仿真&有限元分析技术， 在其他行业发展迅速， 如果将其与模具开发结合， 可以大大提高设计研发效率和试验、开发的成功率， 降低开发成本。
2 涡旋式压缩机动静盘生产工艺分析
2.1 涡旋式压缩工作原理
涡旋式压缩机是由两个涡旋体相互成180o的角，装配在一起。其中一个被固定，即静盘；另一个旋转，即为动盘。这一对渐开线形的涡旋体，组成3对同时工作的压缩腔，动盘一方面沿着很小的偏心距（曲轴回转半径）轨道移动（即摆动），另一方面与静盘接触做相对转动，与静盘形成3个变容积的密封腔，每1转中，第1个腔在吸气，第2个腔在压缩气体，第3个腔在排出气体，也就是说，在每个转角，都在持续循环地进行吸气、压缩、排气，因此没有负荷的起伏变化，所以涡旋式压缩机运转非常平稳，这种特性对发动机非常有利。
2.2 一模四腔的浇注装置及模具存在的问题
目前，涡旋式汽车空调压缩机铝合金动静盘生产，主要的几种制造工艺分别为：重力铸造、低压铸造、液态模锻、热模锻和背压成型工艺，其中重力铸造在规模化生产中应用较广，但是，铝合金动静盘重力浇注，普遍采用一模一腔即：一个模具生产一个动盘或者静盘，效率低，浪费大，成本高；一模四腔的浇注装置及模具，尚在研发试用阶段，存在很多问题和技术难题，如：“一模四件铸件”铸造模具，设计复杂，造价昂贵，且无前置经验可借鉴，亦无其他设计依据，设计失败率很高；浇冒口、留道的尺寸、流量、流速的确定；冒口铝水提前结晶、远端反流补缩效果差；试验过程中存在充型不满、有热结、热裂纹、缩孔、砂眼、夹渣等缺陷。
3 一模四腔模具设计完成后的动力学仿真模拟&有 限元分析
3.1 “动盘&静盘铸造方案”流体力学仿真分析
通过对一模四腔模具设计进行动力学仿真模拟根据仿真结果，如图1所示。我们总结出了如下改善方案以更好地改善一摸四腔模具的产出质量。
3.2 铸造方案改善
毛胚顶部表面疏松&缩孔：①增加浇口与冒口高度（浇铸量）；②顶部加强筋疏松部位增加铸造余量，并增加排气功能；③请供应商严格管控设计精准度，保持毛胚件水平，并将浇道详细设计方案提供给研发小组评估；④铸件缺少编号，请供应商纠正设计。
3.3 相关配套改善
避免冒口补浇，降低人力作业强度；模具加热与冷却必须自动化；模具配套需要符合环保要求，增加安全光栅，急停开关等设备，避免发生事故。
4 动力学仿真模拟&有限元分析在“一模四件”铝合 金动静盘重力浇注中应用
“一模四腔”重力铸造铝合金动盘模具，设计、仿真模拟、修正后，随即在工厂进行了涡旋式动盘重力浇注试验，经过2次试验，成型毛坯件（一模出4件铸件）终于成功铸造出来。但毛坯件呈現以下缺陷：
①动盘涡旋根部、轴承孔底部出现了不同程度的热裂纹；
②基圆底平面有凹坑；
③帽口较大、较厚不利于后步工序敲掉帽口，甚至会在敲帽口时将动盘基体敲坏（俗称“掉肉”）。
④浇注流道与动盘体联接处凸出，有较大的台阶，车削加工时不便于装夹，且易打坏刀具。
⑤有热结、热缩现象。
针对上述存在的问题和出现的缺陷，我们应用动力学仿真模拟&有限元分析原理，进行缺陷原因分析，并提出改进措施。
5 技术改进效果
①完成&完善。毛胚件（出模整件）之3D图纸，如图2所示。
②利用流体动力学仿真软件对毛胚件做有限元分析。如图3所示。
③按照需求（如 表面品质， 重力分析， 热节分析等）， 按照环境要求（如 材料特性， 环境温度， 充型速率等）进行仿真， 制作成铸造仿真分析动画。如图4所示。
④ 根据仿真分析结果， 修改毛胚件（出模整件）设计， 优化模具设计，如图5所示。
由图5可以看出样品正面和背面分别出现冷隔和裂纹现象，通过仿真分析我们得知出现冷隔的原因主要有：模具温度和铝液温度较低；排气不畅；冒口的浇口小；浇铸速度太慢或浇铸中断所致。
建议方案：提高铝液与模具温度；适当提高浇铸速度；适当增大冒口浇口。
出现裂纹的主要原因有：铸件有尖角或厚薄过渡不圆滑；局部温度过高；未凝固即开模；缩补不足。
建议方案：检查毛胚图纸，倒圆角，调整厚薄；注意涂料厚度；增大冒口补缩；考虑是否放置冷铁。
⑤“设计-仿真-优化设计”过程中， 仿真为主导， 优化设计， 提升成本优势与设计成功率.
6 结 语
综上所述，通过在涡旋式汽车空调压缩机铝合金动静盘毛坯件重力铸造模具设计中，应用流体动力学仿真&有限元分析技术，可以生动形象地观察出实验过程中存在的主要问题，并找出相应的解决方案， 大大提高设计研发效率和试验、开发的成功率， 降低开发成本。
参考文献：
[1] 马燕山，谢英花，任国山，等.建立下肢动脉血管有限元模型及模拟计算 流体力学[J].中国医学影像技术，2011，（10）.