流體動(dòng)力學(xué)仿真模擬&有限元分析技術(shù)在動(dòng)靜盤(pán)重力澆注中的應(yīng)用

武鵬飛+吳鑫

摘 要：文章闡述了流體動(dòng)力學(xué)仿真&有限元分析技術(shù)， 在渦旋式汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)鋁合金動(dòng)靜盤(pán)毛坯件重力鑄造模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以及在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，分析原因，制定糾正措施，直至成功的探究。

關(guān)鍵詞：流體動(dòng)力學(xué)仿真原理；有限元分析技術(shù)；鋁合金；動(dòng)靜盤(pán)；重力鑄造；應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）27-0041-02

1 概 述

在渦旋式汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)鋁合金動(dòng)靜盤(pán)毛坯件重力鑄造領(lǐng)域， 大多數(shù)企業(yè)都是一模出一件鑄造件，生產(chǎn)工藝極其落后，效率低，浪費(fèi)大。為了提高效率，降低勞動(dòng)力成本，許多企業(yè)在探索一模出四件或多件鑄件，并進(jìn)行模具的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。然而，“一模四腔”新模具，設(shè)計(jì)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，且無(wú)前置經(jīng)驗(yàn)可借鑒，亦無(wú)其他設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)失敗率很高；“模組設(shè)計(jì)→加工制造→試?！薷摹保麄€(gè)過(guò)程無(wú)科學(xué)依據(jù)與分析，只能靠不斷的資金投入，反復(fù)的試驗(yàn)、修改，不斷的“嘗試”。 目的是為了成功，但資金投入大，制造、試驗(yàn)成本高，成功率低。

流體動(dòng)力學(xué)仿真&有限元分析技術(shù)， 在其他行業(yè)發(fā)展迅速， 如果將其與模具開(kāi)發(fā)結(jié)合， 可以大大提高設(shè)計(jì)研發(fā)效率和試驗(yàn)、開(kāi)發(fā)的成功率， 降低開(kāi)發(fā)成本。

2 渦旋式壓縮機(jī)動(dòng)靜盤(pán)生產(chǎn)工藝分析

2.1 渦旋式壓縮工作原理

渦旋式壓縮機(jī)是由兩個(gè)渦旋體相互成180o的角，裝配在一起。其中一個(gè)被固定，即靜盤(pán)；另一個(gè)旋轉(zhuǎn)，即為動(dòng)盤(pán)。這一對(duì)漸開(kāi)線(xiàn)形的渦旋體，組成3對(duì)同時(shí)工作的壓縮腔，動(dòng)盤(pán)一方面沿著很小的偏心距（曲軸回轉(zhuǎn)半徑）軌道移動(dòng)（即擺動(dòng)），另一方面與靜盤(pán)接觸做相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，與靜盤(pán)形成3個(gè)變?nèi)莘e的密封腔，每1轉(zhuǎn)中，第1個(gè)腔在吸氣，第2個(gè)腔在壓縮氣體，第3個(gè)腔在排出氣體，也就是說(shuō)，在每個(gè)轉(zhuǎn)角，都在持續(xù)循環(huán)地進(jìn)行吸氣、壓縮、排氣，因此沒(méi)有負(fù)荷的起伏變化，所以渦旋式壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，這種特性對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)非常有利。

2.2 一模四腔的澆注裝置及模具存在的問(wèn)題

目前，渦旋式汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)鋁合金動(dòng)靜盤(pán)生產(chǎn)，主要的幾種制造工藝分別為：重力鑄造、低壓鑄造、液態(tài)模鍛、熱模鍛和背壓成型工藝，其中重力鑄造在規(guī)?；a(chǎn)中應(yīng)用較廣，但是，鋁合金動(dòng)靜盤(pán)重力澆注，普遍采用一模一腔即：一個(gè)模具生產(chǎn)一個(gè)動(dòng)盤(pán)或者靜盤(pán)，效率低，浪費(fèi)大，成本高；一模四腔的澆注裝置及模具，尚在研發(fā)試用階段，存在很多問(wèn)題和技術(shù)難題，如：“一模四件鑄件”鑄造模具，設(shè)計(jì)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，且無(wú)前置經(jīng)驗(yàn)可借鑒，亦無(wú)其他設(shè)計(jì)依據(jù)，設(shè)計(jì)失敗率很高；澆冒口、留道的尺寸、流量、流速的確定；冒口鋁水提前結(jié)晶、遠(yuǎn)端反流補(bǔ)縮效果差；試驗(yàn)過(guò)程中存在充型不滿(mǎn)、有熱結(jié)、熱裂紋、縮孔、砂眼、夾渣等缺陷。

3 一模四腔模具設(shè)計(jì)完成后的動(dòng)力學(xué)仿真模擬&有 限元分析

3.1 “動(dòng)盤(pán)&靜盤(pán)鑄造方案”流體力學(xué)仿真分析

通過(guò)對(duì)一模四腔模具設(shè)計(jì)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真模擬根據(jù)仿真結(jié)果，如圖1所示。我們總結(jié)出了如下改善方案以更好地改善一摸四腔模具的產(chǎn)出質(zhì)量。

3.2 鑄造方案改善

毛胚頂部表面疏松&縮孔：①增加澆口與冒口高度（澆鑄量）；②頂部加強(qiáng)筋疏松部位增加鑄造余量，并增加排氣功能；③請(qǐng)供應(yīng)商嚴(yán)格管控設(shè)計(jì)精準(zhǔn)度，保持毛胚件水平，并將澆道詳細(xì)設(shè)計(jì)方案提供給研發(fā)小組評(píng)估；④鑄件缺少編號(hào)，請(qǐng)供應(yīng)商糾正設(shè)計(jì)。

3.3 相關(guān)配套改善

避免冒口補(bǔ)澆，降低人力作業(yè)強(qiáng)度；模具加熱與冷卻必須自動(dòng)化；模具配套需要符合環(huán)保要求，增加安全光柵，急停開(kāi)關(guān)等設(shè)備，避免發(fā)生事故。

4 動(dòng)力學(xué)仿真模擬&有限元分析在“一模四件”鋁合 金動(dòng)靜盤(pán)重力澆注中應(yīng)用

“一模四腔”重力鑄造鋁合金動(dòng)盤(pán)模具，設(shè)計(jì)、仿真模擬、修正后，隨即在工廠進(jìn)行了渦旋式動(dòng)盤(pán)重力澆注試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)2次試驗(yàn)，成型毛坯件（一模出4件鑄件）終于成功鑄造出來(lái)。但毛坯件呈現(xiàn)以下缺陷：

①動(dòng)盤(pán)渦旋根部、軸承孔底部出現(xiàn)了不同程度的熱裂紋；

②基圓底平面有凹坑；

③帽口較大、較厚不利于后步工序敲掉帽口，甚至?xí)谇妹笨跁r(shí)將動(dòng)盤(pán)基體敲壞（俗稱(chēng)“掉肉”）。

④澆注流道與動(dòng)盤(pán)體聯(lián)接處凸出，有較大的臺(tái)階，車(chē)削加工時(shí)不便于裝夾，且易打壞刀具。

⑤有熱結(jié)、熱縮現(xiàn)象。

針對(duì)上述存在的問(wèn)題和出現(xiàn)的缺陷，我們應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真模擬&有限元分析原理，進(jìn)行缺陷原因分析，并提出改進(jìn)措施。

5 技術(shù)改進(jìn)效果

①完成&完善。毛胚件（出模整件）之3D圖紙，如圖2所示。

②利用流體動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)毛胚件做有限元分析。如圖3所示。

③按照需求（如 表面品質(zhì)， 重力分析， 熱節(jié)分析等）， 按照環(huán)境要求（如 材料特性， 環(huán)境溫度， 充型速率等）進(jìn)行仿真， 制作成鑄造仿真分析動(dòng)畫(huà)。如圖4所示。

④ 根據(jù)仿真分析結(jié)果， 修改毛胚件（出模整件）設(shè)計(jì)， 優(yōu)化模具設(shè)計(jì)，如圖5所示。

由圖5可以看出樣品正面和背面分別出現(xiàn)冷隔和裂紋現(xiàn)象，通過(guò)仿真分析我們得知出現(xiàn)冷隔的原因主要有：模具溫度和鋁液溫度較低；排氣不暢；冒口的澆口??；澆鑄速度太慢或澆鑄中斷所致。

建議方案：提高鋁液與模具溫度；適當(dāng)提高澆鑄速度；適當(dāng)增大冒口澆口。

出現(xiàn)裂紋的主要原因有：鑄件有尖角或厚薄過(guò)渡不圓滑；局部溫度過(guò)高；未凝固即開(kāi)模；縮補(bǔ)不足。

建議方案：檢查毛胚圖紙，倒圓角，調(diào)整厚?。蛔⒁馔苛虾穸?；增大冒口補(bǔ)縮；考慮是否放置冷鐵。

⑤“設(shè)計(jì)-仿真-優(yōu)化設(shè)計(jì)”過(guò)程中， 仿真為主導(dǎo)， 優(yōu)化設(shè)計(jì)， 提升成本優(yōu)勢(shì)與設(shè)計(jì)成功率.

6 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)在渦旋式汽車(chē)空調(diào)壓縮機(jī)鋁合金動(dòng)靜盤(pán)毛坯件重力鑄造模具設(shè)計(jì)中，應(yīng)用流體動(dòng)力學(xué)仿真&有限元分析技術(shù)，可以生動(dòng)形象地觀察出實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的主要問(wèn)題，并找出相應(yīng)的解決方案， 大大提高設(shè)計(jì)研發(fā)效率和試驗(yàn)、開(kāi)發(fā)的成功率， 降低開(kāi)發(fā)成本。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬燕山，謝英花，任國(guó)山，等.建立下肢動(dòng)脈血管有限元模型及模擬計(jì)算 流體力學(xué)[J].中國(guó)醫(yī)學(xué)影像技術(shù)，2011，（10）.