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轉子溫鍛成形工藝方案和有限元模擬分析

時間:2019-11-11 來源:科技風 作者:馮飛 本文字數:2685字

  摘    要: 以一種更具效率的方式加工轉子毛坯,本文所提及的轉子廣泛應用于滑片式空氣壓縮機。轉子的外形結構比較簡單,兩端各一個直徑較細的軸肩,中間部分直徑較大,本文制定了轉子溫鍛成形的工藝方案,采用剛塑性有限元法對其成形過程進行模擬,同時在此基礎上對工藝方案進行優化,以期許一種高效、節約的毛坯形式能替代傳統毛坯結構。

  關鍵詞: 轉子; 有限元模擬; 溫鍛成形;

  近年來,隨著人們生活水平的不斷提高以及工業技術水平的快速發展,各行各業對零部件的要求越來越高,這也間接地促進了機械設備的發展達到了嶄新的水平。也正是由于不斷地有新的技術以及新產品的出現才促進了工農業的發展,生產能力得到了更有效的保證。空氣壓縮機作為機械設備中的一員,在這種快速發展潮流的涌動下也正悄悄地進行著一場革命,從活塞式壓縮機到螺桿式壓縮機再到滑片式壓縮機,空壓機的內在品質發生了質的飛躍,。而這種行業發展的本質也間接地說明了了機械設備在未來的發展方向:機械傳動過程中德的運動部件將會逐步減少,而零部件的加工、配合精密度的要求也將會逐步提高。滑片式空氣壓縮壓機也被成為旋轉葉片式壓縮機,其工作原理是通過轉子轉動時,轉子滑槽中的葉片與氣缸之間密封空間的變化實現氣體壓縮,最終實現將電機帶動轉子轉動的機械能轉化成為氣體流動的一種壓縮機。滑片式空氣壓縮機是容積式壓縮機家族成員中的一員,與活塞式空壓機相比,它沒有活塞運動,也就沒有吸氣、排氣閥和曲軸連桿結構,同時由于其結構比較簡單,能夠同原電機直接連接,因此轉速可較高。與活塞式壓縮機和螺桿式壓縮機相比制造相對容易,操作維修保養方便,同時由于滑片式空壓機是回轉式的容積壓縮機,所以其在工作過程中比較平靜,振動小,沒有復雜的程序。滑片式空壓機以體積小、重量輕、噪音低、操作簡單可靠性高的優勢,被廣泛的應用到新能源客車、電車領域。滑片式空氣壓縮機的主機部分主要是由轉子和定子組成,其結構與葉片泵的結構相仿,都是在轉子上切有縱向的滑槽以供滑片能夠在滑槽中滑動;氣缸作為定子,將轉子偏心安裝在氣缸中,然后將氣缸兩端以缸蓋密封。當空氣壓縮機工作時,由電動機帶動轉子在氣缸中轉動,由于轉子在高速旋轉時產生較大的離心力,使得滑片自滑槽中甩出直至與氣缸緊密接觸,從而在滑片、轉子外壁與氣缸內壁間形成一個封閉的空間。其工作原理是在吸氣過程中,空氣經由過濾器被吸入壓縮腔,并與噴入主機內的潤滑油混合。在壓縮過程中,由于轉子與氣缸之間是偏心安裝,所以隨著轉子的轉動,兩個葉片之間的密閉空間的體積會隨轉子的轉動而逐漸縮小,密閉空間中的氣體壓力就會隨著密閉空間的變小而升高,之后油氣混合物通過排氣口高壓排出。

  1、 工藝方案制定

  轉子的傳統工藝是首先經過鑄造得到毛坯,由于鑄件在鑄造時會產生氣孔、縮孔、疏松、夾層、偏析等缺陷,所以就導致需要在機加工時將這些缺陷車除從而導致機加工生產效率的降低。還有一種工藝是直接用圓鋼車削,這種工藝的同樣加工余量比較大,尤其是軸肩部分;這兩種加工工藝的余量大從而導致材料損耗大、加工周期長從而使得成本較高。而經過鍛造成形的毛坯則不會出現鑄造所產生的這些缺陷,所以鍛造成形的毛坯的加工余量要比鑄造和圓鋼的小,并且金屬材料在經過溫鍛鍛造成形的方法加工后,金屬材料會發生再結晶現象,使原來鋼錠或者圓鋼棒料出廠時的粗大枝晶和柱狀晶粒變為晶粒較細、大小均勻的等軸再結晶組織,并且由于鍛造壓力的作用使金屬材料中原有的偏析、疏松、氣孔、夾渣等壓實和焊合,使得金屬材料的組織變得更加致密,從而對金屬材料的力學性能有一定的強化和提升作用。此外由于鍛造過程中金屬材料在模具中產生流動現象并與模具內部形狀(產品的外形)一致,其中的纖維組織保留完整,從而可以保證鍛件良好的力學性能,這些內部組織的優越性能都是鑄件和圓鋼所不具有的。由于轉子是經過鍛造直接成形,并且兩端軸肩都是在模具的型腔中,所以其兩端軸肩與中間部分的同軸度可以得到較好的保證,因此采取溫鍛方案。為了避免工件由棒料直接將兩端軸肩擠壓成形所產生的擠壓力過大,因此采取兩道工序,棒料先擠壓短的軸肩然后再擠壓較長的軸肩,所以轉子的工藝路線是:下料、拋丸、涂層、加熱、內反擠I、內反擠II、機加工。
 

轉子溫鍛成形工藝方案和有限元模擬分析
 

  2、 有限元模擬分析

  轉子溫鍛成形的關鍵工序是兩端軸肩的內反擠成形。由于該工件的長度較長,考慮到設備行程及模具退料,所以選用與轉子直徑相近的圓鋼棒料,這樣可以省卻鐓粗(準備鍛前坯料)這一步驟。為了能夠深入了解轉子內反擠沖頭在內反擠這一過程中的受力情況,及金屬材料在鍛造過程中是否會產生缺陷以及其他問題,因此選擇采用Deform-3D有限元分析軟件將轉子鍛造過程中的變形過程參數化模擬。首先選取與轉子材質近似的材質ANSI-1045,將其設置為塑性體,并將塑性體轉子的坯料溫度設置為1000℃,同時將凸模(Topdie)和下模(Botton)溫度設置為200℃,并將模具定義為剛性,忽略工件在成形過程中溫升效應,坯料與模具的接觸摩擦因子選擇溫鍛的0.25,設置主模具Topdie(內反擠沖頭)的行程為81mm,并將原始工件分割為50000個四面體有限單元進行分析。根據下圖可以清楚地了解到,沖頭在將工件鐓粗直至充滿整個模具內腔后開始軸肩的內反擠時所承受的壓力最大,達到6690kN并趨于穩定至終了位置,內反擠沖頭的端面截面積約為5636 mm2,內反擠沖頭的單位面積受到的壓力約1187N/mm2。由于關鍵工序中,軸肩經過內反擠向上流動時由于金屬流動與模具摩擦產生摩擦力導致擠壓力增大,因此調整模具結構,在沖頭的口部車一個5mm長,角度為5°單邊0.2mm的韌帶,減少軸肩與沖頭之間的摩擦距離從而減少摩擦力,由于內反擠時,內反擠的沖頭將轉子的整個軸肩包裹在沖頭之中,這就導致沖頭結構變為杯壁式使得沖頭的整體強度有所降低,同時由于沖頭于轉子的接觸部位較多,所以沖頭的升溫速度較快,根據這一特殊要求所以沖頭材料需要選用硬度相對較高并且回火溫度相對較高的材質,綜合性價比之后選擇65Nb或DY44,這兩種材質的硬度都可以達到58-60HRC,并且回火溫度都在520以上,可以滿足轉子內反擠沖頭易升溫的特性。

  3、 結語

  針對有限元分析結果,在確定鍛造過程中鍛件各臺階處飽滿無缺肉現象以及沒有折疊等鍛造缺陷產生的情況下,通過調整鍛造壓力機的行程光控來控制內反擠成形出的軸肩高度。針對退料力過大導致退料過程中軸肩部分鐓粗或者由于頂桿頂料造成凹陷的現象,由于該產品的中間部分長度角長,與模具的接觸長度較大,所以摩擦力較大,因此在凹模上能夠保證定位的基礎前提下在模具的內腔中車一個單邊0.3mm的錐度,從而達到減小退料力的效果。通過實際試制,達到預期效果,能夠滿足批量生產要求。

  參考文獻

  [1] 吳詩.冷溫擠壓技術[M].北京:機械工業出版社,1995.
  [2]馮飛.梅花聯軸器的溫鍛成形與分析[J].科技風,2018,4,10.

    馮飛.轉子的溫鍛成形與分析[J].科技風,2019(30):132.
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