Abstract ：

在“碳达峰、碳中和”背景下，我国氢能及燃料电池汽车产业发展迅速。作为典型的多层、薄壁杯类复杂件，涡旋盘是氢燃料电池系统用涡旋式氢循环泵的核心零件，其性能的优劣对氢燃料电池汽车的氢循系统性能有着极其重要的影响。主要综述了国内外涡旋盘的成形工艺，包括数控铣削、液态压铸、液态模锻、固态热锻、粉末冶金成形等，并分析探讨了不同成形工艺的优缺点；在此基础上，结合笔者的研究经历着重介绍了一种具有“高效短流程”特点的一模四件涡旋盘零件半固态多向挤压成形新工艺，设计了相应的成形模具，并详细介绍了适用于该工艺的模具浇道系统。

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半固态成形 固态热锻 涡旋盘 液态压铸

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本发明基于四轴数控铣床的涡旋盘体误差在机测量方法，目的是解决涡旋盘加工过程中的三维体误差在位快速测量的难题。该测量方法如下：基于涡旋盘数控加工机床，铣刀与测头具有同一安装接口，铣削完成后，以换刀形式将铣刀替换为测头。该测头为三并联电感集成测头，安装标定后一次测量可以获得涡旋盘竖直方向上的三组检测数据，完成涡旋盘涡旋体误差评价。基于以上本发明对涡旋盘误差的在机测量方法，避免了涡旋盘在传统量仪上测量时重复装夹误差的影响，提高了测量效率和测量精度。基于三维涡旋体误差的评价，在加工中适时评价工件、装夹误差或刀具局部磨损对涡旋面引起的制造误差，弥补传统测量中仅对单个涡旋线进行误差评价的局限性。

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在面向高档汽车压缩机涡旋盘零件的加工需求背景下,对其加工装备做了基础设计,并根据课题组基础设定了装备部件的材料.对装备的各运动部件进行了精度分配,得到了课题5μm加工要求需要设计3μm的装备模型,由此设计了装备模型.在装备模型中间加工状态和两端加工状态两种极限状态下分别做了静力学仿真分析,对比了基础设计模型和优化设计模型.在中间加工状态下,基础设计模型加工点位置处和传动部件位置处的变形由0.298μm和0.20μm分别优化到优化设计模型的0.172μm和0.155μm;在两端加工状态下,基础设计模型加工点位置处和传动部件位置处的变形由0.301μm和0.197μm分别优化到优化设计模型的0.197μm和0.201μm.

Keyword ：

仿真分析 基础设计 精度分配 优化设计

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在面向高档汽车压缩机涡旋盘零件的加工需求背景下,对其加工装备做了基础设计,并根据课题组基础设定了装备部件的材料.对装备的相关外部影响因素进行了精度分析,得到了课题5μm加工要求需要设计3μm的装备模型,由此设计了装备床身模型.在床身模型中基础设计和优化加筋两种方案下分别做了静力学仿真分析,对比了基础设计模型和优化设计模型.床身基础方案的总变形为0.41μm,斜筋方案为0.27μm,圆筋方案为0.32μm,并分析了在X、Y、Z三个方向的变形.

Keyword ：

仿真分析 基础设计 精度分配 优化设计

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本发明公开了基于数控运动平台的涡旋盘测量方法及装置，包括主机底座、回转平台、翻转夹持部件、两极光栅扫描双球测头部件、径向轴、垂直轴、切向轴运动机构组成。该测头部件采用两极光栅扫描双球测头结构。该测头部件配合四轴运动平台及翻转夹持部件实现汽车空调涡旋压缩机涡旋盘关键形位尺寸的快速高效且精确的在线测量，该装置可有效避免测量过程中干涉的发生，工件通过一次装夹，建立起涡旋盘工件的坐标基准，检测软件通过采用改进的基于极坐标的极半径误差数学模型完成涡旋盘内外旋线的轮廓度等关键测量项目的快速分析。该设备可用于涡旋盘生产线上形位误差的快速检测，检测结果直接反应加工误差，可及时控制加工精度。

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本发明公开了一种无油涡旋压缩机的冷却结构，通过在静涡旋盘和动涡旋盘的涡旋齿背部端面设置热管和散热片，将热管固定在静涡旋盘和动涡旋盘的涡旋齿背部端面，利用热管传导静涡旋盘和动涡旋盘在压缩机工作过程中产生的热量，并且利用平行设置于热管上的散热片，实现静涡旋盘和动涡旋盘的热量集中传导，利用热管相变传热的特点迅速把涡旋压缩机压缩腔内产生的热量运送到气流通道中；然后利用轴流风扇产生的强风把热量带离压缩机组，能够迅速把压缩机内部的热量散到环境中，从而实现高效率的换热需求，来迅速并持续的降低整个涡旋压缩机在工作时的温度，本装置结构简易，实现方便，维护简单。

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本实用新型公开了一种用于无油涡旋压缩机的冷却装置，通过在静涡旋盘和动涡旋盘的涡旋齿背部端面设置热管和散热片，将热管固定在静涡旋盘和动涡旋盘的涡旋齿背部端面，利用热管传导静涡旋盘和动涡旋盘在压缩机工作过程中产生的热量，并且利用平行设置于热管上的散热片，实现静涡旋盘和动涡旋盘的热量集中传导，利用热管相变传热的特点迅速把涡旋压缩机压缩腔内产生的热量运送到气流通道中；然后利用轴流风扇产生的强风把热量带离压缩机组，能够迅速把压缩机内部的热量散到环境中，从而实现高效率的换热需求，来迅速并持续的降低整个涡旋压缩机在工作时的温度，本装置结构简易，实现方便，维护简单。

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涡旋压缩机作为一种回转式压缩机，以其结构紧凑、高效节能、微振低噪以及工作可靠的特点，在小型制冷及空调领域的应用越来越广，其中涡旋压缩机已经广泛应用在各类型的汽车空调中。本文在涡旋压缩机几何理论和数值模拟的基础上对汽车空调涡旋压缩机的内部工作过程进行了理论与实验研究。 本文以涡旋压缩机几何型线为基础，从理论上分析了涡旋压缩机涡盘型线圆渐开线，并对涡圈始端的对称圆弧修正和对称圆弧加直线修正进行了分析。在此基础上计算了涡旋压缩机容积随转角的变化规律，建立了涡旋压缩机内部工作过程的数学模型，包括了热力学模型和气阀模型，对压缩机内部工作过程进行了数值模拟。最后基于汽车空调压缩机测试系统，对样机进行了测试实验。实验采用了引压管的思路，采集了压缩机内部压力的变化情况，并得到了涡旋压缩机的p-V图，并反映出无排气阀和有排气阀情况下涡旋压缩机p-V图状况。 研究结果表明：无气阀的涡旋压缩机会导致排气腔内高压气体回流至涡旋盘压缩腔，造成等容压缩，并且高排气压力下压缩机各个压缩腔之间内泄漏增加。因此，在相同几何参数条件下相比有气阀的涡旋压缩机，无气阀的涡旋压缩机会导致压缩机耗功增加，制冷量下降，系统COP下降。需要在设计无气阀的涡旋压缩机时要充分考虑气体倒流的情况，合理设置排气孔的位置以及形状。另外，实验结果与理论计算具有较好的一致性，验证了数学模型和实验方法的可行性。

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p-V图 涡旋压缩机 几何理论 数值模拟

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压缩机是汽车空调的核心部件。涡旋式压缩机具有高效性、高可靠性、低噪音、体积小重量轻的特点。与传统的压缩机相比，涡旋压缩机因其性能上满足上述特点而在汽车空调的应用上具有明显的优势。其中压缩机中的润滑油可以密封零部件间隙以减少制冷剂的气体泄漏，减少压缩机各摩擦副的摩擦与磨损，降低摩擦副和气体温度。但从两器换热、制冷剂流动与制冷剂蒸发等角度，减少排入系统的润滑油流量(压缩机排油率OCR也即ODR)，也可以大幅提高空调系统的性能。油分离器是涡旋压缩机的一个主要部件，其主要目的是分离润滑油降低整个制冷系统的OCR，其分离效果影响到压缩机以及制冷系统的性能以及经济性；压缩机工作时，被压缩气体的切向力会使得动涡旋盘有相对转动的趋势，这种趋势破坏了压缩机的正常工作，因此采用防自转机构限制其自转。 本文将RANS方程与离散相模型相结合，数值模拟了油气分离器内的气液两相流流场。考虑到油气分离器内流场主要由冲击射流和旋涡流动组成，计算中采用了能够正确模拟上述流动形式的RNG模型。对压缩机不同工况和条件进行了数值模拟，计算了油分离器的排油率、油分离效率、压降。对稳态流场的分析表明速度在从入口进入筒体和从外筒体进入内筒体速度和压力变化最大；油滴粒子轨迹的分析表明直径较大的粒子较容易被分离；计算了排油率和油分离效率，同时计算了在相同工况下，采用油滴破碎时的排油率和油分离效率，并与实验结果对比，发现采用油滴破碎的模拟结果与实验结果的排油率2.65%，相差5.7%，而采用非破碎模型的模拟结果与实验结果差距很大；提高转速从1000rpm到1200rpm排油率降低了16%，油分离效率提高了5.2%。 分析了涡旋压缩机在运转时的防自转结构的受力情况，当柱销数从原来的4个增大为6个的时候最大受力减小了33.3%；在保持动涡盘偏心距不变的情况下，防转孔直径增加2mm，平均接触应力和最大接触应力两者均降低了22.6%。

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防自转机构 涡旋压缩机 数值模拟 油分离器

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半固态成形兼顾液态成形的易流动性及固态成形的高力学性能，易于实现复杂零件的近净成形，被誉为21世纪最有前途的金属加工技术之一。本文以汽车空调压缩机用铝合金涡旋盘为应用研究背景，对半固态2A50铝合金在电磁搅拌制备、二次重熔及汽车空调压缩机用涡旋盘触变挤压铸造成形工艺过程中的流动行为与微观组织演化等问题进行系统深入的理论分析、数值模拟及试验研究。 基于ANSOFT与FLUENT有限元软件，建立了电磁搅拌过程中电磁场、温度场、流场耦合的三维数学模型并对铝合金2A50的电磁搅拌过程进行数值模拟，获得了搅拌电流Is及搅拌频率fs对磁场强度及电磁搅拌力大小及分布的影响规律，分析了不同搅拌强度下浆料温度场及流场的演变行为，并揭示了铝合金2A50半固态浆料的漩涡形成机理。研究结果表明，磁感应强度及电磁搅拌力随搅拌电流Is的增加而增加并随搅拌频率fs的增加而减小，搅拌电流Is对其分布均匀性无明显影响，而增大搅拌频率fs促进集肤效应及端部效应；增加搅拌强度，浆料温度场不断下降且分布更加均匀；浆料的最大速度明显增加且覆盖面积不断扩大，搅拌强度过大会导致浆料中心漩涡直径及深度不断加大，空气深入浆料内部形成大量气孔；指出电磁搅拌下浆料由边缘旋转上升后回流至中心将空气封闭至内部是气孔大量生成的主要原因。 研制出相应的电磁搅拌试验装置，研究了搅拌电流Is、搅拌频率fs、浆料保温温度Th、搅拌筒预热温度Tc对半固态2A50铝合金微观组织演变的影响规律并揭示其形核及生长机制。结果表明，增大Is有效增强搅拌强度，增大fs成倍提高搅拌力转速，以剪切破碎初生树枝晶、形成大量细小晶核，并在浆料的强制对流中漂移增殖及等轴生长，最终形成各位置分布均匀的细小独立的近球状晶粒，但Is 30A且fs 30Hz后，晶粒形貌无明显改善；Th或Tc过低，有效搅拌时间缩短，形成晶界模糊、形貌较差的晶粒团簇；Th或Tc过高则部分晶粒合并粗化，晶粒形貌粗糙；指出其主要形核及生长机制为强制循环对流下的晶核漂移增殖、等轴生长及Ostwald粗化。获得的电磁搅拌制备2A50铝合金半固态浆料的合理工艺参数为Is=30A，fs=30Hz，Th=645℃，Tc=350℃。 将电磁搅拌所制备的半固态2A50铝合金坯料进行不同条件的二次重熔试验研究，开展了在不同初始晶粒形貌、保温温度Tr及保温时间tr等条件下重熔晶粒形貌演化规律的研究工作。结果表明，二次重熔时液相能否有效渗入晶界直接决定重熔晶粒的粗化机制；初始晶粒为粗大枝晶臂时，重熔晶粒主要以合并方式长大，初始晶粒为近球状晶粒时则主要以Ostwald熟化机制粗化长大；适当升高Tr或延长tr，液膜增厚，有助于晶粒分散独立并以Ostwald熟化机制粗化长大；获得的合理重熔工艺参数为Tr=590~595℃，tr=10~15min；590℃时该合金的粗化速率K为547μm3?s-1。 针对汽车空调压缩机用2A50铝合金涡旋盘工件的触变挤压铸造工艺，基于PROCAST有限元软件，通过大量数值模拟研究了浆料浇注温度Tp、充填速度vp及模具预热温度Tm对涡旋盘触变挤压铸造成形过程中浆料充填及凝固行为的影响，结果表明，增大充填速度vp，充型浆料的温降及充填时间减小，但充填速度vp过高则浆料易出现喷射现象；升高浇注温度Tp，浆料流速、凝固时间及缩松量不断增加；升高模具预热温度Tm，浆料温降减小且流速增加，零件热节及缩松量明显减少。最终获得的2A50铝合金涡旋盘触变挤压铸造成形的合理工艺参数范围为Tp=590℃~595℃，vp=0.2m/s~0.3m/s，Tm=300℃~350℃。 研制出顶部缸出力2000kN，底部缸及水平周向四个侧边缸均出力1700kN的六方向液压缸可独立控制的多向挤压铸造试验样机及相应的一模四件涡旋盘挤压铸造模具，进行了2A50铝合金涡旋盘触变挤压铸造成形试验，验证了数值模拟优化参数的可靠性并分析研究了不同单位挤压压力P、浇注温度Tp及不同热处理工艺对浆料微观组织演变规律及力学性能的影响。结果表明，增加单位挤压压力P，微观孔洞数量明显减少，晶粒密实程度提高，其力学性能不断增大，当P 100MPa后，大量晶粒粘结形成晶粒团簇，其力学性能逐渐趋于稳定，确定100MPa为其合理单位挤压压力；枝晶形貌及喷射紊流是液态浇注件力学性能明显低于半固态浇注件的直接原因。T5及T6热处理后微观组织大量析出弥散强化相导致其拉伸强度和硬度提高、伸长率下降，T6热处理下更为明显。

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半固态成形 涡旋盘 流动行为 铝合金 微观组织

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