D變頻鑄件氣缸分析

摘要：本文以D變頻機(jī)種為例，對(duì)鑄件氣缸進(jìn)行深入研究。本文首先簡(jiǎn)單介紹了砂型鑄件材料，提出了3種鑄件氣缸加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行了方案可行性CAE分析與變形量測(cè)試分析，并以此為重要依據(jù)，提出了相應(yīng)有效的改善方案，并對(duì)改善后金型鑄件氣缸進(jìn)行了變形量測(cè)試分析，最后進(jìn)行了咬合試驗(yàn)。

1.砂型鑄件材料簡(jiǎn)介

砂型鑄造是一種以砂作為主要造型材料，制作鑄件的傳統(tǒng)鑄造工藝。因DISA鑄造設(shè)備的應(yīng)用，使得砂型鑄造的金屬零件生產(chǎn)效率及零件質(zhì)量得到大幅提高。本文所使用的砂型氣缸材料牌號(hào)為FC250。金型材料密度為7.1g/cm3，砂型材料密度為7.3g/cm3，粉末冶金材料密度6.82g/cm3。因?yàn)閺椥阅Ａ亢筒此杀纫驅(qū)嶒?yàn)條件是比較有限的，所以本文參考《材料參數(shù)測(cè)定和制訂》。通過(guò)測(cè)量后不難發(fā)現(xiàn)，彈性模量為粉末冶金>金型材料>砂型材料，材料密度為砂型>金型>粉末冶金?？紤]到氣缸變形主要與彈性模量有關(guān)，因此需要對(duì)鑄件氣缸進(jìn)行加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)。

2. 鑄件氣缸加強(qiáng)方案設(shè)計(jì)

鑄件材料氣缸變形量大于粉末冶金氣缸，主要是因?yàn)殍T件的彈性模量小于粉末冶金材料，在材料不變的情況下，本文對(duì)鑄件氣缸的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行加強(qiáng)。因氣缸變形量主要體現(xiàn)在葉片槽變形。為了與粉末件氣缸形成互為替代的產(chǎn)品，因此氣缸內(nèi)部結(jié)構(gòu)，鑄件與粉末件氣缸應(yīng)該保持一致，因此只能從氣缸外部進(jìn)行加強(qiáng)。

在本文中，本文共設(shè)計(jì)3種鑄件氣缸加強(qiáng)方案，即：方案一，氣缸外徑從Φ65→Φ69，通過(guò)加強(qiáng)氣缸壁的厚度來(lái)提高氣缸的整體強(qiáng)度。方案二，氣缸扇形面加強(qiáng)，因?yàn)橹饕侨~片槽變形，因此考慮加強(qiáng)扇形面來(lái)降低葉片槽變形量。方案三，氣缸外徑和扇形面同時(shí)加強(qiáng)。

3.方案可行性CAE分析

為驗(yàn)證上文提及的3種方案的效果，對(duì)三種方案分別代入三種材料的性能參數(shù)（密度、彈性模量、泊松比），通過(guò)進(jìn)行CAE分析，驗(yàn)證三種分案的理論加強(qiáng)效果。其中，CAE分析計(jì)算條件包括：（1）材料參數(shù);（2）三種方案三維模型;（3）施加載荷為螺栓預(yù)緊力12N/m和最大吸排氣壓力。

從CAE分析結(jié)果看，以粉末冶金氣缸的變形量差值為標(biāo)準(zhǔn)值，其中方案一和方案三是達(dá)到了加強(qiáng)氣缸減少葉片槽變形量這個(gè)目標(biāo)的。在方案一和方案三之中比較，方案三是優(yōu)于方案一，但考慮到設(shè)計(jì)一款產(chǎn)品，生產(chǎn)成本最優(yōu)，性能足夠就行，方案一和方案三都符合設(shè)計(jì)目標(biāo)，但是方案三明顯性能過(guò)剩且成本高于方案一，因此選擇設(shè)計(jì)方案一為最終方案。在材料上考慮到金型鑄件彈性模量?jī)?yōu)于砂型鑄件，理論和實(shí)際有偏差，因此選擇金型鑄件。

4.變形量測(cè)試分析

4.1裝配變形量

第一，粉末件氣缸裝配變形量范圍為2um～-4.5um;第二，鑄件氣缸的裝配變形量范圍為2um～-5um。

從裝配變形量看，加強(qiáng)后的鑄件氣缸裝配變形量與粉末件氣缸變形量相差不大，鑄件氣缸有0.5um的差距。

4.2焊接變形量

第一，粉末件氣缸焊接變形量范圍為2um～-6um;第二，鑄件氣缸焊接變形量范圍為0um～-7um。由此不難發(fā)現(xiàn)，雖然鑄件氣缸的焊接變形量最大值與粉末冶金僅相差1um，但是從整體上進(jìn)行分析，鑄件氣缸的葉片槽變形量比粉末冶金氣缸大。達(dá)不到量產(chǎn)要求。因此后續(xù)壽命試驗(yàn)取消，進(jìn)行加強(qiáng)方案改善，待鑄件氣缸葉片槽焊接變形量達(dá)到與粉末件氣缸在進(jìn)行壽命試驗(yàn)。

5.改善方案

改善可以從以下兩方面進(jìn)行，即：

第一，因?yàn)樵訌?qiáng)方案的金型鑄件氣缸其裝配變形量和焊接變形量雖達(dá)不到量產(chǎn)品粉末冶金氣缸的要求，但相差也不大，可以對(duì)原方案一加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步加強(qiáng)。第二，對(duì)金型鑄件氣缸其變形量比粉末冶金氣缸大，主要原因在于鑄件材料的彈性模量小于粉末冶金材料，因此我們可以通過(guò)提高鑄件材料的彈性模量來(lái)達(dá)到減小變形量的目的。

對(duì)于上述兩個(gè)優(yōu)化方案，第一個(gè)方案經(jīng)測(cè)算，其生產(chǎn)成本遠(yuǎn)大于現(xiàn)有粉末冶金氣缸成本，因此不具有實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的條件。因此選擇第二種優(yōu)化方案。

要提高一種合金金屬材料的彈性模量，只能通過(guò)更改其中化學(xué)成分比例來(lái)實(shí)現(xiàn)。本次對(duì)材料化學(xué)成分進(jìn)行調(diào)整，主要是減少碳當(dāng)量和增加Sn元素。減少碳當(dāng)量的目的在與減少石墨的形成。增加Sn元素的目的在于增加珠光體的含量，珠光體的韌性和抗拉強(qiáng)度好，增加其在基體中的含量，可以有效提高鑄件的彈性模量。通過(guò)進(jìn)行化學(xué)成分的調(diào)整，金型鑄件材料的彈性模量成功從131.15GPa提高到144.22GPa。后續(xù)彈性模量提高后的材料鑄出的金型氣缸進(jìn)行裝配變形量和焊接變形量實(shí)際測(cè)量。

6.改善后金型鑄件氣缸的變形量測(cè)試分析

本文對(duì)改善后的金型鑄件氣缸再一次進(jìn)行了裝配變形量和焊接變形量測(cè)驗(yàn)，結(jié)果如下文所示。

6.1鑄件氣缸裝配變形量

材料彈性模量提高后，裝配變形量的測(cè)量結(jié)果為1um～-5um。第一次加強(qiáng)方案裝配變形量為2un～-5um。兩次裝配變形量結(jié)果差異不大。

6.2焊接變形量結(jié)果：

焊接變形量測(cè)量結(jié)果為2um～-5um。相比第一次加強(qiáng)方案的焊接變形量結(jié)果0um～-7um，本次材料彈性模量提高后，金型氣缸的焊接變形量有了明顯的改善。與批量的粉冶金氣缸相比，粉末冶金為2um～-6um，鑄件氣缸為2um～-5um，本次鑄件氣缸焊接變形量已達(dá)批量粉末冶金氣缸水平。

7.咬合試驗(yàn)

本文共進(jìn)行兩次咬合試驗(yàn)，具體情況如下表1所示。

2. 1臺(tái)曲軸短軸止推面局部磨耗12.2（要求10um以下）

通過(guò)分析上表后可知，兩次咬合氣缸葉片槽磨耗情況一致，葉片端面異物殘留。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：楊辰軼（1991年2月24日），男，漢，上海，本科，助理工程師，單位：上海海立電器有限公司.

（上海海立電器有限公司 ?上海 ?201206）