CN111637058B - 罗茨鼓风机铝合金叶轮和挤压模具及挤压工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种罗茨鼓风机铝合金叶轮和挤压模具及挤压工艺，其中罗茨鼓风机铝合金叶轮包括叶轮本体，叶轮本体中心位置开设轴孔，叶轮本体具有至少两个叶轮齿组成的叶轮型线；叶轮本体为铝合金材质；各叶轮齿上均开设减重孔。罗茨鼓风机铝合金叶轮的挤压模具包括分流模上模和分流模下模；分流模下模中心位置开设与叶轮本体叶轮型线对应的模孔；分流模上模中心位置设有模芯，模芯包括与轴孔位置对应的第一圆柱件、与减重孔位置对应的第二柱件。经实际试验，本发明挤压成形的鼓风机铝合金叶轮的型面的粗糙度优于(尺寸精度接近或达到)传统数控刨削(铣削)铸铁叶轮，降低了制造成本；并且铝合金叶轮重量轻，减少了罗茨鼓风运行的能耗。

Description

罗茨鼓风机铝合金叶轮和挤压模具及挤压工艺

技术领域

本发明属于罗茨鼓风机(真空泵)技术领域，特别涉及一种罗茨鼓风机铝合金叶轮和挤压模具及挤压工艺。

背景技术

罗茨鼓风机属于容积式风机，在国民经济各部门得到了较为广泛的应用，主要由于其具备以下优势：具有强制输气的特征；其次，属于回转式机械，没有往复运动机构，没有气阀，易损件少，使用寿命较长；再者，其结构简单，使用维修方便，不需要内部润滑，在使用压力范围内排气量几乎不变，容积效率高，并具有输送介质不含油等特性。

叶轮是罗茨鼓风机的关键零件，它的制造质量及加工精度，直接影响罗茨鼓风机的工作效率。目前的叶轮材料为铸铁，通过铸造工艺实现叶轮毛坯，采用数控刨削(铣削)，实现叶轮型面的加工。在叶轮铸造生产过程中，铸件存在缩孔、缩松等缺陷，造成叶轮毛坯成品率低，而叶轮型面的数控加工，是罗茨鼓风机的主要机加工成本之一。

发明内容

现有技术中，一般用铸铁制造罗茨鼓风机叶轮毛坯，废品率高；采用数控刨削(铣削)工艺加工叶轮型面，制造成本高；由于铸铁叶轮重量重，运行过程中能源消耗大。本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种罗茨鼓风机铝合金叶轮和挤压模具及挤压工艺，制造铝合金材质的鼓风机叶轮，成品率高，并且重量轻，工作运行中能源消耗低。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种罗茨鼓风机铝合金叶轮，包括叶轮本体，叶轮本体中心位置沿长度方向开设轴孔，叶轮本体具有至少两个叶轮齿；其结构特点是所述叶轮本体为铝合金材质。

借由上述结构，本发明设计铝合金材质的罗茨鼓风机叶轮，与现有铸铁叶轮相比，在相同体积下，重量轻，罗茨鼓风机在工作过程中，消耗的能源减少，满足国家节能减排的需求。

进一步地，各叶轮齿上均开设与轴孔轴线平行的减重孔。

借由上述结构，减重孔进一步降低了罗茨鼓风机铝合金叶轮重量，降低了成本。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种罗茨鼓风机铝合金叶轮的挤压模具，其结构特点是包括分流模上模和分流模下模；

分流模下模中心位置开设与所述叶轮本体外部轮廓形状对应的模孔，分流模下模还具有设于模孔外周的多个焊合室；

分流模上模中心位置设有模芯，所述模芯包括与轴孔位置对应的第一圆柱件，分流模上模还设有与焊合室一一对应的分流孔，相邻的分流孔之间设有分流桥。

借由上述结构，利用分流模具，采用铝合金挤压成形工艺，即可制造出本发明所述的满足罗茨鼓风机机械性能要求的铝合金材质的罗茨鼓风机铝合金叶轮。

在工艺上，由于采用的挤压工艺，因而加工工序少，材料利用率高，样件成形速度快，同时，挤压得到的铝合金型材力学性能更好，表面粗糙度更低，在内部也不存在孔眼类缺陷，这样所需的二次精加工程度更小，废品率极低，整体加工成本更小。

进一步地，各叶轮齿上均开设与轴孔轴线平行的减重孔；所述模芯还包括与减重孔位置对应的第二圆柱件。

作为一种优选方式，模孔内侧的模孔定径带高度由叶轮顶部至叶轮根部递减。

模孔内侧的模孔定径带高度由叶轮顶部至叶轮根部递减，可降低挤压时模具出口处型材的流速差异，提高挤压得到的产品质量，降低缺陷率。

基于同一个发明构思，本发明还提供了一种罗茨鼓风机铝合金叶轮的挤压工艺，其特点是包括以下步骤：

步骤A，利用软件A对所述挤压模具进行三维建模；

步骤B，将步骤A中建立的三维模型导入软件B，建立叶轮型材铝合金挤压工艺的有限元模型；

步骤C，对有限元模型设置挤压工艺参数、模孔内侧的模孔定径带高度、模芯外侧的模芯定径带高度；

步骤D，利用步骤C得到的有限元模型，加工制作得到所述挤压模具；

步骤E，选取铝坯，利用步骤D中获得的挤压模具，执行铝合金挤压成形工艺，得到罗茨鼓风机铝合金叶轮。

作为一种优选方式，模孔定径带高度按照由叶轮顶部至叶轮根部递减的规律设置。

作为一种优选方式，模芯定径带各处高度一致。

与现有技术相比，本发明能够获得铝合金材质的罗茨鼓风机叶轮，重量轻，运行过程中能源消耗低，采用本发明的罗茨鼓风机铝合金叶轮和挤压模具及挤压工艺，可替代传统罗茨鼓风机铸铁叶轮的数控刨削(铣削)加工工艺，降低制造成本。

附图说明

图1为罗茨鼓风机铝合金叶轮横截面结构示意图。

图2为分流模上模结构示意图。

图3为分流模下模结构示意图。

图4为罗茨鼓风机铝合金叶轮挤压模具的三维模型图，其中，图 4(a)中为上模三维模型图，图4(b)中为下模三维模型图。

图5为空心叶轮型材挤压的有限元模型图。

图6为模具初取定径带高度分布图。

图7为模具出口处流速分布图。

图8为分流孔处不同方向的速度分布图，其中，图8(a)中为分流孔沿X向的速度分布，图8(b)中为分流孔沿Y向的速度分布，图8(c)中为分流孔沿Z向的速度分布。

图9为挤压过程中分流孔区域到型材出口处的温度分布图。

图10为优化后模具定径带高度分布图。

图11为对定径带高度进行优化后在模具出口处速度分布图。

其中，1为叶轮本体，101为轴孔，102为叶轮齿，1021为减重孔，2为分流模上模，201为模芯，2011为第一圆柱件，2012为第二圆柱件，2013为模芯定径带，202为分流孔，203为分流桥，3为分流模下模，301为模孔，3011为模孔定径带，3012为空刀结构，302 为焊合室。

具体实施方式

下面结合附图介绍本发明的实施例。

如图1所示，本发明所述的罗茨鼓风机铝合金叶轮，包括叶轮本体1，叶轮本体1中心位置沿长度方向开设轴孔101，叶轮本体1具有至少两个叶轮齿102；所述叶轮本体1为铝合金材质。

各叶轮齿102上均开设与轴孔101轴线平行的减重孔1021。

罗茨鼓风机叶轮具有三个叶轮齿102。

本发明所述的罗茨鼓风机铝合金叶轮的挤压模具包括图2中所示的分流模上模2和图3中所示的分流模下模3。

分流模下模3中心位置开设与所述叶轮本体1外部对应的模孔 301，分流模下模3还具有设于模孔301外周的多个焊合室302。模孔301内侧的模孔定径带3011高度由叶轮顶部至叶轮根部递减。

分流模上模2中心位置设有模芯201，所述模芯201包括与轴孔 101位置对应的第一圆柱件2011、与减重孔1021位置对应的第二圆柱件2012。分流模上模2还设有与焊合室302一一对应的分流孔202，相邻的分流孔202之间设有分流桥203。

本发明还提供了一种罗茨鼓风机铝合金叶轮的挤压工艺，包括以下步骤：

步骤A，利用软件A(如UG软件)对所述挤压模具进行三维建模，得到如图4中所述的三维模型图，其中，图4(a)中为上模三维模型图，图4(b)中为下模三维模型图。

步骤B，将步骤A中建立的三维模型导入软件B(如Hyperxtrude 软件)，建立叶轮型材铝合金挤压工艺的有限元模型，如图5所示。

步骤C，对有限元模型设置挤压工艺参数、模孔301内侧的模孔定径带3011高度、模芯201外侧的模芯定径带2013高度；其中，模孔定径带3011高度按照由叶轮顶部至叶轮根部递减的规律设置，模芯定径带2013各处高度一致。

步骤D，利用步骤C得到的有限元模型，加工制作得到所述挤压模具。

步骤E，选取铝坯，利用步骤D中获得的挤压模具，执行铝合金挤压成形工艺，得到罗茨鼓风机铝合金叶轮。

本发明利用铝合金挤压成形工艺获得罗茨鼓风机铝合金叶轮，在挤压过程中，被挤压的铝合金在变形区能获得更为强烈和均匀的三向压缩应力状态，能够实现截面形状复杂的型材，挤压制品的精度相对较高，表面质量好，能够大大提高材料的利用率和成品率，并且挤压工艺流程短，生产方便。

下面详细介绍本发明的原理：

铝合金挤压工艺可制造各种用途的实心及空心型材，具有应用领域广。在热挤压过程中，预热铝合金至一定温度，施加压力使其从特定的模孔301中流出，冷却后获取所需截面形状。其属于三维非线性流动，通常伴随着高温、高压、复杂的摩擦状态以及复杂的热力耦合问题。诸如有限元分析的数值技术有助于获取挤压过程中温度、速度等信息，通过虚拟试模可提前发现型材的潜在缺陷，进而优化模具结构参数，以期加工出满足需要的优质型材。

Hyperxtrude软件基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法，网格点与物质点具有灵活的相互运动方式，网格可以独立于物质进行运动，有效避免了模拟过程中网格重划分可能导致的网格畸变。在热铝挤压成型过程中，铝坯与模具的接触面处于高度摩擦、粘结的状态，而挤出后的型材面处于自由运动的状态，ALE方法可对不同的状态采取灵活的描述方式，提高了数值模拟的准确性及效率。

罗茨鼓风机叶轮，采用铝合金挤压工艺，材料利用率高，替代传统罗茨鼓风机铸铁叶轮的数控刨削(铣削)加工工艺，降低制造成本。

以罗茨鼓风机铝合金叶轮为例，应用Hyperxtrude软件进行数值模拟，分析挤压过程中铝合金流动速度及温度分布规律，并对定径带高度进行优化，以获得设计参数确定的叶轮型面。

1、铝合金叶轮挤压过程仿真

1.1挤压模具的三维模型

铝合金挤压叶轮横截面形状如图1所示，叶轮的外部轮廓为型线，减重孔1021顶部为外部廓线沿法线方向向内偏移12mm，减重孔1021底部为以型材质心为圆心的圆弧线，尖角部分以R10圆角过渡。

挤压模具为分流模具(包括分流模上模2和分流模下模3)，挤压铝坯以获得所述叶轮型材，铝坯在挤压力的作用下经过分流孔202 分成几股金属流，并于焊合室302汇聚、焊合，然后从分流模上模2 模芯201与分流模下模3模孔301间的间隙流出，形成空心叶轮型材。使用UG软件对模具进行三维建模如图4所示，型材形心与模具中心重合，采用6个均匀对称的分流孔202结构，以获得较佳的金属流动均匀性；分流桥203桥宽26mm，桥形式为矩形倒角，有利于金属的焊合与流动，方便进行加工；焊合室302截面形状为蝶形，有助于消除分流孔202间产生的死区以及提高焊合处的表面质量；型材出口处设有二级空刀结构3012，减轻模具对型材表面划伤，有效提高其表面质量。

1.2挤压模具有限元模型的建立

将挤压模具三维模型转为stp格式导入Hyperxtrude软件中，修整其存在的几何缺陷并对非关键部位进行适当的简化。沿着挤压方向依次为铝坯区域、分流孔区域、焊合室区域、工作带区域、型材区域，网格单元尺寸递减，其中工作带区域与型材区域采用三棱柱单元，其余区域采用四面体单元。鉴于叶轮型材为对称结构，为减少运算量取半个模型进行模拟分析，并建立对称面条件以进行识别。网格单元质量满足：纵横比<8；单元最小内角>10°，最大内角<170°；雅克比>0.22。有限元模型如图5所示，网格数量大约为38万。

1.3初取挤压模具定径带高度

初始模具定径带高度如图6所示。模芯定径带2013挤压区域取值5mm，模孔定径带3011挤压区域取值15mm。

2、挤压模具数值模拟结果分析

2.1挤压模具出口处及分流孔处流速分布

图7为稳态挤压下铝坯在模具出口截面处沿Z方向(挤出方向) 的流速分布。在沿叶轮顶部到叶轮根部的径向方向，模具出口处的叶轮型材大致呈现出递减的阶梯型速度分布。最大速度在节点83059 处，其值为30.254mm/s，最小速度在节点83707处，其值为28.953mm/s。

鉴于模具出口截面处各位置流速存在差异，采用公式(2)计算所选节点的速度均方差，以表征出口截面处的流速均匀度。选择分布在阶梯型速度带的8个节点，图7中黑色圆点表示选取节点位置，计算得到模具出口截面处的速度均方差值为0.356。可看出该值较小，这与空心叶轮型材较大的厚度有关，最薄处仍为12mm。空心叶轮挤压的目的在于减少或消除后续加工量，因此有必要对模具出口速度进行平衡。

其中，SDV—流速均方差；

v_i—出口截面各节点流速(mm/s)；

—所选节点的平均速度(mm/s)；

N—选取节点的数目。

图8(a)、8(b)、8(c)分别为铝坯在一分流孔截面处沿X、Y、Z方向的流速分布。6个分流孔202与3个空心叶轮均匀分布，故取2个分流孔202及1个空心叶轮进行分析。分流孔1沿X方向存在明显的流动趋势，最高速度可达7mm/s(图8(a))，分流孔2沿Y负方向存在明显的流动趋势，最高速度可达5.7mm/s(图8(b))。沿Z方向，分流孔1与2呈现相同的流动趋势，在分流孔202中心速度可达13mm/s，而在分流孔202边缘，速度为0mm/s(图8(c))，这是由于铝坯与孔壁存在剧烈的摩擦粘附现象。叶轮I的成型主要来自分流孔1、2的供料，而根部厚度明显厚于叶轮的其他部位，因此叶轮的成型具有从顶部到根部的供料趋势，这也是造成模具出口处阶梯型速度分布的原因之一。由于模具出口处阶梯型速度分布的存在，这可能造成叶轮顶部凸出、根部凹陷的缺陷，后续拟通过优化定径带对速度分布进行改善。

2.2挤压过程温度场分布

图9为分流孔区域到型材出口处的温度分布图。可看出在分流孔区域温度表现出先上升后下降的趋势，并且内部温度高于外部温度。这是因为分流孔202外部与模具相接触，产生热量交换。在刚分成几股金属流时产生了大量的变形热，而在尚未焊合前流动较平稳，此时由摩擦产生的热量小于通过与模具接触逸散出去的热量。从焊合室区域到型材出口处的温度表现为逐步上升的态势，并且在叶轮根部处达到最高温度515.1℃。一方面是定径带区域的金属变形产生热量，另一方面可能是叶轮根部摩擦较为剧烈，这可以从出口截面处叶轮根部速度流动速度最慢得到印证。

3、挤压模具定径带高度优化

针对模具出口处型材流速的阶梯形分布，将模孔定径带3011高度取为从叶轮顶部到叶轮根部的递减分布。叶轮顶部工作带高度为 15mm，叶轮根部工作带高度为5mm。模芯定径带2013各处高度一致，均为5mm。具体取值如图10所示。

图11为对定径带高度进行优化后在模具出口截面处沿Z方向(挤出方向)的流速分布。可发现，最高速度在节点83081处，其值为 29.871mm/s,最低速度在节点83541处，其值为29.530mm/s。与初始工作带高度相比，减小了最高流速，增大了最低流速，最高最低之差由原来的1.301mm/s降到0.341mm/s。可见对定径带高度进行优化是平衡模具出口截面流速的一个有效措施。在出口截面发现，阶梯型流速分布依然存在，可推测截面流速的阶梯型趋势与分流孔202的布置有关，改变定径带高度并不能改变这种趋势。

4、铝合金叶轮试挤压

对图4所示模具模型选用H13模具钢材料进行加工，并采取图 10所示优化的定径带高度分布。以挤压速度5mm/s、铝坯预热温度 480℃、模具温度450℃进行挤压实验，得到的铝合金叶轮型材表面光滑，无内凹、翘曲等缺陷。

5、结论

(1)通过建立罗茨鼓风机叶轮挤压模型，发现模具出口处具有从叶轮顶部到根部递减的阶梯型速度分布；对定径带高度进行优化，可降低出口处速度差异，但并未改变阶梯型速度分布的趋势。

(2)采用本发明挤压成形的鼓风机铝合金叶轮的型面的粗糙度优于(尺寸精度接近或达到)传统数控刨削(铣削)铸铁叶轮，可以替代传统罗茨鼓风机铸铁叶轮的数控刨削(铣削)加工工艺。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出其他形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种罗茨鼓风机铝合金叶轮的挤压模具，所述罗茨鼓风机铝合金叶轮包括叶轮本体(1)，叶轮本体(1)中心位置沿长度方向开设轴孔(101)，叶轮本体(1)具有至少两个叶轮齿(102)，各叶轮齿(102)上均开设与轴孔(101)轴线平行的减重孔(1021)；其特征在于，包括分流模上模(2)和分流模下模(3)；

分流模下模(3)中心位置开设与所述叶轮本体(1)外部轮廓形状对应的模孔(301)，分流模下模(3)还具有设于模孔(301)外周的多个焊合室(302)；

分流模上模(2)中心位置设有模芯(201)，所述模芯(201)包括与轴孔(101)位置对应的第一圆柱件(2011)，分流模上模(2)还设有与焊合室(302)一一对应的分流孔(202)，相邻的分流孔(202)之间设有分流桥(203)；

所述模芯(201)还包括与减重孔(1021)位置对应的第二圆柱件(2012)；

模孔(301)内侧的模孔定径带(3011)高度由叶轮顶部至叶轮根部递减，叶轮顶部工作带高度为15mm，叶轮根部工作带高度为5mm。

2.一种罗茨鼓风机铝合金叶轮的挤压工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A，利用软件A对权利要求1所述的挤压模具进行三维建模；

步骤B，将步骤A中建立的三维模型导入软件B，建立叶轮型材铝合金挤压工艺的有限元模型；

步骤C，对有限元模型设置挤压工艺参数，其中挤压速度为5mm/s、铝坯预热温度为480℃、模具温度为450℃；

设置模孔(301)内侧的模孔定径带(3011)高度，叶轮顶部工作带高度为15mm，叶轮根部工作带高度为5mm；模孔定径带(3011)高度按照由叶轮顶部至叶轮根部递减的规律设置；

设置模芯(201)外侧的模芯定径带(2013)高度,模芯定径带(2013)各处高度一致；

步骤D，利用步骤C得到的有限元模型，加工制作得到所述挤压模具；

步骤E，选取铝坯，利用步骤D中获得的挤压模具，执行铝合金挤压成形工艺，得到罗茨鼓风机铝合金叶轮。

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