馬達外殼盒形拉深件成型模擬與沖壓級進模設計

閆 潔，江開勇

(華僑大學 機電學院，廈門 361021)

隨著電子產品應用的日愈廣泛，對盒形件的需求也迅速增長，小到微型馬達外殼，大到汽車覆蓋件，盒形件在各領域起到不同的作用，如防護、防磁漏、固定等。盒形件拉深具有徑向拉應力分布不均勻、變形分布不均勻、切向壓應力分布不均勻等特點［1－2］，因此對盒形件的拉深工藝和模具設計提出了較高的要求。

本文通過對某微型馬達外殼拉深件的沖壓工藝進行分析，提出了可行的沖壓工藝和模具設計方案，并利用Dynaform軟件對板料沖壓過程進行數值模擬，預測成型過程中的裂紋、起皺、減薄等問題，評估產品形狀成型的可能性。最后結合Solidworks三維軟件自上而下的建模方式進行級進模裝配圖結構設計。

1 馬達外殼沖壓工藝分析

該盒形件作為某微型馬達的殼體，其結構形狀如圖1所示。材料為08F鋼，料厚0.8 mm，要求有良好的表面質量，無變形和明顯拉痕，去毛刺，公差等級為 IT12，可大批量生產。材料性能參數見表1。

盒形件屬于非旋轉體零件，包括方形盒、矩形盒以及橢圓形盒等。與旋轉體零件拉深比較，盒形件拉深時毛坯變形區分布要復雜得多［3］。根據能否一次拉深成型，可將盒形件分為2類:一類是能一次拉深成型的低盒形件;另一類是需要多次拉深才能成型的高盒形件［4－5］。由于該盒形件的拉深高度H大于寬度B的一半，即H＞0.5B，初步判斷該零件需經過2次拉深成型。

圖1 馬達外殼拉深件零件圖

表1 板材性能參數

確定該馬達外殼盒形件的主要加工工序包括拉深、整形、沖孔、落料、切邊等。采用單排帶料拉深級進模方式加工。具體的工序為:① 沖工藝切口;② 首次拉深;③ 二次拉深;④ 壓凸臺;⑤ 整形;⑥沖底孔;⑦ 沖側孔;⑧ 落料。其切邊工序由后續工序進行處理。

圖2 馬達外殼拉深件排樣圖

2 馬達外殼成型CAE分析

傳統開發中往往需要經過設計→試驗→改進→試驗的多次循環，使用CAE分析、虛擬制造技術可以減少上述迭代次數。Dynaform軟件基于有限元方法建立，可方便地求解板料成型工藝及模具設計涉及的復雜問題，包括:定最佳沖壓方向、坯料的設計、工藝補充面的設計、拉延筋的設計、凸凹模圓角設計、沖壓速度的設置、壓邊力的設計、摩擦系數、切邊線的求解、壓力機噸位等。設置過程與實際生產過程一致，可對沖壓生產的全過程進行模擬。

盒形件的成型工序中拉深最關鍵，本文主要研究該馬達外殼盒形件首次拉深和二次拉深成型結果。

2.1 首次拉深建模

首先在Pro/Engineer中建立曲面的三維模型，將模具型面幾何模型以 IGES格式導入Dynaform軟件中，利用DFE模塊完成毛坯展開、網格自動剖分、網格的檢查和修補、網格邊界光順、沖壓方向調整、載荷曲線定義、模具的定位等［6］。毛坯展開圖見圖3。網格模型見圖4。

為了兼顧計算效率和精度，凸模模擬沖壓速度取5 000 mm/s，摩擦因數0.125。設置完成后提交到求解器計算，完成板料沖壓成型過程模擬。

圖3 毛坯展開圖

圖4 網格模型

2.2 模擬結果分析

讀入計算生成的 d3plot文件到后處理模塊中，關閉其他零件，只留下坯料。選擇All Frames(所有幀)，單擊 Play按鈕，可動態查看坯料的成型過程。從FLD(成型極限圖)(見圖5、6)和厚度減薄率分布(見圖7)等方面說明覆蓋件的拉深成型性。

圖5 首次拉深成型極限圖

圖中上部深色表示拉裂，上部淺色表示有拉裂的趨勢，下部深色表示安全，中部深色表示有起皺的趨勢，上部淺色表示輕微起皺，邊緣深色表示嚴重起皺。設置首次拉深總壓邊力3.675 kN(根據經驗公式計算)。由圖可知壓邊力稍大，會產生輕微起皺。起皺發生在邊緣法蘭區域，不在零件內部，不會影響零件質量。

2.3 二次拉深建模分析

將首次拉深的結果導入新模型中，再導入第2次拉深的凸模，并網格化，用“快速設置”定義模型，并完成運算分析。其運算結果如圖7所示:二次拉深由于筒形毛坯穩定性較好，凸緣處的材料只有較少流入凹模，不易起皺，二次拉深設置壓邊力為零。

由圖6可知，方形盒的凸緣部分和圓角部分都有輕微起皺現象，而直邊部分起皺現象并不明顯，這是因為在二次拉深過程中，拉深件由圓筒形變為方形，直邊部分材料的流動空間較小，材料向圓角部分轉移，因而產生了較大的切應力，使圓角部分材料失穩，出現了輕微的起皺現象。

由圖7可知，有很小的區域有拉裂，發生在底部圓角處，這是因為材料在首次拉深時產生了冷作硬化，使得材料在二次拉深時塑性變差，引起徑向拉應力增大，致使底部圓角部分的過分變薄，產生了拉裂的趨勢。因此，可以采取措施改進設計，如適當減小壓邊力、改善潤滑條件、增大拐角處的圓弧半徑或在坯料相應位置開設工藝切口等，以便材料合理流動。

3 馬達外殼沖壓模具設計

將成型模擬得到的幾何數據經過修正后導入到SolidWorks軟件中進行模具的三維設計。Dynaform得到的模面在轉到SolidWork時會出現一些不相容的問題，可依照Dynaform得到的模面將導入Dynaform之前的模型面在SolidWork中進行補充設計后再使用。運用Solidworks自上而下的建模方式［7－8］，即先取定產品的總體基本結構，在部分完成裝配體的設計后［9］，再根據零件的功能、加工特征、連接方式等，進行零部件的設計，以避免單獨設計零件時造成的干涉沖突［10］。圖8和9分別為馬達外殼拉深件模具三維結構裝配圖和爆炸圖。

4 結束語

根據對馬達外殼盒形件沖壓工藝性結構特征、尺寸要求、使用功能的分析，以三維CAD/CAE技術為依托，確定其拉深、整形、沖孔、落料、切邊等加工工序。結果表明，通過對板料沖壓過程進行數值模擬分析，可以預測成型過程中可能存在的問題，合理安排其模具的結構設計，檢驗裝配干涉情況，提高模具開發的成功率。

［1］姜奎華.沖壓工藝與模具設計［M］.北京:機械工業出版社，2008:120－173.

［2］王孝培.沖壓手冊［K］.北京:機械工業出版社，2002.

［3］翁其金.冷沖壓技術［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［4］歐陽波儀.多工位級進模設計標準教程［M］.北京:化學工業出版社，2008:37－54.

［5］Rousselier G，Barlat F，Yoon J W.A novel approach for modeling of anisotropic hardening and non proportional loading paths application to finite element analysis of deep drawing［J］.Science in China Series E Technological Sciences，2009(1):367 －370.

［6］王秀鳳.板料成形CAE設計及應用—基于Dynaform［M］.2版.北京:北京航空航天大學出版社，2010:79－107.

［7］陳文亮.板料成形 CAE分析教程［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［8］Solidworks模具設計入門、技巧與實例［M］.北京:化學工業出版社，2010:60－72.

［9］楊占堯.沖壓模具圖冊［K］.北京:高等教育出版社，2008:202－251.

［10］張正修.實用沖模結構設計手冊［K］.北京:化學工業出版社，2009:468－605.