槽楔工藝及冷擠壓模具優(yōu)化探討

金九大，衛(wèi) 定，方曉強(qiáng)，葉振東，何 霞

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十一研究所，上海200233)

0引 言

永磁直流力矩電動機(jī)是多對極繞組串聯(lián)的永磁直流電動機(jī)，能在低速和堵轉(zhuǎn)狀態(tài)輸出力矩，可不經(jīng)齒輪減速器而直接驅(qū)動負(fù)載。直流力矩電動機(jī)電樞結(jié)構(gòu)如圖1所示，通常把槽楔尾部(如圖2所示)直接嵌入電樞鐵心槽形孔內(nèi)，經(jīng)后續(xù)加工外圓構(gòu)成電機(jī)換向元件，再用環(huán)氧樹脂將鐵心與槽楔澆注成一個整體。槽楔是直流力矩電動機(jī)關(guān)鍵零件，用量較大。在一些特殊產(chǎn)品中，力矩電機(jī)槽楔材料常采用銀銅合金、銀鎳銅合金等貴重金屬，其中銀鎳銅合金每千克八千多元。可以說，槽楔質(zhì)量、成本直接決定著電機(jī)的性能和成本。解決槽楔的批生產(chǎn)工藝有很大的實(shí)際意義，可使電機(jī)成本降低10% ～20%。

1槽楔工藝技術(shù)

通過對圖2所示三種不同形狀的槽楔材料、結(jié)構(gòu)及使用條件分析，我們先后采用了切削成型及冷擠壓成形兩種不同的工藝技術(shù)。

改進(jìn)前，槽楔一般采用傳統(tǒng)的切削工藝生產(chǎn)，具體生產(chǎn)工藝流程如下:鉆中心孔→精車兩檔外圓(小端留工藝頭)→線切割剖開成兩半，同時去工藝頭→銑大端成要求形狀(根據(jù)需要而定)。

切削成型工藝材料利用率低(材料利用率25～35%)，生產(chǎn)效率低，成本高，槽楔生產(chǎn)已經(jīng)成為提升產(chǎn)能、開拓市場的瓶頸。為提高效率，降低成本，迫切需要用新的生產(chǎn)工藝取代傳統(tǒng)工藝。根據(jù)永磁直流力矩電動機(jī)槽楔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料特性，結(jié)合該類電機(jī)性能要求、環(huán)境要求，換向片硬度＞HB90，提出用冷擠壓技術(shù)成型槽楔的方法。這種新的工藝技術(shù)既提高了材料的利用率、生產(chǎn)率，保證槽楔的尺寸形狀精度，又充分利用了冷擠壓成型、冷作強(qiáng)化特性，保證槽楔有足夠強(qiáng)度與硬度，避免由于熱擠壓材料的退火現(xiàn)象。

冷擠壓是目前擠壓工藝中應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最快也最完備的一種成型方法。冷擠壓具有如下優(yōu)點(diǎn):零件尺寸準(zhǔn)確、表面光潔，一般不需后加工，少量只需精加工;材料利用率高，通常可達(dá)80%以上，達(dá)到少切屑、無切屑而使金屬成形;生產(chǎn)率高，尤其是生產(chǎn)批量大的零件，可比切削加工提高幾倍至幾十倍。但是，冷擠壓需擠壓力大，對擠壓設(shè)備噸位、剛度、強(qiáng)度均要求較高，特別對冷擠模具設(shè)計(jì)、材料、制造都提出了更高的要求。

槽楔的材料、加工工藝將直接影響電機(jī)性能、壽命及成本。雖然，較為先進(jìn)的少切屑冷擠壓加工工藝與純切削加工相比，生產(chǎn)效率、材料的利用率有所提高，但是，槽楔的材料費(fèi)占整個電機(jī)材料成本50%以上。由于冷擠壓對毛坯的要求高，毛坯質(zhì)量的好壞將會對金屬流動、擠壓件質(zhì)量、模具壽命等產(chǎn)生明顯影響。過去一直沿用傳統(tǒng)槽楔毛坯加工工藝，采用一定厚度的銀鎳銅板料沖壓成型工藝，用這種方法制備冷擠壓毛坯的主要優(yōu)點(diǎn)是生產(chǎn)效率較高，端面平整，一般不需要整平工序。

沖壓成型制備毛壞的缺點(diǎn)是材料利用率較低，只有55%左右，沖裁時的排樣情況如圖3所示。材料利用率嚴(yán)重影響到永磁直流力矩電動機(jī)市場競爭力。槽楔毛坯的加工工藝需要改進(jìn)，以提高稀貴金屬材料的利用率，進(jìn)一步降低產(chǎn)品制造成本。

圖3 槽楔毛坯沖裁排樣圖

針對槽楔毛坯加工中，板料沖裁材料利用率低的缺點(diǎn)，我們通過反復(fù)試驗(yàn)、總結(jié)，采用槽楔毛坯拉絲模，完成了槽楔毛坯加工工藝的改進(jìn)，如圖4所示。經(jīng)過2～3次的冷拉成型工藝，即可將棒料拉成所需的截面形狀。

為了進(jìn)一步提高材料利用率，節(jié)約有限的資源，槽楔毛坯截面冷拉成型后，我們放棄常用的采用鋸片銑刀割斷取長工藝，擬設(shè)計(jì)專用的槽楔毛坯剪切模，如圖5所示，切斷成所需的長度。根據(jù)永磁直流力矩電動機(jī)槽楔常用厚度，設(shè)計(jì)了1～2種不同厚度的剪切模。剪切模的凹模鑲塊、限位塊可調(diào)，只要調(diào)節(jié)這兩個零件就可得到不同長度和寬度的槽楔毛坯，做到模具結(jié)構(gòu)、模具數(shù)量及可操作性的優(yōu)化。根據(jù)槽楔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和材料特性，采用冷擠壓成型工藝，既可以提高材料的利用率、生產(chǎn)率，又能保證槽楔的尺寸形狀精度。冷擠壓即毛坯不加熱，在室溫(冷態(tài))下擠壓成型，一般對冷擠壓毛坯的要求較高，要求對其作表面處理和潤滑處理，以便降低擠壓力，減少擠壓難度。

圖4 槽楔毛坯拉絲模

圖5 專用的槽楔毛坯剪切模

2槽楔冷擠壓模具設(shè)計(jì)優(yōu)化

模具是冷擠壓成型的關(guān)鍵工藝裝備，隨著工業(yè)生產(chǎn)和科技的進(jìn)步，模具日益受到人們的重視。日本人稱“模具是進(jìn)入富裕社會的原動力”，德國人稱“模具是金屬加工的帝王”。槽楔冷擠壓成型技術(shù)剛開始研究時，對冷擠壓成型技術(shù)、槽楔斷面形狀分析不透徹，冷擠壓模具設(shè)計(jì)時采用傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)。而傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)很明顯，如凸模幾何形狀的對稱性差，承受很大的壓應(yīng)力及偏載作用，受不均勻的壓應(yīng)力，易折斷，壓力相對增大，凸模、凹模也容易因開裂報廢，模具壽命短;一模一件，生產(chǎn)效率也相對較低。

針對傳統(tǒng)的槽楔冷擠壓成型模具凸模存在的應(yīng)力集中問題，考慮到槽楔斷面形狀對稱性差，不適于擠壓成型。是改變槽楔形狀尺寸，還是改變槽楔冷擠壓工序及模具結(jié)構(gòu)?仔細(xì)分析槽楔的形狀尺寸，我們在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，最后提出一模擠壓兩件成型的方案。加工時，將兩件形狀尺寸完全一樣的毛坯同時加入凹模型腔內(nèi)，脫模后分開即可，一次成型兩件。經(jīng)過改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了凸模幾何形狀對稱，既增強(qiáng)了模具的強(qiáng)度，又可以提高生產(chǎn)效率。既可反擠壓成型，也可以正擠壓成型。

對兩種凸模結(jié)構(gòu)建立三維模型，運(yùn)用有限元方法對凸模工作狀況下的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。本文基于ANSYS軟件，分析結(jié)果如圖6所示;傳統(tǒng)凸模采用一模一件，應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，在臺階處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易發(fā)生斷裂等失效現(xiàn)象;改進(jìn)后凸模采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一模兩件，明顯改善了應(yīng)力集中狀況，有效地提升了模具壽命，且生產(chǎn)效率提高。

圖6 改進(jìn)前后凸模等效應(yīng)力分布圖

3結(jié) 語

本文采用槽楔冷擠壓成型工藝，槽楔稀貴合金材料利用率由55%提升到95%，且生產(chǎn)效率高，省去了槽楔毛坯落料開模成本。通過優(yōu)化冷擠壓模具結(jié)構(gòu)，明顯改善了冷擠壓模凸模應(yīng)力集中狀況，有效地提升了模具壽命，提升達(dá)100%。今后的努力方向是，進(jìn)一步優(yōu)化冷擠模具加工工藝，在分析統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上，總結(jié)模具配合的最合理間隙，且保證間隙的均勻性，提高模具表面光潔度，采用新型模具材料，提高模具的強(qiáng)度和耐磨性，從而提高模具的壽命，提高槽楔的表面質(zhì)量，進(jìn)一步縮短槽楔的加工周期。

［1］ 洪探澤．?dāng)D壓工藝及模具設(shè)計(jì)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，

［2］ 李銀萍，金九大，楊亞．電機(jī)槽楔擠壓模CAD系統(tǒng)［J］．微特電機(jī)，2005，33(10):22-23．?