沖裁速度對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯沖裁斷面質(zhì)量影響規(guī)律研究

宋麗麗，左國(guó)磊，俞炅宇，王 蕾

（臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

沖裁速度對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯沖裁斷面質(zhì)量影響規(guī)律研究

宋麗麗，左國(guó)磊，俞炅宇，王 蕾

（臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

本文通過(guò)建立有限元模型，選擇韌性斷裂準(zhǔn)則和斷裂因子，研究沖裁速度對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯沖裁斷面質(zhì)量影響的規(guī)律。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯所用材料——硅鋼片的真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線，并把此應(yīng)力應(yīng)變曲線運(yùn)用于模擬中，通過(guò)設(shè)置不同的沖裁速度，得到不同的光亮帶長(zhǎng)度，從而可優(yōu)化出最佳沖裁速度。分析對(duì)比模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩者非常接近，可證明本研究對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率有很好的借鑒作用。

沖裁；鐵芯；沖裁速度；有限元模擬；斷面質(zhì)量；光亮帶

在高速精密級(jí)進(jìn)沖壓加工中，工藝設(shè)計(jì)者首先要考慮的問(wèn)題是保證沖裁件的質(zhì)量。沖裁件的質(zhì)量可以用沖裁斷面質(zhì)量和尺寸精度來(lái)衡量。其中，沖裁斷面質(zhì)量的優(yōu)劣對(duì)后續(xù)的工藝和應(yīng)用具有重要影響，是影響沖裁件質(zhì)量的重要和直接的因素之一。

高速精密級(jí)進(jìn)沖壓的斷面質(zhì)量的目標(biāo)是：獲得盡量寬的光亮帶、盡量小而少的毛刺、盡量高的垂直度。如圖1所示，即增加光亮帶的高度，減小毛刺的高度，減小斷裂角度。沖裁斷面的質(zhì)量受到材料性能、沖裁間隙、模具刃口磨損狀態(tài)、產(chǎn)品形狀、板料厚度、模具結(jié)構(gòu)、沖裁速度等多個(gè)因素的影響。在高速、精密級(jí)進(jìn)沖壓的沖裁過(guò)程中，在產(chǎn)品外形、材料性能、厚度、潤(rùn)滑方式等客觀因素一定的情況下，沖裁間隙、沖裁速度、凸模刃側(cè)傾角、刃口圓角、凸凹模粗糙度等是工程實(shí)際中影響沖裁斷面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。基于此，很多學(xué)者做了各種研究力求獲得這些因素與沖裁斷面質(zhì)量之間的定量關(guān)系，本文通過(guò)建立有限元模型，選擇韌性斷裂準(zhǔn)則和斷裂因子，研究沖裁速度對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯沖裁斷面質(zhì)量影響的規(guī)律。

圖1 沖裁斷面示意圖

1 模擬過(guò)程

1.1 建立模型

建立板料沖裁的三維模型參數(shù)如圖2所示，其參數(shù)為硅鋼片厚度0.5mm，沖裁基本尺寸0.3mm，以凸模尺寸為基準(zhǔn)，凸凹模間隙采用板料厚度的4%（即0.12mm），具體模型參數(shù)如表1所示。板料在網(wǎng)格劃分時(shí)采用局部網(wǎng)格細(xì)化的網(wǎng)格劃分方法，壓料板、凸模、凹模均視為剛體不進(jìn)行網(wǎng)格劃分。材料為電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵芯常用材料硅鋼片50W270，材料的各項(xiàng)屬性參數(shù)由硅鋼片單向拉伸試驗(yàn)得到。

圖2 Deform-3D物理模型

表1 模型參數(shù)

1.2 定義Deform-3D的模擬參數(shù)

在硅鋼片沖裁成形中，Deform-2D/3D Pre是有限元模擬分析的關(guān)鍵部分，參數(shù)設(shè)置基本上都是在Deform-2D/3D Pre階段進(jìn)行的。Deform-2D/3D Pre主要包括：幾何模型的建立或?qū)耄W(wǎng)格劃分，材料的各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置（斷裂準(zhǔn)則的選擇和斷裂系數(shù)的設(shè)定），物體接觸和摩擦的定義，模擬參數(shù)的設(shè)定。

對(duì)此，理論界展開(kāi)了激烈的討論，各種觀點(diǎn)學(xué)說(shuō)眾說(shuō)紛紜。然而，本文認(rèn)為其始終未能給出令人信服的理由并從根本上解決以上矛盾。下面本文將對(duì)現(xiàn)有理論進(jìn)行梳理與評(píng)析。

1.2.1 斷裂準(zhǔn)則的選擇

金屬材料發(fā)生大的塑性變形時(shí)，適合采用韌性斷裂準(zhǔn)則，現(xiàn)有的常用韌性斷裂準(zhǔn)則有 Cockcroft &Latham（C&L）、Brozzo、Oyane等。

如今在模擬材料韌性斷裂準(zhǔn)則中，Cockroft& Latham準(zhǔn)則、McClintock準(zhǔn)則等相對(duì)而言比較適合，它們都是運(yùn)用在應(yīng)力、應(yīng)變累計(jì)破壞計(jì)算中，根據(jù)材料的最大破壞值來(lái)判斷材料是否達(dá)到了臨界值。劉忠德已經(jīng)驗(yàn)證了C&L準(zhǔn)則在研究金屬斷裂時(shí)結(jié)果和實(shí)際符合度好。

綜上所述，在沖裁模擬過(guò)程中宜選韌性斷裂準(zhǔn)則（Cockroft&Latham）。

1.2.2 幾何模型的建立

在相關(guān)軟件中建立三維沖裁模型，并把凸模、凹模、板料、壓料板這四個(gè)模型分別保存成stl格式文件，導(dǎo)入Deform中，先導(dǎo)入板料模型作為參考，再依次導(dǎo)入凸模、凹模、壓料板。在Deform中先對(duì)板料進(jìn)行定位，再逐個(gè)定位。在定位過(guò)程中，導(dǎo)入一個(gè)模型定位一個(gè)模型，不可全部導(dǎo)入。定位好之后再用Deform自帶的修復(fù)功能對(duì)模型的每個(gè)面進(jìn)行檢查，若有問(wèn)題進(jìn)行修復(fù)，以免影響模擬結(jié)果。

1.2.3 網(wǎng)格劃分

利用Deform軟件本身的網(wǎng)格劃分功能，劃分成四面體網(wǎng)格單元，這主要是為了網(wǎng)格劃分的方便。對(duì)模型網(wǎng)格進(jìn)行局部細(xì)化，如圖3所示。這不但節(jié)省了網(wǎng)格劃分所需時(shí)間，還減少整個(gè)模型的單元總數(shù)，從而縮短了計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)算時(shí)間，同時(shí)也提高了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確率，也降低了對(duì)電腦的配置要求。

圖3 模型網(wǎng)格進(jìn)行了局部細(xì)化圖

1.2.4 材料模型

由于Deform中沒(méi)有本實(shí)驗(yàn)所需的材料硅鋼片，所以需新建材料模型，導(dǎo)入由實(shí)驗(yàn)得到的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖、楊氏模量、泊松比等參數(shù)，如表2所示。圖4為Deform-3D中參數(shù)單位換算標(biāo)準(zhǔn)。由于凸凹模間隙很小，彈性變形可忽略不計(jì)，因此把板料設(shè)為各向同性的彈塑性體，工件材料的本構(gòu)關(guān)系模型。

表2 材料參數(shù)

圖4 單位換算標(biāo)準(zhǔn)

1.2.5 接觸和摩擦設(shè)置

運(yùn)用“對(duì)象間關(guān)系”命令，設(shè)置Top Die和Workpiece之間的接觸，摩擦使用系統(tǒng)數(shù)值為定值0.12；設(shè)置Bottom Die和Workpiece之間的接觸，摩擦使用系統(tǒng)數(shù)值為定值0.12；設(shè)置yaliaoban和Workpiece之間的接觸，摩擦使用系統(tǒng)數(shù)值為定值0.12。

1.2.6 模擬參數(shù)的設(shè)置

模擬參數(shù)的設(shè)置是為了準(zhǔn)確有效地沖裁模擬。沖裁過(guò)程是一個(gè)連續(xù)的分析計(jì)算過(guò)程，需要定義一些重要的參數(shù)，分別為：①總步數(shù)，決定模擬的總時(shí)間和行程；②步長(zhǎng)，為了設(shè)定適當(dāng)?shù)牟襟E大小，用量尺測(cè)量坯料的一個(gè)元素較少的邊界長(zhǎng)度。短邊緣的平均長(zhǎng)度大約是t，因此在小的邊緣長(zhǎng)度中的1/3為t/3in/step（Constant Die Displacement）。在實(shí)際模擬中對(duì)步驟大小進(jìn)行了不同組的實(shí)驗(yàn)值（具體數(shù)值下文正交試驗(yàn)中具體列舉）；③主動(dòng)模具，選擇物體的編號(hào)（2-Top Die）；④存儲(chǔ)步長(zhǎng)，決定每多少步儲(chǔ)存一次，不能太密，否則文件太大。

2 模擬結(jié)果

2.1 薄板精密沖裁過(guò)程

薄板精密沖裁和普通沖裁過(guò)程一樣，精密沖裁在整個(gè)沖裁過(guò)程中同樣也要經(jīng)歷三個(gè)變形階段：彈性變形、塑性變形、斷裂分離。如圖5所示。模擬沖裁開(kāi)始時(shí)隨著凸模以設(shè)定好的速度壓下，板料首先發(fā)生彈性的壓縮和彎曲變形；當(dāng)板料內(nèi)部的應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，板料逐漸開(kāi)始產(chǎn)生塑性拉伸、彎曲、擠壓變形；隨著模擬的進(jìn)行，板料的變形程度和屈服應(yīng)力逐漸增加，材料內(nèi)的應(yīng)力慢慢達(dá)到屈服強(qiáng)度極限，高強(qiáng)度的應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋最先在凸、凹模刃口處出現(xiàn)，并且逐漸擴(kuò)展，最后聚集在一起，變成較大的裂紋，最終導(dǎo)致材料發(fā)生斷裂分離。

2.2 沖裁斷面質(zhì)量分析

沖裁件的質(zhì)量主要用沖裁斷面質(zhì)量和工件（沖裁件）的尺寸精度來(lái)判斷。沖裁斷面質(zhì)量的好壞是影響沖裁件質(zhì)量最重要和最直接的因素之一，這是因?yàn)闆_裁件斷面質(zhì)量的好壞對(duì)后續(xù)的工藝及應(yīng)用有非常重要的影響。

在整個(gè)沖裁過(guò)程中，板料主要經(jīng)過(guò)彈、塑性的拉伸、彎曲、擠壓以及斷裂過(guò)程，如圖6所示為軟件模擬結(jié)果和實(shí)際沖裁斷面形態(tài)圖，實(shí)際沖裁斷面的光亮帶寬度和軟件模擬沖裁斷面的光亮帶寬度接近。可以很明顯地看出沖裁斷面的四個(gè)非常重要的特征區(qū)域，分別是：圓角帶、光亮帶、斷裂帶以及少量的毛刺。圓角帶產(chǎn)生在板料與凸模或凹模相接觸的一面，是由于板料受彎曲、拉伸作用而形成的。材料塑性愈好，凹凸模之間的間隙愈大，形成的塌角也愈大。光亮帶是由于板料塑性剪切變形所形成的。光亮帶表面光潔且垂直于板面。沖裁間隙愈小、材料塑性愈好，所形成的光亮帶高度愈高。 斷裂帶是由于沖裁時(shí)產(chǎn)生的裂紋擴(kuò)張形成的。普通沖裁產(chǎn)生毛刺是不可避免的。由圖7可以看出板料精密沖裁的實(shí)際沖裁斷面（通過(guò)電競(jìng)掃描得到的四個(gè)特征區(qū)）和模擬結(jié)果非常相似。如圖8所示為沖裁過(guò)程中載荷變化曲線圖。如圖9為沖裁過(guò)程中能量隨時(shí)間變化圖。如圖10為沖裁過(guò)程中凸模力隨時(shí)間的變化圖。

圖5 沖裁全過(guò)程

圖6 沖裁斷面形態(tài)圖

圖7 載荷變化曲線圖（沖裁速度10in/sec）

圖8 能量變化曲線圖

圖9 凸模力隨時(shí)間的變化曲線

由圖可以看出，模擬開(kāi)始時(shí)，模具所受載荷急劇增加，當(dāng)載荷增加到0.715klb（只分析Bottom Die）時(shí)曲線有一點(diǎn)緩和，說(shuō)明材料開(kāi)始發(fā)生彈性變形，當(dāng)模具所受的載荷達(dá)到峰值時(shí)說(shuō)明材料所能承受的力達(dá)到了極限值，開(kāi)始發(fā)生斷裂，由于斷裂的區(qū)域越來(lái)越多，材料斷裂所需的總載荷降低，直到徹底斷裂時(shí)載荷變?yōu)榱恪?/p>

2.3 不同沖裁速度的光亮帶寬度分析

沖裁件質(zhì)量是指沖裁斷面光亮帶的寬度比。如圖10所示，為不同沖裁速度時(shí)的斷面質(zhì)量圖。

圖10 不同沖裁速度時(shí)的斷面質(zhì)量圖

如圖11所示，當(dāng)沖裁速度從10in/sec逐漸增大到13in/sec時(shí)，光亮帶寬度不斷減小，所以沖裁速度不宜超過(guò)10in/sec。具體的光亮帶寬度的對(duì)比計(jì)算和上述完全相同。

圖11 不同沖裁速度的光亮帶寬度曲線圖

如圖12所示，當(dāng)沖裁速度從10in/sec逐漸增大到13in/sec時(shí)，最大沖裁力逐漸增大，而太大的沖裁力就需要消耗更大的能源，增加了成本，同時(shí)也增加了危險(xiǎn)性。所以沖裁速度不宜超過(guò)10in/sec。

3 總結(jié)

圖12 不同沖裁速度時(shí)的最大沖裁力

經(jīng)過(guò)多次正交試驗(yàn)驗(yàn)證得出：在Deform-3D模擬中運(yùn)用以上參數(shù)模擬結(jié)果最合理，并且最符合科學(xué)依據(jù)。當(dāng)沖裁速度為10in/sec時(shí)為最佳沖裁速度，當(dāng)沖裁速度從10in/sec逐漸增大到13in/sec時(shí)，光亮帶寬度不斷減小，所以沖裁速度不宜超過(guò)10in/sec；板料精密沖裁的實(shí)際沖裁斷面（通過(guò)電競(jìng)掃描得到的四個(gè)特征區(qū)）和模擬結(jié)果非常相似；模擬開(kāi)始時(shí)，模具所受的載荷急劇增加，當(dāng)載荷增加到0.715klb（只分析Bottom Die）時(shí)曲線有一點(diǎn)緩和，說(shuō)明材料開(kāi)始發(fā)生彈性變形，當(dāng)模具所受的載荷達(dá)到峰值時(shí)說(shuō)明材料所能承受的力達(dá)到了極限值，開(kāi)始發(fā)生斷裂，由于斷裂的區(qū)域越來(lái)越多，材料斷裂所需的總載荷降低，直到徹底斷裂時(shí)載荷變?yōu)榱恪?/p>

[1]孫偉杰.基于數(shù)值模擬的升降器模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（4）.

[2]孫志輝.基于數(shù)值模擬的支撐板成形工藝分析及模具設(shè)計(jì)[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2013，48（4）.

[3]史 翔.模具CAD/CAM技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[4]張鼎承.沖壓機(jī)械化與自動(dòng)化[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[5]許發(fā)樾.模具標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.

[6]吳樹(shù)森，柳玉起.材料成型原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[7]丁松聚.冷沖模設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[9]孫立君，阮 鋒.預(yù)沖工藝孔的板料沖壓成形性分析[J].鍛壓裝備與制造技術(shù)，2007，42（6）.

[10]黃珍媛，蔡志興，阮 鋒，等.高速精密級(jí)進(jìn)沖壓中的沖裁斷面質(zhì)量實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2009，16（3）.

[11]趙中華，張 猛，韋 習(xí).沖裁速度對(duì)沖壓件斷面質(zhì)量的影響[J].中國(guó)機(jī)械工程，2010，17（4）.

[12]方 剛.金屬材料沖裁過(guò)程的有限元模擬[J].金屬學(xué)報(bào)，2001，（6）：643-644.

[13]徐永波.動(dòng)態(tài)載荷下剪切變形局部化、微結(jié)構(gòu)演化與剪切斷裂研究進(jìn)展[J].力學(xué)進(jìn)展，2007，37（4）：498-500.

[14]趙振鐸.實(shí)用沖裁技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：42-66.

[15]方 剛.金屬材料沖裁過(guò)程的有限元模擬[J].金屬學(xué)報(bào)，2001，（6）：643-644.

[16]溫 彤，廖林燦，張湘?zhèn)?金屬剪切過(guò)程的理論研究狀況[J].鍛壓技術(shù)，2000，（3）：44-47.

[17]陳 煒.基于剪切面分析的沖裁模具磨損預(yù)測(cè)[J].塑性工程學(xué)報(bào)，2009，16（6）：81-84.

[18]胡建軍，李小平，編著.DEFORM-3D塑形成性CAE應(yīng)用教程[M].北京：北京大學(xué)出版社，2011，（1）：233-241.

[19]劉忠德，孔 洋，石成偉，等.鋁棒復(fù)合加壓精密剪切工藝的有限元模擬及試驗(yàn)研究[J].熱加工工藝，2012，（15）：118-120.

Study on influence rule of blanking speed to blanked surface quality of motor stator and rotor core

SONG Lili,ZUO Guolei,YU Jiongyu,WANG Lei
（School of Mechanical Engineering,Taizhou University,Taizhou 318000,Zhejiang China）

The finite element model has been established.Theductile fracture criterion and fracture threshold have been selected in order to research the influence of blanking speed on the blanked surface quality of motor stator and rotor core.The actual stress-strain curves of silicon which is the material of motor stator and rotor core has been obtained through test.The curve has been adopted into the simulation to set different blanking speed in order to get different bright band length.Thus in this way,the optimum blanking speed has been obtained.By analyzing and comparing the simulation result with the test result,it is found out that the two are very close.It is proved that this study provides reference for improving the product quality and productivity.

Blanking speed;Finite element simulation;Blanked surface quality;Bright band

TG386.2

A

10.16316/j.issn.1672-0121.2016.06.023

1672-0121（2016）06-0090-05

2016-08-24；

2016-10-11

王 蕾（1978-），女，講師，從事精密塑性成形、模具加工技術(shù)研究。E-mail：83067997@qq.com