基于數值模擬的爪極鍛壓工藝研究現狀及展望（上）

文/湯敏俊，孫偉，王玲·江蘇龍城精鍛有限公司

基于數值模擬的爪極鍛壓工藝研究現狀及展望（上）

文/湯敏俊，孫偉，王玲·江蘇龍城精鍛有限公司

湯敏俊，技術部副經理，工程師，主要從事精密模鍛技術研究、精密模鍛產品開發及技術管理工作，主持完成20多種不同系列汽車發電機精鍛爪極的工藝及模具開發工作，作為核心技術骨干參與完成的汽車發電機爪極精密成形技術獲得常州市科技進步二等獎，參與省級以上科技項目2項，擁有2項專有技術。

本文對國內外汽車發電機爪極零件的不同鍛壓制坯工藝的研究現狀進行了闡述，并從新工藝設計、模具設計以及初始坯料形狀設計三方面介紹了目前數值模擬在爪極鍛壓成形過程中的若干應用實例，提出了目前爪極鍛壓工藝研究中存在的兩個問題：一是適用于爪極工業化生產的鍛壓工藝研究較少;二是爪極鍛壓工藝數值模擬的可靠性和適用性研究較少。文章還提出熱鍛自動化是未來爪極鍛壓新工藝研發的方向。

背景介紹爪極是汽車交流發電機轉子總成中的核心零件（如圖1所示），其主要作用是將轉子中勵磁線圈產生的軸向磁場轉化為徑向磁場，從而使得轉子旋轉時獲得沿空間三維分布的交變磁場，該交變磁場相對定子運動產生交流電，因而汽車發電機爪極有時也被稱作汽車發電機磁極。

圖1 爪極與汽車交流發電機的聯系

爪極種類繁多，國內外尚無明確分類標準，企業內通常將爪極結構特點作為劃分依據，并據此對爪極進行編號和開發，從而實現爪極的標準化和批量化生產。爪極結構復雜，關鍵裝配部位的尺寸精度要求很高，因此其制造工藝通常是制坯后進行關鍵部位切削加工，以達到裝配要求。對于爪極零件而言，制坯是其中的關鍵環節，根據國內外的文獻和研究資料統計，目前國內外爪極的制坯根據工藝特點主要有三種，即鑄造制坯、鍛壓制坯以及鑄鍛復合制坯。這三種制坯工藝中最初使用的是鑄造制坯，但由于鑄坯致密度低且經常存在疏松、縮孔、偏析等缺陷，降低了爪極的電磁性能，目前已逐步被淘汰。鑄鍛復合制坯工藝流程短、鍛造模具簡單，但需要設計專門的鑄造模具，這增加了生產成本和周期，目前實際生產中尚無企業采用。鍛壓制坯是目前國內外主流爪極制造企業普遍采用的制坯工藝，這種制坯工藝工序相對較少，坯件尺寸精度和內在質量有保證，易于實現產業化生產。

研究現狀

爪極結構分析及原材料選擇

根據爪極的結構特點通常將其分為三大類，即空心爪極、平板爪極及一體爪極（如圖2所示），其中需求最大且目前被主流汽車發電機廠商廣泛采用的是一體爪極，亦被稱作帶磁軛爪極，其典型結構為旋轉對稱體，中間磁軛為圓柱體，形狀簡單，易于成形。沿著圓周分布著不同數量的尖爪，尖爪沿著高度方向的橫截面為不規則形狀，面積逐漸變小且對輪廓度和表面質量要求很高，屬于極難鍛壓成形的部位。

圖2 典型爪極結構類型

按照爪極零件的服役性能要求，應選用機械和電磁性能良好，且易于冷熱加工的原材料。電磁純鐵和部分超低碳鋼（含碳量≤0.1%）能夠符合該要求。但是由于電磁純鐵價格昂貴，切削加工困難，相比超低碳鋼（含碳量≤0.1%）沒有顯著優勢，因此目前超低碳鋼成為爪極原材料的首選。根據不同發電機廠商的要求，爪極原材料的選擇標準也不同，普遍爪極原材料主要成分如表1所示。

表1 不同爪極原材料主要成分

國內外典型爪極鍛壓工藝路線選擇

⑴冷擠壓。

爪極冷擠壓工藝國內最早的公開報道是由長沙汽車電器研究所提出的，但文獻中未闡述其具體工藝流程，僅指明該工藝最初是由日本AIDA公司引入中國，適用于小型結構爪極。文獻闡述了爪極冷擠壓工藝流程為：下料→一次退火→磷皂化→正擠壓→校正→二次退火→磷皂化→鐓頭→沖孔→切邊→三次退火→磷皂化→彎曲→第一次精壓→第二次精壓。該工藝路線有15道工序，成形工序前需要中間退火軟化和表面磷皂化處理，生產效率低，能耗高，環保性差，目前國內使用不多。

⑵板料沖壓。

爪極板料沖壓主要工藝流程為：下料→退火→磷皂化→精整R角→沖孔→彎曲→爪齒精整→整體精整。該工藝路線有8道工序，早期在國外使用，適用于平板爪極，但該工藝采用沖裁方式成形，材料利用率和尺寸精度低，且軋制板料的各向異性也無法消除，影響爪極的電磁性能，目前該工藝國內外已逐漸淘汰使用。

⑶熱鍛—冷精整聯合成形。

目前國內外主流爪極制造企業包括江蘇龍城精鍛有限公司、韓國的ONLY公司以及意大利的OSAR公司等普遍選擇采用熱鍛—冷精整聯合成形作為爪極毛坯的制造工藝，該工藝的主要流程為：下料→坯料加熱→開式熱鍛→切邊→熱處理→拋丸→冷精整，其中熱鍛工序根據爪極零件復雜程度和設備載荷能力通常包含3個成形工步，即鐓坯、預成形、終成形，工藝設計人員為每個工步分配不同的變形量，所有工步在一臺多工位熱模鍛壓力機（如圖3所示）上實現，以提高模具使用壽命和生產效率。該工藝路線包含7道工序，充分利用了熱鍛塑性成形容易和冷鍛時產品尺寸精度高的特點，可以在高溫下對爪極成形困難部位完成大變形，在室溫下實現對爪極尺寸精度要求較高部位的小變形過程，工序少，能耗低，且無需磷皂化處理，生產效率高，能夠實現爪極的大規模批量化生產。該工藝的缺點是一次性投資大，配套使用的鍛造模具設計和制造能力要求高。

圖3 多工位熱模鍛壓力機

基于數值模擬的爪極鍛壓工藝研究現狀及展望（下）見《鍛造與沖壓》2017年第17期