小轎車用爪極發(fā)電機半固態(tài)節(jié)能成形新工藝

李雙江，李澤源，趙升噸，王永飛

(西安交通大學 機械工程學院，陜西 西安 710049)

0 前言

汽車發(fā)電機是汽車各用電設備的主要電力來源，它在向空調、照明設備等供電的同時向蓄電池充電，是汽車系統(tǒng)中的關鍵部件之一。相同體積相同勵磁電流下混合勵磁式爪極發(fā)電機的功率因數(shù)和輸出功率均高于電勵磁式發(fā)電機，而且通過調整直流勵磁電流即可調節(jié)氣隙磁場，因此具有突出優(yōu)勢，符合汽車發(fā)電機的發(fā)展趨勢[1]。

爪極是汽車發(fā)電機轉子的重要部件，是進行電磁發(fā)電的主要元件[2]。已有的成形方法包括精密鑄造、板料壓彎[3]、熱模鍛和冷/溫擠壓成形等。目前廣泛應用的爪極加工方法為熱鍛后冷精整成形[4]。爪極的尺寸精度要求較高，在成形過程中由于存在薄壁和結構細小部位，容易出現(xiàn)材料充形不滿、折疊等缺陷，導致尺寸精度難以保證，廢品率高[5]。此外模具受力大，難以保證模具強度和壽命[6]。同時在爪極的生產過程中，由于材料的塑性變形，還會使磁疇的排列發(fā)生變化，影響爪極材料的磁導率和矯頑力[7]。

為了應對氣候變化的挑戰(zhàn)，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，中國提出到2030年年實現(xiàn)碳達峰和2060年前實現(xiàn)碳中和的“雙碳”目標，該目標的提出要求制造業(yè)實現(xiàn)綠色轉型，在兼顧產品生產質量和提高生產效率的同時降低生產過程中的能源消耗。具體到發(fā)電機爪極的制造工藝中，可以通過縮短工藝流程，減少各個工序的能量消耗的方式實現(xiàn)節(jié)能目的。本文針對電機爪極制造過程中的成形工序，進行低能耗成形工藝方法研究。

1 汽車發(fā)電機爪極幾何形狀及其材料

1.1 爪極的幾何形狀

汽車發(fā)電機結構如圖1所示[8]，汽車發(fā)電機爪極屬于形狀復雜的軸對稱高筋類零件，中間部位為一帶孔的凸臺，在外徑四周均勻分布六個豎爪，豎爪在向上拉伸方向有一定斜度，豎爪的橫截面隨高度增加而減小。爪極中部凸臺直徑為58.6 mm，凸臺上通孔直徑為17.7 mm，爪極整體最大外徑為107.4 mm，爪極最大高度為45.2 mm，體積為166.3 cm3，具體結構尺寸如圖2所示。

圖1 汽車發(fā)動機結構

圖2 汽車發(fā)電機用爪極零件三維圖

1.2 汽車發(fā)電機爪極的材料

06鋼與08鋼是目前可以替代電工純鐵用于爪極的材料[9]，具有良好的深沖、拉延、彎曲和鐓粗等塑性加工性能，同時具有高的感磁性和的抗磁性，其化學成分如表1所示。

表1 兩種低碳鋼化學成分wt/%

為了滿足汽車發(fā)電機爪極的工作需要，使其具有較好的加工性能和使用性能，現(xiàn)有工藝規(guī)定坯料圓鋼的力學性能應滿足表2要求[10]。

表2 低碳鋼力學性能

2 爪極傳統(tǒng)熱模鍛成形過程數(shù)值模擬

2.1 材料模型

采用Johnson-Cook模型描述08鋼在高溫狀態(tài)成形爪極時材料的流動應力與應變、應變率和溫度之間的關系，如式(1)

(1)

(2)

式中,針對08#低碳鋼，A為初始屈服應力，350 MPa；B為材料硬化常數(shù)，275 MPa；C為應變率常數(shù)，0.022；n為硬化指數(shù)，0.36；m為熱軟化指數(shù)，1；Tmelt為材料熔點，1 517 ℃；Troom為室溫，20 ℃。由Johnson-Cook模型可知當應變與應變速率一定時，隨著坯料溫度的升高，材料的流動應力下降。當應變速率為5 s-1，溫度區(qū)間在900～1 200 ℃之間時，08鋼材料的應力應變曲線如圖3所示，流動應力隨著坯料溫度的升高而下降。

圖3 不同溫度時坯料的流動應力

2.2 有限元模型的建立

由于爪極為具有6個齒狀結構圓周等分布置的軸對稱結構，為了減少計算量，取其1/12為計算成形部分，將剖分面設置為對稱面，材料在對稱面上只有切向運動，沒有法向運動，在Deform-3D軟件中建立分析模型。具體分析參數(shù)如表3所示，毛坯材料采用08#鋼，模具材料為H13模具鋼，在成形過程中包含的物理現(xiàn)象包括坯料的塑性變形和坯料與模具的熱交換過程。

表3 有限元分析參數(shù)設置

爪極毛坯采用中心帶芯軸孔的環(huán)狀毛坯，考慮到成形后飛邊和部分多余材料需要去除，坯料體積比成形后零件體積稍大，體積為173.6 cm3，尺寸如圖4所示。采用1/12坯料的網格模型進行成形仿真計算，通過設置網格劃分的方法，在坯料的曲率半徑較大處即坯料尖角附近，網格尺寸較小，密度較大，最小單元長度為0.22 mm。在成形過程中，隨著材料流動，坯料形狀發(fā)生改變，相應的網格單元也隨著材料的變形發(fā)生發(fā)生畸變。當網格變形到使得計算效率下降誤差增大時，需要通過重新劃分網格的方法使計算繼續(xù)進行。在進行網格重新劃分使需要遵循一定原則，在材料的形狀曲率半徑較小處即坯料尖角附近，網格尺寸較小，密度較大；在材料內部的應力梯度較大處，網格重劃分時，網格密度較大。

圖4 坯料尺寸

2.3 材料流動過程與成形載荷變化分析

以反向擠壓為例，在合模過程中，隨著上模移動，坯料首先發(fā)生鐓粗變形，坯料沿徑向向外流動，與模具相接觸的材料由于摩擦力的影響流動地慢，與模具不接觸部分材料流動地快，如圖5所示為不同時間時模具內材料的流動情況。

圖5 成形過程中材料流動

隨著上模的進一步下壓，坯料變形進入反向擠壓流動階段，材料流動填充模具內爪齒空間。在坯料成形爪極過程中，爪極齒上的放置槽最后由材料填充成形得到，此處是成形過程中容易出現(xiàn)缺陷的部位。

在爪極成形的過程中，載荷時間曲線根據(jù)斜率變化明顯的分為3段，以成形前坯料溫度為1 250 ℃為例，如圖6所示。

圖6 坯料溫度為1 250 ℃時模具載荷-時間變化曲線

第1階段，從上模開始下壓至0.58 s，載荷上升平緩，從零載荷上升至38.2 kN，如圖6b所示。從坯料的形狀以及與模具的接觸狀態(tài)可以觀察到，此時的毛坯類似墩擠變形，爪極零件的細小結構還未開始成形。第2階段，載荷上升速率加快，這是由于坯料進入反擠變形階段，載荷在0.94 s上升至157 kN，如圖6c所示。由于這個階段中坯料發(fā)生塑性流動的體積分數(shù)較大，載荷上升相對平緩。第3階段，坯料已填充滿爪極凸臺和爪齒根部型腔，此后坯料只能向爪齒型腔流動，同時進行細小結構的成形。由于型腔橫截面積在逐漸減小，坯料自由流動的面積大為減少，造成載荷的急劇上升如圖6d所示，至終鍛時間1.0 s時，成形載荷達到1 010 kN。

在爪極熱模鍛成形過程中，不同溫度下的模具內部的材料流動情況具有相似性，各種成形溫度下坯料都會經歷墩擠變形，填充型腔最后成形爪極齒形的過程，因此不同溫度下的成形載荷曲線也具有相似性，分為三個成形階段，如圖7所示。當坯料溫度為900 ℃時，最大成形載荷為1 890 kN，當坯料溫度上升至1 200 ℃時，最大成形載荷下降至1 290 kN，08#低碳鋼材料的爪極在1 200 ℃時最大成形載荷比900 ℃時降低的百分比達31.7%。

圖7 不同溫度坯料的成形載荷

3 爪極半固態(tài)新型成形過程數(shù)值模擬

3.1 有限元模型的建立

在半固態(tài)溫度下，08鋼材料內部固相與液相共存，材料的宏觀力學特點表現(xiàn)為無法承受法向壓力，受剪切力時表現(xiàn)出非牛頓流體性質。采用單相本構模型關系描述半固態(tài)材料的變形過程，采用Arrhenius模型

(3)

具體分析參數(shù)如表4所示，毛坯材料采用08#鋼，應力應變曲線由熱模擬實驗得到，模具材料為H13模具鋼，在成形過程中包含塑性變形和熱交換過程。

表4 有限元分析參數(shù)設置

與熱模鍛成形工藝不同的是，半固態(tài)成形工藝的坯料預熱溫度更高。08鋼的坯料半固態(tài)成形預熱溫度為1 500 ℃，略低于其熔點，此時坯料內部已發(fā)生部分材料的固液相轉變。

3.2 半固態(tài)成形過程載荷分析與能量消耗情況

在爪極零件的成形過程中，根據(jù)動模運動方向與材料流動方向的關系可分為正向擠壓和反向擠壓。正向擠壓時，動模擠壓方向與極爪的齒成形方向相同，反向擠壓時，動模擠壓方向與極爪的齒成形方向相反，如圖8所示。灰色箭頭方向為動模運動方向，黑色箭頭方向為材料填充爪極時的流動方向。

圖8 正向擠壓與反向擠壓示意圖

正向擠壓成形和反向擠壓成形均可成形完整的極爪結構，但兩者在成形過程中所需要的載荷不同，在相同成形條件下，正向擠壓比反向擠壓成形載荷更小，如圖9所示。

圖9 成形載荷與能量消耗

1/12模型計算得到正向擠壓的最大載荷為309 kN，反向擠壓的最大載荷為347 kN，正向擠壓比反向擠壓的最大載荷減少11.0%。1/12模型計算得到正向擠壓能量消耗為556 N·m，反向擠壓能量消耗為610 N·m，正向擠壓比反向擠壓能量消耗減少8.9%。

3.3 傳統(tǒng)熱模鍛與半固態(tài)新型成形的能耗對比

在爪極零件的成形工藝中，動模具行程的載荷能量消耗是爪極成形過程總能量消耗的重要組成部分。傳統(tǒng)熱模鍛在不同溫度下動模具行程的載荷能量消耗如圖10所示。

圖10 不同溫度下熱模鍛能量消耗

相對于熱模鍛工藝，半固態(tài)成形工藝在坯料成形零件的過程中，由于材料具有良好的流動性，成形力很小，在成形過程中的能量消耗大大降低。在坯料溫度為1 200 ℃時，熱模鍛成形爪極消耗能量為3 300 N·m，而在坯料溫度為1 500 ℃時，半固態(tài)成形爪極消耗能量為556 N·m，能量消耗減少83%。

4 結論

(1)汽車發(fā)電機爪極在采用傳統(tǒng)的熱模鍛成形過程中，隨著坯料溫度的增加，最大成形載荷不斷減小。當坯料溫度為900 ℃時，最大成形載荷為1 890 kN，當坯料溫度上升至1 200 ℃時，最大成形載荷下降至1 290 kN，08#低碳鋼材料的爪極在1 200 ℃時最大成形載荷比900 ℃時降低的百分比高達31.7%。隨著坯料溫度的上升，材料塑性流動所消耗的能量不斷降低，當坯料溫度為900 ℃時，能量消耗為5.7×103N·m，當坯料溫度上升至1 200 ℃時，能量消耗為3.3×103N·m，1 200℃時能量消耗比900 ℃時降低的百分比高達42.1%。

(2)汽車發(fā)電機08#低碳鋼材料的爪極當采用半固態(tài)成形時，坯料溫度為1 500 ℃的最大成形載荷為347 kN，相比于傳統(tǒng)的熱模鍛成形力減少73%，并且正向擠壓成形相比于反向擠壓成形的最大載荷減少11.0%。

(3)汽車發(fā)電機08#低碳鋼材料的爪極半固態(tài)成形方式能夠大幅度減少材料成形爪極過程中的能量消耗，當坯料溫度為1 500 ℃時，半固態(tài)成形爪極消耗能量為556 N·m，相比于傳統(tǒng)的熱模鍛成形工藝，能量消耗減少83%。

(4)汽車發(fā)電機08#低碳鋼材料的爪極半固態(tài)成形力和能量消耗顯著低于傳統(tǒng)熱模鍛，這使得半固態(tài)成形模具強度及剛度要求顯著低于傳統(tǒng)的熱模鍛，從而降低了模具的費用，以及塑性變形設備的造價。