槽楔工藝及冷擠壓模具優化探討

金九大，衛 定，方曉強，葉振東，何 霞

(中國電子科技集團公司第二十一研究所，上海200233)

0引 言

永磁直流力矩電動機是多對極繞組串聯的永磁直流電動機，能在低速和堵轉狀態輸出力矩，可不經齒輪減速器而直接驅動負載。直流力矩電動機電樞結構如圖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，經后續加工外圓構成電機換向元件，再用環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關鍵零件，用量較大。在一些特殊產品中，力矩電機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?？梢哉f，槽楔質量、成本直接決定著電機的性能和成本。解決槽楔的批生產工藝有很大的實際意義，可使電機成本降低10% ～20%。

1槽楔工藝技術

通過對圖2所示三種不同形狀的槽楔材料、結構及使用條件分析，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。

改進前，槽楔一般采用傳統的切削工藝生產，具體生產工藝流程如下: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%)，生產效率低，成本高，槽楔生產已經成為提升產能、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工藝取代傳統工藝。根據永磁直流力矩電動機槽楔結構特點、材料特性，結合該類電機性能要求、環境要求，換向片硬度＞HB90，提出用冷擠壓技術成型槽楔的方法。這種新的工藝技術既提高了材料的利用率、生產率，保證槽楔的尺寸形狀精度，又充分利用了冷擠壓成型、冷作強化特性，保證槽楔有足夠強度與硬度，避免由于熱擠壓材料的退火現象。

冷擠壓是目前擠壓工藝中應用最廣泛、發展最快也最完備的一種成型方法。冷擠壓具有如下優點:零件尺寸準確、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?？蛇_80%以上，達到少切屑、無切屑而使金屬成形;生產率高，尤其是生產批量大的零件，可比切削加工提高幾倍至幾十倍。但是，冷擠壓需擠壓力大，對擠壓設備噸位、剛度、強度均要求較高，特別對冷擠模具設計、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性能、壽命及成本。雖然，較為先進的少切屑冷擠壓加工工藝與純切削加工相比，生產效率、材料的利用率有所提高，但是，槽楔的材料費占整個電機材料成本50%以上。由于冷擠壓對毛坯的要求高，毛坯質量的好壞將會對金屬流動、擠壓件質量、模具壽命等產生明顯影響。過去一直沿用傳統槽楔毛坯加工工藝，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點是生產效率較高，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。材料利用率嚴重影響到永磁直流力矩電動機市場競爭力。槽楔毛坯的加工工藝需要改進，以提高稀貴金屬材料的利用率，進一步降低產品制造成本。

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，我們通過反復試驗、總結，采用槽楔毛坯拉絲模，完成了槽楔毛坯加工工藝的改進，如圖4所示。經過2～3次的冷拉成型工藝，即可將棒料拉成所需的截面形狀。

為了進一步提高材料利用率，節約有限的資源，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，擬設計專用的槽楔毛坯剪切模，如圖5所示，切斷成所需的長度。根據永磁直流力矩電動機槽楔常用厚度，設計了1～2種不同厚度的剪切模。剪切模的凹模鑲塊、限位塊可調，只要調節這兩個零件就可得到不同長度和寬度的槽楔毛坯，做到模具結構、模具數量及可操作性的優化。根據槽楔結構特點和材料特性，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)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槽楔冷擠壓模具設計優化

模具是冷擠壓成型的關鍵工藝裝備，隨著工業生產和科技的進步，模具日益受到人們的重視。日本人稱“模具是進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剛開始研究時，對冷擠壓成型技術、槽楔斷面形狀分析不透徹，冷擠壓模具設計時采用傳統的模具結構。而傳統的模具結構的缺點很明顯，如凸模幾何形狀的對稱性差，承受很大的壓應力及偏載作用，受不均勻的壓應力，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，生產效率也相對較低。

針對傳統的槽楔冷擠壓成型模具凸模存在的應力集中問題，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構?仔細分析槽楔的形狀尺寸，我們在反復試驗的基礎上，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，脫模后分開即可，一次成型兩件。經過改進，實現了凸模幾何形狀對稱，既增強了模具的強度，又可以提高生產效率。既可反擠壓成型，也可以正擠壓成型。

對兩種凸模結構建立三維模型，運用有限元方法對凸模工作狀況下的應力狀態進行分析。本文基于ANSYS軟件，分析結果如圖6所示;傳統凸模采用一模一件，應力狀態較為復雜，在臺階處有應力集中現象，容易發生斷裂等失效現象;改進后凸模采用對稱結構設計，一模兩件，明顯改善了應力集中狀況，有效地提升了模具壽命，且生產效率提高。

圖6 改進前后凸模等效應力分布圖

3結 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%，且生產效率高，省去了槽楔毛坯落料開模成本。通過優化冷擠壓模具結構，明顯改善了冷擠壓模凸模應力集中狀況，有效地提升了模具壽命，提升達100%。今后的努力方向是，進一步優化冷擠模具加工工藝，在分析統計的基礎上，總結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，提高模具的強度和耐磨性，從而提高模具的壽命，提高槽楔的表面質量，進一步縮短槽楔的加工周期。

［1］ 洪探澤．擠壓工藝及模具設計［M］．北京:機械工業出版社，

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