基于數值模擬的L50電機定子外殼冷鍛成形工藝研究

李成 王平

摘 要：在分析L50電機定子外殼結構的基礎上，提出了一種適用于大批量生產的L50電機定子外殼冷鍛成形工藝方案，并完成了相應的模具結構設計。基于DEFORM-3D軟件，對L50電機定子外殼冷鍛成形過程進行了數值模擬，掌握了零件成形過程中成形載荷、材料流動及應力應變場的變化規律，數值模擬結果表明：L50電機定子外殼成形過程中材料流動均勻、應力應變變化情況良好。經生產實際應用，L50電機定子外殼成形件滿足精度要求，模具壽命符合預期，驗證了L50電機定子外殼冷鍛成形工藝方案的合理性。

關鍵詞：電機;定子外殼;冷鍛成形;工藝

Abstract： Based on the analysis of stator shell structure of L50 motor， a cold forging forming process for stator shell of L50 motor suitable for mass production was proposed， and the corresponding die structure design was completed. Based on deform-3d software， the cold forging forming process of the stator shell of L50 motor was simulated numerically， and the variation law of forming load， material flow and stress-strain field was achieved. Through production and practical application， the forming parts of the stator shell of L50 motor meet the requirements of accuracy， and the mold life is in line with the expectation， which verifies the rationality of the cold forging forming process of the stator shell of L50 motor.

前言

電機在電子信息、航空航天及機械等行業中得到了廣泛的應用，電機定子外殼是電機中的重要零件，其精度的高低將直接影響電機的使用壽命。傳統的鑄造加工方法很難滿足大批量的生產要求，且會產生疏松及縮孔等加工缺陷。為保證電機定子外殼的尺寸精度及生產效率，有必要開展電機定子外殼冷鍛成形工藝研究。如：熊保玉[1]分析了定轉子沖壓成形工藝的難點，設計了成形件的排樣，詳細闡述了定轉子沖壓成形模具的結構特點;陳遠懷[2]基于Dynaform數值模擬軟件，對汽車電機殼體成形工藝進行了模擬仿真，通過觀察坯料的成形極限圖，以驗證成形工藝的合理性及可行性;楊松濤[3]提出了階梯筒形電機殼體一次拉深成形方法，運用Dynaform 軟件分析了成形缺陷易發生位置及其原因，基于正交試驗對成形工藝參數進行了優化。本文主要針對L50汽車電機定子外殼冷鍛成形工藝進行研究，并完成相應的模具結構設計。

1 零件結構及特性分析

如圖1所示L50電機定子外殼表面平整，相鄰壁厚間厚度均相等。下表面存在寬1.5mm深0.5mm的兩個相等的凹槽，L50電機定子外殼在電機中主要用于纏繞線圈及產生磁場并對其中的通電導體產生電磁力，其尺寸精度將直接影響線圈的纏繞及電機功能的發揮。

2 成形工藝及模具設計

2.1 成形工藝

圖2為根據L50電機定子外殼零件結構特點設計的零件成形工藝，具體工藝流程如下：下料——拋丸磷皂化——冷鍛成形。

其中，下料階段，要求保持沖裁口無毛刺，坯料外徑118mm，內孔直徑27mm，冷鍛成形階段內外圓同軸度小于0.2mm， 內外圓高度最小值26.7mm，最大值27.3mm。

2.2 模具設計

模具結構如圖3所示。L50電機定子外殼冷鍛成形模具的上模為帶有3個凸臺的上凹模和上沖頭，下模為帶有6個凸臺的下凹模和下沖頭，通過下沖頭固定板來保證模具各部分的相對位置。

3 有限元模型

在NX軟件中完成L50電機定子外殼冷鍛成形工序中對應毛坯、上下沖頭及模具的三維實體建模，并將其轉化成STL格式導入DEFORM-3D軟件中，為簡化L50電機定子外殼冷鍛成形過程，采用剛塑性材料模型，圖4為有限元模型。

數值模擬前處理參數設置：1.材料參數。在DEFORM- 3D材料庫中選擇AISI-1025材料，將沖頭及凹模設為剛體。2.進給速度。上沖頭進給下沖頭固定，上沖頭速度設置為10mm/s。3.模擬控制。步長增量設為0.15mm，總步數為20步。

4 數值模擬結果與分析

4.1 冷鍛成形過程分析

L50電機定子外殼冷鍛成形過程中上沖頭成形載荷曲線如圖5所示。

從圖6、圖7及圖8可以看出，材料流動速度變化均勻，無突變;零件表面光滑無裂紋和起皺現象。

5 工藝驗證

基于L50電機定子外殼冷鍛成形仿真數據，確定選用通泰315T油壓機（圖9）進行成形試驗。圖10為成形坯料，圖11為成形件。成形件表面平整、尺寸精度符合要求，無裂紋及起皺等缺陷，說明了L50電機定子外殼冷鍛成形工藝的可行性。

6 結論

（1）運用 Deform-3D軟件對L50電機定子外殼冷鍛成形工藝進行數值模擬，通過材料流動過程等效速度、等效應力應變云圖，可以較好地了解坯料的成形過程以判斷成形工藝的合理性及可行性。

（2）改進后的L50電機定子外殼冷鍛成形模具結構，經實際生產應用，模具結構合理、壽命符合預期，對其他類似零件的成形工藝和模具設計有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 熊保玉.電機定轉子成形工藝與模具設計[J].模具工業，2014，40 （12）：25-27.

[2] 陳遠懷.汽車電機殼體精密成形工藝研究[D].上海工程技術大學， 2014，12.

[3] 楊松濤.電機殼體成形工藝參數優化及實驗研究[D].哈爾濱理工大學，2014，3.