船用輔機(jī)電機(jī)罩殼快速?zèng)_壓成型仿真分析及優(yōu)化

婁駿彬，龔雅萍，蘇 霖，侯文洪

(1.嘉興學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江嘉興 314001；2.浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院，浙江舟山 316022；3.浙江海洋大學(xué)船舶與海運(yùn)學(xué)院，浙江舟山 316022；4.浙江煒馳機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，浙江舟山 316100)

艦船輔機(jī)所用的電動(dòng)機(jī)除滿足國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的陸用電機(jī)的要求外，還應(yīng)考慮艦艇工作的特殊應(yīng)用場景，諸如在減振抗噪、防爆防潮以及絕緣等級(jí)等方面需要更高性能要求[1]。船用輔機(jī)電機(jī)罩殼決定了該電機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，是組成電機(jī)的關(guān)鍵零件。其沖壓成型加工制造工藝品質(zhì)的好壞將直接影響船用輔機(jī)的動(dòng)力運(yùn)行噪聲、輸出功率和發(fā)熱等性能[2]。

薄板沖壓成型是通過模具在金屬板料上施加壓力，板料在外力的作用下發(fā)生塑性變形，從而形成所需零件的形狀。在這一復(fù)雜的非線性大變形過程中，包含材料、幾何以及接觸三重非線性問題，會(huì)發(fā)生劇烈變化的應(yīng)力集中區(qū)域[3]。特別是船用輔機(jī)電機(jī)罩殼往往具有更多的成型特征，成型尺寸變化大，在沖壓成型加工過程中容易產(chǎn)生起皺、拉裂、回彈等成型缺陷，嚴(yán)重影響沖壓件的幾何精度、力學(xué)性能和表面質(zhì)量。

傳統(tǒng)的試驗(yàn)法和經(jīng)典理論分析法對(duì)沖壓成型過程的研究多停留在定性和經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析階段，難以確定各成型因素的影響，不能很好地預(yù)測和控制成型過程。隨著近年來沖壓成型機(jī)制的理解深入，國內(nèi)外學(xué)者逐漸將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于沖壓成型的模具設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化中[4]。鄧明等[2]針對(duì)暖風(fēng)機(jī)電機(jī)機(jī)殼沖壓成形技術(shù)進(jìn)行研究，分析了成形工藝及模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)。畢文權(quán)等[5]應(yīng)用三維彈塑性有限元模型和MSC.Marc軟件對(duì)橋殼的熱沖壓成型過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，考察了沖壓溫度、沖壓速度、摩擦條件對(duì)沖壓過程中溫度場、應(yīng)力場分布的影響規(guī)律。陸博福等[6]對(duì)反向曲線的變徑殼體沖壓成型工藝、毛坯展開下料計(jì)算，以及模具設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行研究。STADNICKI，et al[7]以車身零件沖壓成型為例，考察了沖壓成型有限元仿真模型的數(shù)值求解效率及求解方法，比較了Dynaform 和Autoform 程序?qū)α慵_壓成形仿真的效果。LIAO Min，et al[8]采用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)汽車零件的沖壓方向進(jìn)行了研究，并利用Autoform 有限元方法進(jìn)行了驗(yàn)證。PALMIERI，et al[9]利用有限元軟件AutoForm 對(duì)拉伸過程進(jìn)行建模并分析拉伸過程的穩(wěn)定性和成形能力。

雖然國內(nèi)外已對(duì)殼體板料沖壓成型的仿真分析進(jìn)行了基礎(chǔ)研究，并將其用于指導(dǎo)生產(chǎn)，但在船用輔機(jī)電機(jī)罩殼沖壓成型分析及沖壓工藝優(yōu)化制定方面的研究較少。本文針對(duì)船用輔機(jī)電機(jī)罩的沖壓成型問題進(jìn)行分析，并優(yōu)化沖壓模具結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)沖壓成型質(zhì)量的提升，并通過Autoform 數(shù)值模擬軟件對(duì)優(yōu)化后模具的沖壓過程進(jìn)行模擬分析驗(yàn)證優(yōu)化的有效性。

2 輔機(jī)電機(jī)罩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成型分析

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

永磁無刷直流電機(jī)具有較好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能及可靠性，廣泛應(yīng)用于船用輔機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置，該電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子分別通過罩殼的內(nèi)筒壁和殼體軸承室定位支撐，保證定子和轉(zhuǎn)子均勻間隙，而殼體與機(jī)蓋則通過口部內(nèi)徑與機(jī)蓋端面凸條外徑配合實(shí)現(xiàn)定位，以保證軸承室的相對(duì)位置精度。船用輔機(jī)電機(jī)罩殼的上述結(jié)構(gòu)特征則在很大程度上由其沖壓成型品質(zhì)保證，以實(shí)現(xiàn)后續(xù)產(chǎn)品焊接和組裝的準(zhǔn)確性要求，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 船用輔機(jī)電機(jī)罩殼結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of marine auxiliary motor cover

2.2 成型問題分析

由于船用輔機(jī)電機(jī)定子是通過電機(jī)罩殼內(nèi)筒壁進(jìn)行徑向定位，需避免在筒形拉伸過程中發(fā)生嚴(yán)重變薄現(xiàn)象，影響定位精度；同時(shí)，罩殼內(nèi)壁還需通過整形工序以保證一定的同軸度和尺寸公差，以實(shí)現(xiàn)與軸承室的相對(duì)定位精度。

船用輔機(jī)電機(jī)罩殼采用厚為4 mm 的板料進(jìn)行筒形深拉伸沖壓成型，受到許多因素的影響和限制。在實(shí)際沖壓成型生產(chǎn)中容易引起材料的局部開裂、起皺、拉毛、回彈和破裂等缺陷，無法滿足總成匹配90%以上的合格率要求（圖2）。

圖2 電機(jī)罩沖壓成型缺陷Fig.2 Stamping defects of motor cover

2.3 電機(jī)罩沖壓成型工藝

船用輔機(jī)電機(jī)罩殼通常由多種工序綜合應(yīng)用于一個(gè)工件，包括沖裁、翻孔、剪切、拉伸、沖孔、整形等幾種主要的沖壓工藝，其主要成形工藝路線如圖3 所示。

圖3 船用輔機(jī)電機(jī)罩殼沖壓成形工藝Fig.3 Stamping forming process of marine auxiliary motor cover

3 沖壓成型工藝參數(shù)確定

3.1 毛坯尺寸

電機(jī)罩殼零件需考慮材料變薄因素，以滿足多次拉深成形的需要，其毛坯尺寸直徑的計(jì)算應(yīng)根據(jù)解析算法公式[2]：

式中：D 為毛坯直徑，mm；Si為罩殼筒體各部分的表面積總和，mm2；α 為平均變薄系數(shù)，對(duì)本文所采用的08AL 鋼材，取α=0.95。經(jīng)計(jì)算毛坯直徑D=440 mm。

3.2 壓邊力

壓邊力是通過壓邊圈作用于壓料面來帶動(dòng)板料運(yùn)動(dòng)完成成型過程的作用力，是影響板料成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，其理論公式為[10]：

式中：F 為壓邊力，N；S 為壓邊面積，mm2；q 為單位壓邊力，N·mm-2，不同材料q 的取值不同，經(jīng)計(jì)算本文的理論壓邊力F 為50 kN。

4 成型模具優(yōu)化

為了解決成型過程中常常伴有開裂、拉毛、增厚和起皺等問題，關(guān)鍵是需要通過對(duì)成型模具進(jìn)行優(yōu)化整改。成型模具優(yōu)化調(diào)整總體方案為：

(1)開裂：優(yōu)化沖壓成型產(chǎn)品的進(jìn)料凹模和凸模R 角，調(diào)整產(chǎn)品板料進(jìn)料間隙值，反復(fù)模擬單位壓強(qiáng)和潤滑系數(shù)，直至可有效解決產(chǎn)品開裂現(xiàn)象。

(2)拉毛：凹?？谑褂脻u變進(jìn)料R 角，上小下大。用小R 角成型防止走料過快導(dǎo)致產(chǎn)品起皺；而用大R角以減少與產(chǎn)品的摩擦及接觸面積，利用材料進(jìn)入模腔時(shí)的速度變化和厚度變化的分析模擬值不斷優(yōu)化R 角，減少進(jìn)料阻力，防止產(chǎn)品出現(xiàn)拉毛及拉傷等現(xiàn)象。

(3)增厚：分析過程中調(diào)整局部工藝面間隙，合理計(jì)算板料大小。適當(dāng)加大成型力防止局部堆料。

(4)起皺：適當(dāng)調(diào)整凹?？赗 角，板料的摩擦系數(shù)、板料大小、成型壓力等手段來防止起皺。

船用輔機(jī)電機(jī)罩殼沖壓成型各工序的具體整改方案見表1。

表1 各工序?qū)?yīng)的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化Tab.1 Optimization of die structure corresponding to each process

5 沖壓成型仿真分析

5.1 參數(shù)設(shè)置

電機(jī)罩殼沖壓成型的仿真參數(shù)，包括材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及成型參數(shù)如表2 所示。

表2 沖壓成型仿真參數(shù)Tab.2 Simulation Parameters of Stamping Forming

將建好的三維模型以片體形式提取成*IGS 格式并導(dǎo)入Autoform 軟件中，設(shè)置模擬參數(shù)、材料參數(shù)。成型模擬類型選擇單動(dòng)拉延，對(duì)電機(jī)罩殼進(jìn)行沖裁、翻孔、剪切、拉伸、沖孔、整形等沖壓工藝仿真，沖壓成型仿真流程路線(圖4)。

圖4 沖壓成型仿真流程Fig.4 Simulation process of stamping forming

5.2 仿真結(jié)果分析

圖5 為電機(jī)罩殼在沖壓成型過程中材料流動(dòng)變形云圖，由圖可知在沖壓過程中成形的流動(dòng)性較好，沒有明顯的危險(xiǎn)區(qū)域。

圖5 成型過程云圖Fig.5 Nephogram of molding process

電機(jī)罩殼沖壓成型過程的成形極限圖，在力學(xué)上是指沖壓板材在不同應(yīng)力條件或不同應(yīng)變路徑下發(fā)生頸縮或破裂之前可以達(dá)到的極限板面應(yīng)變量的集合，是分析沖壓成形工藝過程能否穩(wěn)定發(fā)展的判據(jù)判斷，也是評(píng)定金屬薄板成形性的最為簡便和直觀的方法[11-13](圖6)。圖中所有的點(diǎn)都在成形極限曲線下方，表示在沖壓成型過程中沒有破裂情況發(fā)生。

圖6 成形極限圖Fig.6 Forming limit diagram

成型模具優(yōu)化前與優(yōu)化后，產(chǎn)品沖壓成型的效果對(duì)比如圖7 所示。由圖7(a)可知，優(yōu)化前的產(chǎn)品頂部減薄率最大，而底部發(fā)生較為嚴(yán)重的堆料增厚，最大增厚率達(dá)108%，影響產(chǎn)品成型質(zhì)量。而優(yōu)化后沖壓成型的產(chǎn)品減薄率見圖7(c)，電機(jī)罩殼在頂部拉延后有一定減薄，平均減薄率在24.41%，最大減薄率為30.32%。同時(shí)在筒壁及壓邊處會(huì)發(fā)生局部堆料增厚，最大增厚達(dá)9.34%。由圖7(d)可知，在沖壓成型過程中未發(fā)生起皺現(xiàn)象，成形質(zhì)量總體良好。

圖7 沖壓成型云圖Fig.7 Nephogram of stamping forming

通過上述仿真結(jié)果顯示，船用輔機(jī)電機(jī)罩在成型模具優(yōu)化整改后，產(chǎn)品的沖壓質(zhì)量較好，未發(fā)現(xiàn)整改前所出現(xiàn)的拉伸開裂、產(chǎn)品拉毛以及堆料增厚、起皺等現(xiàn)象，經(jīng)沖壓成型生產(chǎn)實(shí)踐，優(yōu)化后的產(chǎn)品合格率在90%以上，進(jìn)一步表明沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性，滿足產(chǎn)品總成匹配的生產(chǎn)要求。

6 結(jié)論

針對(duì)目前船用輔機(jī)電機(jī)罩殼沖壓成型質(zhì)量不高、效率低的問題，確定沖壓成型工藝參數(shù)并通過調(diào)整凹模及凸模R 角優(yōu)化成型模具。利用Autoform 數(shù)值模擬軟件對(duì)優(yōu)化沖壓工藝后的電機(jī)罩殼沖壓成型過程進(jìn)行仿真分析。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的沖壓成型質(zhì)量較好，未發(fā)生明顯開裂情況，產(chǎn)品最大減薄率為30.32%，未發(fā)生起皺現(xiàn)象。同時(shí)經(jīng)沖壓成型生產(chǎn)實(shí)踐，優(yōu)化后的產(chǎn)品合格率在90%以上，進(jìn)一步表明沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。