基于數(shù)值模擬的爪極鍛壓工藝研究現(xiàn)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(shù)值模擬的爪極鍛壓工藝研究現(xiàn)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(shù)部副經(jīng)理，工程師，主要從事精密模鍛技術(shù)研究、精密模鍛產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及技術(shù)管理工作，主持完成20多種不同系列汽車發(fā)電機(jī)精鍛爪極的工藝及模具開(kāi)發(fā)工作，作為核心技術(shù)骨干參與完成的汽車發(fā)電機(jī)爪極精密成形技術(shù)獲得常州市科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，參與省級(jí)以上科技項(xiàng)目2項(xiàng)，擁有2項(xiàng)專有技術(shù)。

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外汽車發(fā)電機(jī)爪極零件的不同鍛壓制坯工藝的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了闡述，并從新工藝設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)以及初始坯料形狀設(shè)計(jì)三方面介紹了目前數(shù)值模擬在爪極鍛壓成形過(guò)程中的若干應(yīng)用實(shí)例，提出了目前爪極鍛壓工藝研究中存在的兩個(gè)問(wèn)題：一是適用于爪極工業(yè)化生產(chǎn)的鍛壓工藝研究較少;二是爪極鍛壓工藝數(shù)值模擬的可靠性和適用性研究較少。文章還提出熱鍛自動(dòng)化是未來(lái)爪極鍛壓新工藝研發(fā)的方向。

背景介紹爪極是汽車交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子總成中的核心零件（如圖1所示），其主要作用是將轉(zhuǎn)子中勵(lì)磁線圈產(chǎn)生的軸向磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為徑向磁場(chǎng)，從而使得轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)獲得沿空間三維分布的交變磁場(chǎng)，該交變磁場(chǎng)相對(duì)定子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生交流電，因而汽車發(fā)電機(jī)爪極有時(shí)也被稱作汽車發(fā)電機(jī)磁極。

圖1 爪極與汽車交流發(fā)電機(jī)的聯(lián)系

爪極種類繁多，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)明確分類標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)內(nèi)通常將爪極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)作為劃分依據(jù)，并據(jù)此對(duì)爪極進(jìn)行編號(hào)和開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)爪極的標(biāo)準(zhǔn)化和批量化生產(chǎn)。爪極結(jié)構(gòu)復(fù)雜，關(guān)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(jìn)行關(guān)鍵部位切削加工，以達(dá)到裝配要求。對(duì)于爪極零件而言，制坯是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外的文獻(xiàn)和研究資料統(tǒng)計(jì)，目前國(guó)內(nèi)外爪極的制坯根據(jù)工藝特點(diǎn)主要有三種，即鑄造制坯、鍛壓制坯以及鑄鍛復(fù)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(jīng)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(fù)合制坯工藝流程短、鍛造模具簡(jiǎn)單，但需要設(shè)計(jì)專門的鑄造模具，這增加了生產(chǎn)成本和周期，目前實(shí)際生產(chǎn)中尚無(wú)企業(yè)采用。鍛壓制坯是目前國(guó)內(nèi)外主流爪極制造企業(yè)普遍采用的制坯工藝，這種制坯工藝工序相對(duì)較少，坯件尺寸精度和內(nèi)在質(zhì)量有保證，易于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)。

研究現(xiàn)狀

爪極結(jié)構(gòu)分析及原材料選擇

根據(jù)爪極的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(fā)電機(jī)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(jié)構(gòu)為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱體，中間磁軛為圓柱體，形狀簡(jiǎn)單，易于成形。沿著圓周分布著不同數(shù)量的尖爪，尖爪沿著高度方向的橫截面為不規(guī)則形狀，面積逐漸變小且對(duì)輪廓度和表面質(zhì)量要求很高，屬于極難鍛壓成形的部位。

圖2 典型爪極結(jié)構(gòu)類型

按照爪極零件的服役性能要求，應(yīng)選用機(jī)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(jià)格昂貴，切削加工困難，相比超低碳鋼（含碳量≤0.1%）沒(méi)有顯著優(yōu)勢(shì)，因此目前超低碳鋼成為爪極原材料的首選。根據(jù)不同發(fā)電機(jī)廠商的要求，爪極原材料的選擇標(biāo)準(zhǔn)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(guó)內(nèi)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(guó)內(nèi)最早的公開(kāi)報(bào)道是由長(zhǎng)沙汽車電器研究所提出的，但文獻(xiàn)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(guó)，適用于小型結(jié)構(gòu)爪極。文獻(xiàn)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(chǎn)效率低，能耗高，環(huán)保性差，目前國(guó)內(nèi)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(guó)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(wú)法消除，影響爪極的電磁性能，目前該工藝國(guó)內(nèi)外已逐漸淘汰使用。

⑶熱鍛—冷精整聯(lián)合成形。

目前國(guó)內(nèi)外主流爪極制造企業(yè)包括江蘇龍城精鍛有限公司、韓國(guó)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(lián)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(kāi)式熱鍛→切邊→熱處理→拋丸→冷精整，其中熱鍛工序根據(jù)爪極零件復(fù)雜程度和設(shè)備載荷能力通常包含3個(gè)成形工步，即鐓坯、預(yù)成形、終成形，工藝設(shè)計(jì)人員為每個(gè)工步分配不同的變形量，所有工步在一臺(tái)多工位熱模鍛壓力機(jī)（如圖3所示）上實(shí)現(xiàn)，以提高模具使用壽命和生產(chǎn)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(shí)產(chǎn)品尺寸精度高的特點(diǎn)，可以在高溫下對(duì)爪極成形困難部位完成大變形，在室溫下實(shí)現(xiàn)對(duì)爪極尺寸精度要求較高部位的小變形過(guò)程，工序少，能耗低，且無(wú)需磷皂化處理，生產(chǎn)效率高，能夠?qū)崿F(xiàn)爪極的大規(guī)模批量化生產(chǎn)。該工藝的缺點(diǎn)是一次性投資大，配套使用的鍛造模具設(shè)計(jì)和制造能力要求高。

圖3 多工位熱模鍛壓力機(jī)

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