高槽滿率繞組專用窄矩形截面電磁線拉拔均勻性研究

王錦波，王冬艷，彭春斌，王成勇，金愛民

（1.安徽飛翔電器有限公司，安徽 宣城 242600；2.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.銅陵精達(dá)特種電磁線股份有限公司，安徽 銅陵 244000）

0 引 言

窄矩形截面銅電磁線俗稱銅扁線，是目前高功率大扭矩微型化新能源汽車電機(jī)繞組的重要導(dǎo)電材料，其導(dǎo)電性能、力學(xué)性能、尺寸精度和表面質(zhì)量直接影響繞組質(zhì)量，進(jìn)而影響驅(qū)動(dòng)電機(jī)的槽滿率、峰值扭矩、持續(xù)扭矩和持續(xù)功率等關(guān)鍵性能指標(biāo)，因此對(duì)電機(jī)繞組的關(guān)鍵材料銅扁線的幾何精度和組織性能要求較高[1]。電磁線拉拔成形過程中，由于金屬塑性流動(dòng)不均勻，易導(dǎo)致銅扁線產(chǎn)生微裂、起皮、毛刺、扭曲等缺陷。

在密繞情況下，以截面積和用銅量（體積）相等作為比較基準(zhǔn)。在相同的嵌線空間中，扁截面相較于圓截面電磁線，其銅的填充量可以增加20～30%，從某種程度上等同于增加20～30%的功率[2]。圖1所示為圓柱形和圓角扁形2種截面密繞狀態(tài)，經(jīng)計(jì)算，圓線在鐵芯嵌線空間中的占空率為78%，而扁線則高達(dá)98%。同時(shí)，扁線與扁線之間的接觸面積增大，促使繞組與鐵芯之間的接觸面增大，提高了電機(jī)繞組的傳熱與散熱能力。

圖1 圓線和扁線密繞狀態(tài)對(duì)比

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)金屬線材拉拔成形和工藝參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行了研究。毛勇[3]針對(duì)電磁線線芯拉拔成形過程中的等效應(yīng)變、等效應(yīng)力和溫度等分布不均勻現(xiàn)象，通過改善潤(rùn)滑條件，降低摩擦，實(shí)現(xiàn)了成形電磁線線芯的均勻流變。楊祖建等[4]通過建立響應(yīng)面模型對(duì)鋼絲拉拔工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方案的可行性。顧蘇楠[5]通過適當(dāng)增加拉拔道次，減少單道次變形程度，減小了鎂合金及純鎂絲材的拉拔變形不均勻程度，提高絲材的表面質(zhì)量。A S M GUSTAVO等[6]用R型模具代替C型模具，減少了坯料表面的等效應(yīng)力，并發(fā)現(xiàn)模角對(duì)坯料表面的應(yīng)力影響較大。銅扁線不同于棒材、絲材等圓截面型材，為了準(zhǔn)確描述銅扁線拉拔過程，現(xiàn)基于DeForm-3D建立銅扁線拉拔有限元模型，并驗(yàn)證了模型的可靠性和工藝可行性，優(yōu)化模具幾何參數(shù)，提高了成形質(zhì)量。

1 有限元模型建立

在企業(yè)擬生產(chǎn)的系列銅扁線中選擇一種作為研究對(duì)象并進(jìn)行有限元建模研究，該銅扁線截面形狀如圖2所示。根據(jù)拉拔模相關(guān)設(shè)計(jì)要求，成品線材的斷面輪廓要限于坯料輪廓之內(nèi)，同時(shí)在變形過程中形狀需逐漸過渡，且可以有一定的過渡道次。銅扁線塑性加工過程中截面變化如圖3所示。在確定好各?？谛螤詈?，設(shè)計(jì)過橋模及定徑模相關(guān)尺寸，如表1所示。

圖2 銅扁線截面尺寸

圖3 銅扁線加工過程截面變化

表1 過橋模及定徑模相關(guān)尺寸 mm

利用SolidWorks建立過橋模、定徑模、夾頭及坯料幾何模型，將其導(dǎo)入DeForm-3D中，完成有限元幾何模型的建立，如圖4所示。

圖4 有限元模型

銅扁線材料為T2紫銅，在室溫下采用冷拔成形工藝。坯料有限元模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格總數(shù)為45 000，最小單元尺寸為0.24 mm。拉拔變形過程中，坯料與模具零件之間采用庫(kù)倫摩擦模型，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，摩擦系數(shù)設(shè)為0.1。夾頭帶動(dòng)坯料運(yùn)動(dòng)，夾頭運(yùn)動(dòng)速度即拉拔速度，為100 mm/s。

2 有限元結(jié)果與分析

利用DeForm-3D的點(diǎn)跟蹤功能可以研究成形過程中銅扁線的變形和趨勢(shì)。在拉拔后的金屬坯料上選取3個(gè)跟蹤點(diǎn)，如圖5所示，位置分別為寬邊中點(diǎn)P1、圓角P2、窄邊中點(diǎn)P3。成形過程中3個(gè)跟蹤點(diǎn)的等效應(yīng)變變化情況如圖6所示，各點(diǎn)在經(jīng)過過橋模和定徑模后都發(fā)生了變形，其中圓角處等效應(yīng)變最大，即變形最大，其次是窄邊處大于寬邊處。各部位變形程度從大到小依次為P2＞P3＞P1。

圖5 點(diǎn)跟蹤位置

圖6 跟蹤點(diǎn)等效應(yīng)變變化情況

過橋模和定徑模內(nèi)扁線縱剖面等效應(yīng)力如圖7所示，銅扁線橫截面等效應(yīng)力圖8所示。等效應(yīng)力的分布與變形劇烈程度相對(duì)應(yīng)，等效應(yīng)力大的部位與等效塑性應(yīng)變大的區(qū)域基本一致，窄邊及圓角處的等效應(yīng)力大于寬邊處。紫銅在退火后抗拉強(qiáng)度約為220～240 MPa，但是銅對(duì)加工硬化比較敏感，經(jīng)過塑性變形后抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到400 MPa以上[7]。由圖7和圖8可知，銅扁線在成形過程中等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在窄邊及圓角處的表面區(qū)域，達(dá)到385 MPa，而變形區(qū)內(nèi)部等效應(yīng)力均在330 MPa以下，小于紫銅的抗拉強(qiáng)度，因此銅扁線在冷拔成形過程中不會(huì)出現(xiàn)拉斷、裂紋等缺陷，表明過橋模及定徑模相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)合理，能保證銅扁線連續(xù)拉拔的進(jìn)行。

圖7 過橋模和定徑模內(nèi)扁線縱剖面等效應(yīng)力

圖8 過橋模和定徑模內(nèi)扁線橫截面等效應(yīng)力

綜上所述，從等效應(yīng)力分布看，銅扁線成形過程中變形主要發(fā)生在窄邊處及圓角部位，其中圓角處變形程度大于窄邊處與寬邊處，圓角及窄邊處的變形抗力更容易造成拉拔模對(duì)應(yīng)部位應(yīng)力集中，接觸應(yīng)力始終處于較高水平，導(dǎo)致模具該部位產(chǎn)生過早磨損、微裂紋直至破壞失效。該設(shè)計(jì)方案中，過橋模和拉拔定徑模的圓角及窄邊處受到的應(yīng)力較大，但遠(yuǎn)小于模具材料的屈服強(qiáng)度，成形過程中，銅扁線及拉拔模材料均不會(huì)被破壞。上述有限元模型一定程度上驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可靠性。

3 關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化

銅扁線的拉拔成形是金屬向徑向、軸向和周向同時(shí)流動(dòng)的結(jié)果。根據(jù)最小阻力定律，在橫截面方向，材料向窄矩形長(zhǎng)、寬2個(gè)方向塑性流動(dòng)的距離不同，阻力大小也不同，金屬流動(dòng)不均勻?qū)е卤饩€變形不均勻，進(jìn)而造成組織不均勻，最終窄銅扁線截面的力學(xué)性能和導(dǎo)電性能不一致，在使用中會(huì)出現(xiàn)電流密度分布不均勻現(xiàn)象，這是窄銅扁線局部絕緣層過早老化，出現(xiàn)電暈、擊穿、閃弧等失效的原因。

銅扁線拉拔模的入模角、定徑帶長(zhǎng)度、模具零件與坯料間的摩擦系數(shù)是影響拉拔成形質(zhì)量的關(guān)鍵參數(shù)[8]。銅扁線拉拔定徑模結(jié)構(gòu)如圖9所示，α為入模角。

③二氧化碳?xì)怏w通入NaClO溶液中,無論二氧化碳少量還是過量,都發(fā)生反應(yīng)CO2+NaClO+H2O==HClO+NaHCO3,而不會(huì)生成碳酸鈉,因酸性:H2CO3＞HClO＞HCO-3。

圖9 拉拔定徑模結(jié)構(gòu)

坯料由入口區(qū)進(jìn)入模具，經(jīng)工作區(qū)實(shí)現(xiàn)減徑，定徑帶進(jìn)一步穩(wěn)定坯料尺寸，使坯料獲得更加精確的尺寸。故選擇優(yōu)化拉拔定徑模的關(guān)鍵參數(shù)為入模角α和定徑帶長(zhǎng)度L，優(yōu)化目標(biāo)是減小截面內(nèi)應(yīng)力與應(yīng)變分布不均勻程度。摩擦系數(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中不宜定量改變，故建模時(shí)依據(jù)相關(guān)資料推薦鋼銅接觸界面摩擦系數(shù)為0.1。

以應(yīng)變不均勻系數(shù)N作為成形質(zhì)量指標(biāo)，表征銅扁線拉拔變形的均勻性。N值越小，則變形越均勻，表達(dá)式如下[9]：

其中：εmax、εmin分別為選取橫截面工藝點(diǎn)的等效應(yīng)變最大值和最小值；εi(i=1，2…)為選取點(diǎn)的等效應(yīng)變；εavg為選取點(diǎn)的等效應(yīng)變平均值。

定徑模下端為穩(wěn)定變形部分，圖10所示為距定徑模下端10 mm處橫截面取點(diǎn)（圖9中A-A處），窄邊、寬邊表面中點(diǎn)及圓角處分別距芯部等距取點(diǎn)，該7個(gè)關(guān)鍵工藝點(diǎn)能較好地反應(yīng)拉拔變形的整體情況。

圖10 選取截面參考點(diǎn)

3.1 入模角優(yōu)化

由表2可以看出，不同入模角芯部的等效應(yīng)變值最小，窄邊、寬邊的表層及圓角處等效應(yīng)變較大，由表層至芯部等效應(yīng)變逐漸減少，即表層變形最為劇烈，芯部變形相對(duì)較少。圖11所示為不同入模角總不均勻系數(shù)N1（B1～B7的不均勻程度值）及各方向不均勻系數(shù)N2、N3、N4曲線，當(dāng)入模角α取9°時(shí)，截面窄邊、寬邊中點(diǎn)、圓角表面處至芯部變形不均勻系數(shù)（N2、N3、N4）及總不均勻系數(shù)（N1）均為最小，即該條件下拉拔變形最均勻，拉拔銅扁線的成形質(zhì)量最佳，故選取入模角α為9°。

表2 不同入模角的等效應(yīng)變及N值

圖11 不同入模角的不均勻系數(shù)值

3.2 定徑帶優(yōu)化

坯料經(jīng)定徑模的工作區(qū)達(dá)到減徑目的，定徑帶則穩(wěn)定坯料，使成形的銅扁線獲得精確的形狀與尺寸，減少?？啄p。定徑帶過長(zhǎng)時(shí)，坯料與模具零件之間的摩擦增加，拉拔力和摩擦力增大，坯料經(jīng)過?？讜r(shí)產(chǎn)生的熱量增多，易引起模具零件開裂；定徑帶過小時(shí)，拉拔速度增大，金屬流動(dòng)不均勻傾向加劇，定徑帶易受損，縮短模具使用壽命[11]?？刂破渌兞浚Σ料禂?shù)μ=0.1，拉拔速度v=100 mm/s，模具入模角α=9°）不變，運(yùn)用有限元建模，對(duì)比研究定徑帶長(zhǎng)度L分別為1、1.5、2 mm時(shí)的截面應(yīng)變均勻性。不同定徑帶長(zhǎng)度下選取點(diǎn)的等效應(yīng)變值和不均勻系數(shù)如表3所示。

表3 不同定徑帶長(zhǎng)度的等效應(yīng)變及N值

由表3可以看出，定徑帶長(zhǎng)度為1 mm和2 mm時(shí)N值較大，即定徑帶長(zhǎng)度過長(zhǎng)或過短，都會(huì)造成金屬流動(dòng)不均勻，影響表面成形質(zhì)量。圖12所示為不同定徑帶長(zhǎng)度的總不均勻系數(shù)N1及各方向不均勻系數(shù)N2、N3、N4曲線。

圖12 不同定徑帶長(zhǎng)度的不均勻系數(shù)值

由圖12可知，定徑帶長(zhǎng)度為1.5 mm時(shí)，寬邊中點(diǎn)及圓角表面處至芯部變形不均勻系數(shù)（N3、N4）和總不均勻系數(shù)（N1）均最小，由于窄邊中點(diǎn)至芯部的N2值與最小值相差較小，定徑帶長(zhǎng)度選取1.5 mm最佳。

4 結(jié)束語

通過建立銅扁線拉拔有限元模型，研究拉拔變形時(shí)線材截面變形不均勻現(xiàn)象，經(jīng)應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D分析可知：成形過程中變形主要發(fā)生在窄邊處及圓角處，其中圓角處變形程度大于窄邊處與寬邊處，圓角及窄邊處更容易產(chǎn)生裂紋。

對(duì)不同入模角α進(jìn)行有限元模擬發(fā)現(xiàn)：入模角過大或過小，都會(huì)造成拉拔變形不均勻。當(dāng)α為9°時(shí)，坯料變形不均勻程度最小，故確定9°為最佳入模角。

拉拔模定徑帶過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致拉拔力和摩擦力增大，引起模具零件開裂；定徑帶過小時(shí)，拉拔速度增大，金屬流動(dòng)不均勻，定徑帶易受損。經(jīng)模擬對(duì)比，發(fā)現(xiàn)定徑帶為1.5 mm時(shí)坯料的拉拔變形最均勻，成形質(zhì)量較好。