1 引言电机换向器整体冷锻成形新工艺革新了传统工艺上先加工出单个换向片然后再组装的方法, 提高了产品质量和生产率<1>.因此,一次整体冷锻成形是对现行工艺的重大创新,为企业开发 出一种新型产品奠定了技术基础,同时,也为精密冷锻新技术的发展起到了一种推动作用.按传统 设计的试验模在试验研究过程中,曾经出现固定凹模损坏、破裂的情况.经过对固定凹模的结构进 行分析,采用现代设计和工程分析方法,优化了其结构参数,从而减少试模次数,缩短模具研发周 期.为此,本文报告了在这种新工艺试验研究过程中,结合现代工程分析方法,优化模具结构参数 的一个过程及其效果.2 固定凹模的受力情况及关键参数由于电机换向器形状较为复杂,有数十 个直槽、横槽和筋条.故凹模的形状结构及受力情况也较为复杂:有数十个相应的直槽和横沟槽, 在工作过程中,承受着类似于厚壁筒的径向拉应力、轴向压应力.该固定凹模图1 固定凹模结构示意图的结构如图1所示.21 固定凹模的受力分析直接由管坯一次冷锻成形出带台阶槽型换向器.其变形是一种复合冷锻变形 ,变形过程包括扩径、正挤、压入(槽)、镦粗和冲裁等,即可以细分为上述五个变形阶段<2> .在变形的初期,即扩经、正挤阶段,冲头锥面对坯料产生的正压力F,径向分力为F1,轴向分 力为F2,必然传授给凹模.而凹模所受这几种变形力的主要作用点在圆角R2(如图2所示)处 ,虽然径向分力F1比较小,但由于凸缘处有截面突变,且有二十多个R=0.9mm的半圆形凹 槽,势必出现应力集中现象,容易在此产生小裂纹.所以,这是一个危险部位.在变形的中后期, 随着冲头的继续下行,变形进入到压入(槽)与镦粗阶段,坯料的变形程度加大,加工硬化的程度 也不断增加,固定凹模承受的外力有较大增幅.经分析,此时凹模中部的工作应力分布较均匀,不 容易损坏<3>;而在凹模的上端部(凸缘)处,承受到了更大的胀拉力Fr、压槽片所施加的轴 向压槽力Fp和轴向镦粗力P(参见图3).在此,凹模上端部凸缘受力情况复杂且力值很大,容易发生胀裂失效.22 关键参数的分析JournalofNanchangUniversity(Enginee ring&Technology)Jun.20031-冲头,2-固定凹模,3-外套,4- 挡料块图2 成形初期作用力分解示意图 固定凹模的形状是由产品形状和工艺要求按传统设计 方法设计的.由图1～3可知,其形状可视为由三个外径不同、内径相同的厚壁圆筒构成.其中下 端有外套紧箍,对凹模产生预应力(压应力);中端外径更大;上端外径最小,成为强度较薄弱部 分.因此,模具关键参数应存在于凹模上端部分.根据固定凹模上端部的实际形状,其端部高度值 h和圆角半径值R1对凹模强度有很大的影响,故这种凹模结构的关键参数应该是高度值h和圆角 半径R1.由力学常识可知,如果高度值h越大,圆角半径R1越小,则其要承受来自冷锻变形抗 拉应力越大,且应力集中也越大.所以,要减小过大胀拉应力1-组合冲头,2-固定凹模,3- 外套,4-挡料块图3 工艺试验及模具装配简图及应力集中对模具的不利影响,希望h值越小, R1越大.但考虑到产品形状和成形工艺的需要,其h值不可能很小,R1的值也不可能很大.因 而,寻找最佳的h值和R1值在固定凹模的结构设计中最为关键.3 固定凹模的有限元分析随着 计算机技术的迅速发展,有限元法已经成为结构分析和现象分析的重要手段,并且在各种金属成形 问题中得到了广泛的应用<4>.工程上广泛应用的图4 固定凹模上端应力值分布图CAD/C AE/CAM软件Unigraphics(简称UG)的Structures模块是一个完整 的有限元分析工具,它集成了StructuresP.E,NASTRAN和ANSYS三种求 解器.可以运用此模块来对固定凹模的应力、应变进行数值分析和变形模拟.根据用该副模具在冷 锻实验中测得总成形力波形曲线图,然后转换成力-行程图,均是呈非线形变化规律<3>,可认 为固定凹模在工作中也是受到这种规律的作用.为此,运用UG软件进行参数化建模,其中凹模模 型的关键参数为前述的h和R1.又根据按传统设计用h=5mm,R1=0.875mm的试验 模图5 固定凹模上端和中部的应力值分布图进行试验时,凹模发生了胀裂的实际,所以,取h= 3.2mm,R1=1.0mm作为初始值为分析计算.有限元单元的网格采用有限元网格部分工 具MSC/NASTRAM划分为十节点四面体单元(Tetra10),单元网格的轮廓尺寸为 15.固定凹模的材料为Cr12MoV,热处理采用1040℃淬火,200℃回火,抗拉强度 σb=2554MPa<5>,杨氏模量E为206GN/m2,泊松比μ=0.28.根据上一 节的分析,首先对凹模圆角R2处进行数值分析,得到在变形的初期阶段作用在凹模上端的应力值 分布图,如图4所示.由图可知,最大拉应力值分布在圆角R2处的半圆形凹槽内,其值为σma x=645.9MPa,小于抗拉强度σb.因此,在此成形阶段凹模强度是没有问题的.在变形 中后期,对固定凹模上端部和中部进行分析,得到作用在凹模上端部和中部的应力值.其处理结果 显示如图5.由图可知,最大拉应力分布在固定凹模的半圆形凹槽和圆角R1处,其值σmax为 2515MPa,超过了目前冷锻凹模强度所允许的最大数值.显然,容易在上端凸缘处发生胀裂 .4 关键参数的优化设计UG/Structures模块还集成了一个结构优化工具:Opt imization.它通过目标函数、约束条件和设计变量来控制其优化结果.在不违背特定约 束的条件下,通过改变参数值并反复迭代来寻求一种最佳的解决方案,从而达到理想的设计目的< 6>. 对固定凹模的结构参数进行优化设计,其设计变量取为高度值h和圆角半径R1,设计 变量有一个上限值和下限值,上限值为:hmax=3.2mm,R1max=1.8mm;取下 限值为:hmin=2mm,R1min=0.9mm;目标函数为最大工作应力σmax(h, R1);约束条件为:σmax(h,R1)-σb/1.2≤0.其中1.2为安全系数.该最 优化问题的数学模型可以列成:minσmax(h,R1)S.tσmax(h,R1)-σb /1.2≤02.0≤h≤3.20.9≤R1≤1.8虽然该数学模型中的函数关系式相当复杂 ,故在此未予详细列出,但其求解过程是清晰的,其求解过程之流程框图如图6所示(见UG18 DocumentationHelp).图6 最优化过程流程框图 依照该流程,系统首先 将初始值赋给求解器进行有限元分析计算,获得最大应力值σmax,然后,将σmax与σb/ 1.2进行比较:若σmax≤σb/1.2,则获得一组优化值,并列出其最大应力值;若σm ax≥σb/1.2,返回开始下次计算比较,如此循环便可获得多组优化组.现将其优化结果及 最大应力值列于附表.附表 优化处理结果的参数值 单位/min初值123456h= 3.22.002.182.142.172.002.27R1=1.01.091.231. 201.240.901.22σmax=2515/MPa1889193719131926 21052177分析附表中各组数据可知,在相同载荷和约束条件下获得各组数据中最大应力值 为σmax=2177MPa,最大应力值明显减小.如果将固定凹模参数h取在2.0～2.2 mm,R1取在1.0～1.24mm之间,则该凹模经受的胀拉应力均在2000MPa之内. 5 在生产模上的验证根据以上优化处理结果,结果目前冷锻模具钢的强度条件:σmax应在2 000～2500MPa之间,当然能在2000MPa之内更好<7>,故在该种带台阶槽型换 向器后来的试验模及生产模的设计制造中,均取固定凹模之凸缘高度h=2.1mm,圆角半径R 1=1mm.且经试验模及生产模试生产验证,凹模工作正常,尚未发生过破裂现象.这表明以上 参数优化值是可靠的,既减少了试验过程,也缩短了模具研发周期.6 结论1)有限元分析和最 优化方法能解释本文研究的电机换向器整体冷锻模的固定凹模在试验阶段出现的破裂现象,并寻找 出模具关键参数的优化值,如附表所列结果.2)本文拓展了一种求解最优值的实用方法,充分利 用UG软件的功能,将其运用在模具设计和结构分析中,能取得明显效果.3)本研究的结果表明,将传统的工程分析和设计方法与现代工程分析和最优化等设计方法结合起来,是现代模具设计和分析发展必由之路.电机换向器整体冷锻凹模的结构参数优化@闵水根$南昌大学机电工程学院!江西南昌330029
@卢险峰$南昌大学机电工程学院!江西南昌330029
@蔡琨$南昌大学机电工程学院!江西南昌330029电机换向器;;整体冷锻凹模;;最优化方 法;;有限元分析为解决电机换向器整体冷锻模中主要工作零件固定凹模在试验研究过程中出现的 破裂现象,本文运用UGⅡ软件的有限元分析(Structures)模块对其进行强度分析, 并对其结构的关键参数进行优化,求出了其最优值,为换向器整体冷锻生产模的设计制造提供了有效依据.<1> 卢险峰,肖伟华,张如华,等电机换向器整体冷锻构想与工艺研究
锻压技术,2002,(6):1～4.
<2> 肖伟华,卢险峰,张如华 电机换向器整体冷锻成形力的计算 塑性工程学报,2002,(4):87～91.
<3> 蔡琨,卢险峰,闵水根 电机换向器整体冷锻模冲头端部锥角优化设计 模具技术,2002,(6):41～43
<4> 张清萍,赵国群 金属成形有限元模拟四边形网络自动划分方法 锻压技术,2002,(3):47～49
<5> 模具实用技术丛书 模具材料与使用寿命 北京:机械工业出版社,2000
<6> UG知识熔
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