引言现代汽车用电设备较多 ,用电量也大 ,而蓄电池容量有限 ,需要经常充电 ,因而当前使用较多的汽车直流发电机将逐渐被交流发电机所代替。汽车发电机转子磁极的社会需求量越来越大 ,研究发电机转子磁极的加工工艺 ,提高磁极的生产率和磁极品质 ,节材节能 ,降低生产成本 ,具有显著的经济意义。1 转子磁极生产工艺分析交流发电机转子磁极是建立感生电流磁场的主要元件 <1> ,它的形状和电磁性能直接影响感生交流电动势的波形和交流发电机的发电能力。为了适应用电设备的要求 ,使感生的交流电动势近似于正弦波形 ,交流发电机转子的磁极设计成带多个鸟嘴形尖爪的形状 ,并选用电磁性能好的材料制造。电磁纯铁的切削性能差 ,不易用切削加工进行生产。用铸造工艺生产交流发电机转子磁极 ,铸件的疏松、缩孔、偏析等缺陷降低了磁极的电磁性能 ,所以逐步改为塑性成形生产。目前 ,国际上用电磁纯铁制造磁极的塑性加工生产工艺有如下 4种 <2～ 4>。第 1种是板料冲压冷精整工艺 ,包括落料、校正、冲孔、弯曲、切口及精整 6个锻造工步 ,一次退火软化和一次磷化皂化处理两个辅助工步 ,共计 8个工序。工序不算太多 ,但它仅能加工无极磁铁芯 (中心凸台 )的磁极 ,材料利用率较低 ,而且轧制板料的各向异性也无法消除 ,降低了磁极的电磁性能 ,因而不是制造交流发电机转子磁极的较佳工艺。第 2种是冷挤压工艺 ,它包括下料、正挤压、校正、镦粗、冲孔、弯曲、一次冷精压、二次冷精压、精整9个锻造工步和 3次退火、3次磷化皂化 6个辅助工步 ,共计 1 5个工序 ,工序多 ,制造成本高。第 3种是温、冷锻联合工艺 ,含下料、镦粗 1、径向挤压、镦粗 2、热切边、深杯型挤压、弯曲、冲孔、精整 9个锻造工步 ,一次锻造加热 ( 780℃ )、一次退火软化和一次磷化皂化处理 3个辅助工步 ,共计 1 2个工序 ,生产成本比冷挤压工艺有所降低 ,但还是较高。上述 3种工艺锻造工步多的主要原因是把弯曲作为一个独立工步。这不仅增加一个弯曲工步 ,而且由于工件弯曲、回弹和畸变 ,加大了精整变形量 ,导致增加精整工步 ,因此总的工序较多。第 4种是热锻冷精整工艺 ,即热、冷锻联合工艺。它有下料、镦粗、预成形、成形、切边、冲孔 6个锻造工步 ,一次加热 ( 1 1 0 0℃ )、一次磷化皂化处理2个辅助工步 ,共计 8个工序。工序较少 ,与板料冲压冷精整工艺的工序数相同 ,生产成本较低 ,是上述4种工艺中的较佳工艺。上述 4种精密锻造工艺的共同点是无切削加工生产 ,即净形锻造。因为电磁纯铁的价格昂贵 ,又不易进行机械加工 ,因而生产成本高 ,国内厂家改用低碳钢 (含碳量小于 0 .1 % )制造交流发电机转子磁极。但由于原材料含碳量较电磁纯铁高 (电磁纯铁含碳量小于0 .0 2 % ) ,所制造的磁极电磁性能差 ,使汽车发电机发电能力受到影响。为了保证磁极的电磁性能 ,必须用电磁纯铁制造磁极。电磁纯铁不需要预留脱碳引起的加工余量 ,以热锻完成大的变形量 ,以冷精整达到尺寸形状和表面粗糙度的要求 ,用热、冷锻联合工艺实现无切削加工的净形锻造将是最佳工艺方案。2 磁极净形锻造工艺的优化2 .1 磁极净形锻造新工艺新设计的磁极净形锻造工艺为 :制坯→加热→镦粗→分流反挤压成形→热切边冲孔→料箱内堆冷(锻件余热退火软化 )→磷化皂化处理→冷锻精整。此工艺是上述热锻冷精整工艺的改进。它的特点是采用了分流反挤压成形 ,设计了新形模具 ,使之减少一个锻造工步 ;采用料箱内堆冷 ,利用锻件余热退火软化 ,因而又减少一次退火加热。因此 ,可少用一台锻压机和一台退火加热炉 ,同样实现了无切削加工的净形锻造 ,从而减少了设备投资和占用厂房面积 ,减少了操作人员 ,降低了能耗和生产成本。2 .2 热锻冷精整工艺的加热温度规范电磁纯铁含碳量低 ,在 90 0℃左右从奥氏体γ Fe向铁素体 α Fe转变时有体积突变 ,其晶间联系弱 ,是红脆区<5> 。 40 0℃左右时又处于蓝脆区。因此 ,新工艺热锻温度区域为 1 2 5 0～ 95 0℃。冷锻的温度为 30 0℃以下 ,在室温下精整 ,因为室温下电磁纯铁的塑性好 ,且远离蓝脆温度。2 .3 分流反挤压成形模具与金属流动特点热锻冷精整工艺有预锻镦粗 ,镦粗的作用是去除加热过程中形成的氧化皮和获得在成形模具中对中放置所需要的外形尺寸。镦粗后的毛坯放入凹模一次分流式反挤压成形。成形模具的上模为异形冲头 (图 1 a) ,下模为内部有 6个凸台的凹模 (图 1 b)。锻造时 ,压力机滑块带动冲头下行 ,冲头进入凹模形成磁极型腔。随着冲头继续下行 ,冲头开始挤压坯图 1 成形模具简图( a)冲头 ( b)凹模 图 2 磁极锻件结构图件 ,在挤压的过程中金属产生径向流动 ,并且被凹模内的 6个凸台劈为 6份 ,继而受阻于凹模内壁 ,由径向流动转变为与冲头运动方向相反的轴向流动 ,称之为分流式反挤压变形。分流式反挤压成形的磁极锻件如图 2所示。2 .4 新工艺的锻压生产线设备新工艺的下料采用高速带锯 ;加热方式不限 ,若采用火焰加热 ,可选用造价低廉的燃煤锻造加热炉 ;镦粗设备为 80 0 k N开式曲柄压力机 ;分流反挤压成形设备为 630 0 k N摩擦螺旋压力机 ;1 60 0 k N闭式单点曲柄压力机热切边冲孔 ;料箱内堆冷 (锻件余热退火软化 ) ;2 0 0 0 0 k N精压机冷锻精整。3 净形锻造工艺生产技术经济分析分流反挤压的热锻冷精整工艺减少了锻造工步 ,实现了净形锻造 ,占用厂房面积少 ,投资减少 ,也降低了生产成本。 5种净形锻造工艺生产技术经济分析对比如表 1所示。表中数据是将板料冲压冷精表 1 不同净形锻造工艺生产技术经济分析 项目板料冲压冷精整工艺冷挤压工艺温、冷锻联合工艺热、冷锻联合工艺分流反挤压工艺下料方式冲压落料锯切锯切锯切锯切加热次数 0 0 111退火加热次数 13 110成形锻造台次 467 43冷精整台次 12 111相对能耗 12 .12 5 1.3 75 1.12 5 0 .875相对工时 12 1.2 5 10 .75相对模具费 11.61.610 .8相对锻造加工费 11.90 81.40 81.0 42 0 .80 8整工艺生产一个交流发电机磁极所消耗的能耗、工时、模具费及锻造加工费定为 1 ,其他工艺值是与其比值。这些数据表明 ,使用分流反挤压模具的热锻冷精整工艺 ,生产成本最低。4 结论( 1 )热锻联合冷精整可以生产出高质量、电磁性能好的交流发电机磁极。( 2 )分流式反挤压一次成形交流发电机磁极 ,具有减少锻造工步、缩短热锻时间、降低能耗和生产成本的重要意义。( 3)锻件余热退火软化能减少一次加热工序并降低能耗。交流发电机转子磁极锻造工艺研究@张韶华$武汉理工大学材料科学与工程学院!实验师,430070武汉市
@张猛$重庆工学院机械工程及自动化系!教授,400050重庆市机械制造工艺与设备;;交流 发电机;;磁极;;锻造;;工艺设计介绍了国内外制造交流发电机转子磁极的锻造工艺,对热锻 冷精整工艺进行改进,开发出热锻分流反挤压成形、锻件余热退火软化、冷锻精整的新工艺,并制 定了加热规范,设计了分流反挤压模具和配置了锻造生产线设备。生产技术经济分析表明,新工艺 高效、节能、节材、生产成本低,经济效益显著1 陈渝光.汽车电器与电子设备.北京:机械工业出版社,1999.
2 L inXinbo,FengJianhua,ZhangL iyu,et al.The research of autom otive alternator poles'key form ing operation inwarm forging.TheSeventhAsiaSymposium onPrecisionForm ing,Guilin,China,2000.139～142
3 Ekkehara kornerDr,RichardKnodler.Possibilities of warm extrusion in combination with cold extrusion.Journal ofMaterialsProcessingTechnology,1992,35:451～456
4 XieTan,JiaDewei,JiangPeng,et al.The application and developm ent of precision plastic forming technology inChina.TheSeventhAsiaSymposium onPrecisionForging,Guilin,China,2000.1～5
5 蔡利,胡亚民,车路长.电磁纯铁的锻造及冷成形性能研究.汽车工艺与材料,1998(9):25～28 60 0 k N闭式单点曲柄压力机热切边冲孔 ;料箱内堆冷 (锻件余热退火软化 ) ;2 0 0 0 0 k N精压机冷锻精整。3 净形锻造工艺生产技术经济分析分流反挤压的热锻冷精整工艺减少了锻造工步 ,实现了净形锻造 ,占用厂房面积少 ,投资减少 ,也降低了生产成本。 5种净形锻造工艺生产技术经济分析对比如表 1所示。表中数据是将板料冲压冷精表 1 不同净形锻造工艺生产技术经济分析 项目板料冲压冷精整工艺冷挤压工艺温、冷锻联合工艺热、冷锻联合工艺分流反挤压工艺下料方式冲压落料锯切锯切锯切锯切加热次数 0 0 111退火加热次数 13 110成形锻造台次 467 43冷精整台次 12 111相对能耗
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