陳麗軍

(武夷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建 武夷山 354300)

換向器是電機(jī)的核心部件之一，主要應(yīng)用于電動設(shè)備、家用電器、汽車、摩托車等領(lǐng)域。它的加工精度要求非常嚴(yán)格，造成其生產(chǎn)工藝具有一定的難度。換向器的主體結(jié)構(gòu)一般呈空心圓柱狀，由若干個沿周向均勻排列的換向片組成。［1］目前大多數(shù)電機(jī)換向器生產(chǎn)廠家采用的是沖制單個換向片，然后再將多個單片組裝成換向器的工藝。這種制造工藝不但工序復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，而且材料利用率也十分低，制造出來的換向器組裝不方便，其質(zhì)量穩(wěn)定性較差，很難滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。

換向器品種規(guī)格繁多，換向片形狀的復(fù)雜程度也有很大差別。但換向片排列的形式都是周向均勻分布或軸對稱分布，這就為整體成形提供了可能。近年來，已經(jīng)有一些整體成形的成功實(shí)例。［2－5］

傳統(tǒng)的模具設(shè)計方法在很大程度上依賴于設(shè)計者的經(jīng)驗和技巧。模具設(shè)計費(fèi)時、加工周期長。近年來，隨著計算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展和對材料成形過程物理規(guī)律研究的深入，材料成形過程計算機(jī)模擬技術(shù)取得了很大的進(jìn)展。在模具的設(shè)計與制造中，引進(jìn)CAD/CAM技術(shù)，可以減少模具設(shè)計中繁重的勞動，使復(fù)雜的計算能夠自動化及優(yōu)化，縮短模具設(shè)計周期。［6］

1 換向器結(jié)構(gòu)及正擠壓工藝方案

1.1 換向器結(jié)構(gòu)和擠壓件圖

圖1 換向器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

圖2 擠壓件圖

換向器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用整體成形方法制造圖1所示換向器，需要將換向器彎鉤展直成片爪得到擠壓件形狀如圖2所示。

1.2 正擠壓工藝方案

在DEFORM數(shù)值模擬中，模具被看作是不變形的剛性體。所以，為簡便起見，在擠壓模的設(shè)計時將模具工作零件 (凸模和凹模)都設(shè)計成整體式。模擬用的正擠壓模具簡圖如圖3所示。

圖3 模擬用正擠壓模具簡圖

2 換向器正擠壓數(shù)值模擬

2.1 正擠壓毛坯的選定

換向器的材料一般為紫銅，根據(jù)擠壓件 (圖2)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，毛坯采用一環(huán)形結(jié)構(gòu)，如圖4所示。毛坯的體積按照體積不變的原則計算，為擠壓件的體積加上一定的余量構(gòu)成。環(huán)形毛坯可采用板料沖裁下料，也可采用管材剪切下料，其參數(shù)如表1所示。

圖4 擠壓毛坯

表1 擠壓毛坯參數(shù)

2.2 兩類毛坯擠壓時金屬流動分析

模擬中，材料采用的是紫銅，在常溫下擠壓。摩擦模型采用的是塑性剪切摩擦，坯料的網(wǎng)格數(shù)為50000。擠壓速度為1mm/s，擠壓步距為0.01mm。兩類毛坯擠壓時金屬流動分布如圖5和圖6所示。圖中，Step×××表示第×××求解步。

圖5 板材毛坯金屬流動分布

圖6 管材毛坯金屬流動分布

由以上擠壓成形過程中金屬流動分布圖可知:

(1)由圖5可知，采用板材毛坯進(jìn)行正擠壓成形，由于毛坯的內(nèi)徑和擠壓件的孔徑尺寸相當(dāng)，故擠壓過程中沒有明顯的鐓粗過程，材料一開始就朝著八個長形凹槽流動。

(2)由圖6可知，采用管材毛坯進(jìn)行正擠壓成形，由于毛坯的內(nèi)徑比擠壓件的孔徑大，故在成形初始階段有鐓粗過程，見圖6(a)、(b)、(c)。隨著凸模的下行，大部分材料朝軸心流動，同時有一部分材料流向八個長形凹槽，形成八個凸臺。待凸臺和內(nèi)層材料完全充滿后，材料才開始流向八個爪形凹槽，最終形成片爪。這符合金屬塑性成形中的阻力最小定律。

(3)成形的后期階段兩種類型的毛坯的金屬流動情況基本是相同的，都是在充滿型腔和形成凸臺之后，金屬才開始流向爪形凹槽。在該成形階段，材料纖維不斷被剪切，成形出八個片爪，此時的成形力非常大。

(4)從金屬材料的流動速度來看，成形前期和中期材料的流動速度比較小，在成形后期，即在成形八個片爪的過程中，材料流動速度相對較快。

2.3 換向器正擠壓應(yīng)力分布

從圖7中可以看出，不管是采用哪種毛坯進(jìn)行擠壓成形，所得到的換向器擠壓件的應(yīng)力分布是相似的，都是在8個片爪處的應(yīng)力最大。

圖7 換向器正擠壓應(yīng)力分布

3 結(jié)束語

應(yīng)用DEFORM軟件，對換向器擠壓件采用正擠壓成形的方法進(jìn)行數(shù)值模擬。分析了采用板材毛坯和管材毛坯在擠壓的過程中金屬的流動規(guī)律及應(yīng)力分布。兩種類型的毛坯均可以順利擠壓成形，模擬結(jié)果能夠用來指導(dǎo)工藝實(shí)踐，從而縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

［1］張如華，盧險峰，陳麗軍，等.平面鉤型換向器整體反擠壓工藝實(shí)驗研究［J］.江西理工大學(xué)學(xué)報，2007，28(1):11－13

［2］盧險峰，肖偉華，張如華，等.電機(jī)換向器整體冷鍛構(gòu)想與工藝研究［J］.鍛壓技術(shù)，2003，28(3):1－4

［3］肖偉華.電機(jī)換向器整體冷鍛新工藝試驗研究［D］.南昌大學(xué)，2002

［4］盧險峰，張如華.換向器整體冷鍛研發(fā)廣義最優(yōu)化［J］.鍛造與沖壓，2004，(6):14 －16

［5］閔水根.鉤型換向器冷擠壓成形模擬與工藝研究［D］.南昌大學(xué)，2004

［6］黃克堅.鋁型材寬展擠壓模具優(yōu)化設(shè)計技術(shù)的研究［D］.南昌大學(xué)，2003