鄧汝榮，黃雪梅，蔡浩欽

(廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東 廣州 510550)

電機是一種使用最為廣泛的電力裝置。傳統(tǒng)的電機外殼是采用鑄鐵鑄造而成的，鑄造的環(huán)境惡劣、生產(chǎn)效率低、不能實現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)。鋁合金具有延展性能良好、密度小、美觀以及切削加工性能良好，用其做成的電機外殼，具有質(zhì)輕、比強度高、冷卻面積大、散熱性能好、導(dǎo)熱性高、體積小以及耐腐蝕等特點。采用鋁合金擠壓型材作為坯料加工電機殼，生產(chǎn)率極高，其坯料只需從型材上直接鋸切下料，長度可按要求任意確定，具有很大的靈活性。電機殼鋁型材具有活底角，內(nèi)徑可免切削或少切削，維修方便，生產(chǎn)過程比較環(huán)保，便于運輸，避免了鑄造電機殼致密度小、存在氣孔和砂眼等鑄造缺陷問題。因此，鋁型材電機殼得到了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的鋁型材電機殼是自然冷卻或風(fēng)冷式結(jié)構(gòu)。由于電動汽車的電機在工作時轉(zhuǎn)速高、啟動頻繁，使電機內(nèi)的溫度很高，傳統(tǒng)的自然冷卻或風(fēng)冷式外殼不能滿足其工作的要求。因此，開發(fā)先進適用的水冷式電機殼體成為一種必然。水冷式電機殼的結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的復(fù)雜很多，但生產(chǎn)水冷式電機殼擠壓型材的關(guān)鍵在于模具。經(jīng)調(diào)查了解，目前用于新能源電動汽車的水冷式電機在工作時，噪音大、故障頻率高、壽命短。究其原因是電機殼的擠壓型材質(zhì)量低劣，這與模具結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。模具問題會使電機殼擠壓型材的內(nèi)孔出現(xiàn)橢圓現(xiàn)象，內(nèi)孔偏心造成產(chǎn)品局部壁薄，在使用過程中容易發(fā)生穿孔漏水現(xiàn)象。因此，研發(fā)模具是解決水冷式電機殼一系列問題的關(guān)鍵，而模具的關(guān)鍵又在于設(shè)計。本文作者對一款傳統(tǒng)的水冷式電機殼型材的擠壓模結(jié)構(gòu)進行剖析，提出一種子母式鑲嵌結(jié)構(gòu)，可使模具加工大大簡化，制造精度大為提高，并可改善金屬流動的狀況，可有效解決因型材質(zhì)量低而造成鋁合金殼體電機在工作中噪聲大、使用壽命短的問題。

1 水冷式電機殼型材的結(jié)構(gòu)特征

圖1所示為一款典型水冷式鋁合金電機殼的斷面。目前該電機殼型材廣泛用于新能源電動汽車、礦山設(shè)備和大型通信設(shè)備中，具有良好的散熱功能。該型材的斷面面積為11 803.8 mm2，斷面的電機殼內(nèi)孔直徑為Φ198 mm，最大外徑為Φ242 mm，型材包含內(nèi)外共13個空腔，內(nèi)腔(中心)是最大空腔即內(nèi)孔，是安裝電機定子與轉(zhuǎn)子等部件的功能部位，此內(nèi)腔的尺寸精度特別是圓度和扭擰度要求高；外層則有12個較小的空腔，是起冷卻作用的過水槽孔，要求其內(nèi)、外兩側(cè)的壁厚均勻一致，否則容易在水壓作用下發(fā)生穿孔漏水現(xiàn)象；在斷面的外側(cè)有12處螺絲孔，其作用是便于電機的安裝固定。從型材的斷面可知，雖然型材具有對稱性，但形狀較復(fù)雜，主要體現(xiàn)在最大與最小空腔的面積差異過大。

經(jīng)調(diào)查走訪發(fā)現(xiàn)，目前生產(chǎn)此型材存在的問題主要有兩個：一是模具的成本較高，因為模具的加工難度較大，傳統(tǒng)設(shè)計使模具的模芯必須采用銅電極利用電火花進行加工，部分分流孔、進料孔也必須采用電火花方式加工，這樣電極材料消耗大，且經(jīng)電火花加工后的模具拋光研磨量大；二是模具在擠壓過程中產(chǎn)品的成形性差，各部位的金屬流速難以一致，這是因為模具結(jié)構(gòu)設(shè)計所導(dǎo)致的內(nèi)層分流橋難以加工成易于金屬流動的水滴形，從而影響了處于分流橋下部位的金屬供應(yīng)和金屬流速，型材內(nèi)孔容易出現(xiàn)橢圓以及型材壁厚不均勻的現(xiàn)象。此外，還存在模具壽命短，容易出現(xiàn)早期失效的現(xiàn)象，模具失效后部件的可重復(fù)利用率低，互換性能差，因而造成巨大的材料浪費，使其生產(chǎn)和使用成本高。

圖1 水冷式電機殼型材斷面示意圖Fig.1 Section of water-cooled motor housing

2 傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)

根據(jù)型材的結(jié)構(gòu)特點，同時考慮其變形程度以及模具的成本，傳統(tǒng)的模具在擠壓機能力和模具尺寸規(guī)格的選擇方面都是合理的。擠壓機能力為40 MN,選用的擠壓筒內(nèi)徑為Φ365 mm，模具尺寸規(guī)格為Φ520 mm×400 mm。經(jīng)計算，擠壓系數(shù)為8.9。采用的模具結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的二件式分流模，模具由上模與下模組成，如圖2所示。

這種結(jié)構(gòu)的不足之處在于，一是13個內(nèi)腔形成的13個模芯集中在1個上模中，導(dǎo)致外層12個模芯與中心的大模芯之間形成的間隙或壁厚必然有部分處于分流孔之間(即分流橋底下)，該部位的分流橋底部是無法像正常的分流橋那樣加工成水滴狀(有利于金屬的流動和焊合)，這樣的部位數(shù)量與內(nèi)層分流孔數(shù)量相同，這些部位的金屬供應(yīng)較困難，甚至容易出現(xiàn)金屬充不滿現(xiàn)象，導(dǎo)致金屬流速嚴重滯后，從而造成內(nèi)、外金屬流速差異嚴重而使產(chǎn)品出現(xiàn)橢圓現(xiàn)象；二是采用這種結(jié)構(gòu)的上模厚度達250 mm以上，分流孔的加工難度大，特別是處于內(nèi)層的分流孔，均是盲孔式的加工，加工誤差大，加工精度得不到根本的保證；三是13個模芯的最后加工成型要采用電極材料借助電火花機床進行加工來完成。由于空腔的面積及外形尺寸較大，所需的電極材料較多，同時電火花加工方式的制造周期長，且所加工出來的表面粗糙度大，造成模芯的拋光與研磨難度大。因模具結(jié)構(gòu)的問題造成的累積誤差自然大，使結(jié)構(gòu)上處于對稱的部位的實際精度偏差大，這是型材產(chǎn)生橢圓和偏心的根本原因。要解決模具的加工問題必須解決模具的結(jié)構(gòu)形式問題。同時，由于上模厚度較大影響淬透性，容易使心部的韌性不足，造成模具在擠壓中出現(xiàn)過早失效，縮短模具的使用壽命。

圖2 傳統(tǒng)的模具結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Traditional die structure

傳統(tǒng)模具結(jié)構(gòu)的主要技術(shù)參數(shù)如下：

1)分流比為3.95。

2)分流孔數(shù)量共18個：外層12個，內(nèi)層6個。分流孔最大外徑為Φ350 mm。

3)上模厚度為255 mm，下模為145 mm。

4)外層分流橋?qū)挾葹?4 mm,內(nèi)層分流橋?qū)挾葹?6 mm。

5)下模焊合室深度為32 mm，?？坠ぷ鲙чL度為7 mm。

3 改進后的模具結(jié)構(gòu)

針對傳統(tǒng)模具在擠壓過程中存在的問題，采用一種三件式和子母式模芯的分流模結(jié)構(gòu)。

3.1 模具的結(jié)構(gòu)形式

突破傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式，采用三件式的分流模結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)的上模厚度分解，在上模的前面設(shè)計一個前置分流板，即金屬經(jīng)過前置板分流變形后再進入上模，這樣模具由前置分流板、上模與下模組成。同時在上模中采用子母式鑲嵌結(jié)構(gòu)，如圖3所示。這樣的好處在于，上模的有效厚度減小了，可降低加工的難度和提高模具在熱處理過程中的淬透性，這無疑是對模具的強度有利。

3.2 前置分流板的設(shè)計

設(shè)計一個前置分流板，目的是使金屬經(jīng)過前置板進行一次預(yù)成形分流，分流比比較大，同時可以減少分流橋的數(shù)目，大大降低金屬擠壓過程中的最大擠壓力，這是基于分流比與擠壓力成反比的原理。前置分流板結(jié)構(gòu)如圖4所示。

前置分流板采用了內(nèi)、外兩層共7個分流孔布置，外層4個分流孔是主要提供型材外部及12個小模芯之間的金屬供應(yīng)；內(nèi)層的3個分流孔提供12個小模芯與1個大模芯之間形成的壁厚間隙的金屬流量供應(yīng)。經(jīng)計算，金屬經(jīng)過前置分流板的分流比為4.8,為擠壓比的54%。為了確保各個部位最終成型時的金屬流速趨于一致，內(nèi)、外分流孔的面積關(guān)系應(yīng)合適，考慮到擠壓筒在徑向上存在壓力梯度的影響，經(jīng)數(shù)值模擬并結(jié)合經(jīng)驗數(shù)值確定兩者的關(guān)系如下：

S1=(1.4～1.8)S2

(1)

式中：

S1—外層單個分流孔面積；

圖3 改進后的模具結(jié)構(gòu)Fig.3 Improved die structure

圖4 前置板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Structure of front splitter plate

S2—內(nèi)層單個分流孔面積。

這樣得到的結(jié)果比較理想。

3.3 應(yīng)力間隙的設(shè)計

在上模與前置分流板之間設(shè)置0.8 mm～1.2 mm的應(yīng)力間隙，間隙在前置分流板上。這樣的目的是，在擠壓過程中，前置分流板首先接觸金屬，只要前置分流板的強度足夠，模具的受力將主要由前置分流板承擔(dān)。應(yīng)力間隙減輕或避免了前置分流板將其所受的力傳遞到上模的端面，從而降低了上模中心分流橋的受力，因而可以降低上模在擠壓中的變形或彈性撓度，提高了模具的剛性和強度，這樣就可以減小或避免型材的壁厚變化。

3.4 上模的結(jié)構(gòu)設(shè)計

上模采用18個分流孔布置形式，分別為外層12個和內(nèi)層6個。即前置分流板外層的4個分流孔對應(yīng)上模外層的12個分流孔，當外層的4個分流孔的金屬進入到上模后將進行二次分流，前置分流板的每個分流孔的金屬將分流成三股金屬分別進入對應(yīng)上模的3個分流孔中；同理，前置分流板內(nèi)層的3個分流孔進行二次分流時則每個分流孔分成兩股金屬進入上模中，3個分流孔的金屬分成6股金屬進入上模內(nèi)層的6個分流孔中。金屬的二次分流是為了使金屬分配與流動更加均勻，可以使分流橋的寬度減小，這特別有利于金屬的焊合和各處金屬的流速趨于一致。經(jīng)驗表明，分流橋的寬度越小，分流橋下的金屬流速與相鄰部位的差異將越小，當分流橋?qū)挾刃∮?6 mm時，這種差異可忽略不計，這點對于中心圓孔的圓度保證是相當重要的。上模內(nèi)、外層的分流橋?qū)挾确謩e取16 mm和14 mm。

這樣的分流孔布置設(shè)計解決了金屬流量的供應(yīng)和分配問題，但并沒有解決模具加工簡化而提高模具精度的問題。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的上模模芯加工難度大。根據(jù)型材的特點，上模采用鑲嵌式結(jié)構(gòu)，這樣既解決了模具加工困難問題又增加了模具的互換性?？紤]到中心模芯的面積大，將上模內(nèi)層的6個分流孔與中心模芯從上模整體中分割出來形成一個子上模，這樣母體上模就留下12個小模芯，這將使加工大為簡化，模芯加工主要以車削方式就能完成，而且這12個小模芯均可設(shè)計成錐臺式，大大提高了模芯的剛性。母體上模結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 母體上模結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of the mother male die

同樣，子上模的加工也大為簡化，就像正常的上模一樣進行加工，模芯完全采用車削的方式，特別是分流橋可以加工成水滴形。同時，由于鑲嵌的需要，使得子上模的模芯在鑲嵌后對應(yīng)的焊合室深度增加，從而使中心部位可容納的金屬量增加，因而可以改善金屬流動的狀態(tài)，提高中心圓孔成型時的焊縫質(zhì)量，從而提高了電機殼的力學(xué)性能。子、母上模分開單獨加工完成后再鑲嵌在一起組成完整的上模。子上模結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 鑲嵌子上模結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of sub-male die

采用子、母上模鑲嵌結(jié)構(gòu)后，13個模芯的加工大大簡化，完全避免了電火花加工，節(jié)省了大量的電極材料。更重要的是，提高了模具的整體精度，大大減小了誤差的積累，使制造精度同樣具有“對稱性”，從而保證型材產(chǎn)品的最終精度。

3.5 下模的結(jié)構(gòu)

下模的結(jié)構(gòu)主要包括工作帶和焊合室。焊合室的輪廓依上模的母上模進入下模焊合室前的最大分流孔的輪廓而定，在分流橋?qū)?yīng)位置考慮支撐的橋墩，可減小分流橋的跨度從而提高模具的強度。采用等值工作帶并向螺絲孔處過渡的方法，工作帶長度為圓孔處取7 mm、螺孔開口處取3 mm。焊合室深度為32 mm。為了提高外表面的焊縫質(zhì)量，離模孔邊緣1 mm處設(shè)置阻流環(huán)，高度為4 mm。?？椎目盏恫捎枚畏旨壓湾F形出口的形式。下模結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 下模結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Structure of the female die

4 結(jié)束語

對改進設(shè)計的新結(jié)構(gòu)模具，進行實際制造、使用跟蹤，記錄的數(shù)據(jù)表明，新模具的制造周期大大縮短，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模具的制造周期減少15 d，制造的成本大大降低；新模具的使用壽命是傳統(tǒng)模具的4.3倍；更重要的是，模具在擠壓過程中的最大擠壓力比傳統(tǒng)的下降20%，各部位的金屬流速幾乎一致，擠壓過程平穩(wěn)順利；擠出的型材質(zhì)量大大提高，精度可達國標高精級，局部達到超高精級，避免了傳統(tǒng)模具擠壓型材出現(xiàn)的內(nèi)腔橢圓形和壁厚不均勻現(xiàn)象。