婁駿彬，龔雅萍，蘇 霖，侯文洪

(1.嘉興學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，浙江嘉興 314001；2.浙江海洋大學(xué)海洋工程裝備學(xué)院，浙江舟山 316022；3.浙江海洋大學(xué)船舶與海運學(xué)院，浙江舟山 316022；4.浙江煒馳機械集團股份有限公司，浙江舟山 316100)

艦船輔機所用的電動機除滿足國家標準所規(guī)定的陸用電機的要求外，還應(yīng)考慮艦艇工作的特殊應(yīng)用場景，諸如在減振抗噪、防爆防潮以及絕緣等級等方面需要更高性能要求[1]。船用輔機電機罩殼決定了該電機中定子和轉(zhuǎn)子的相對位置，是組成電機的關(guān)鍵零件。其沖壓成型加工制造工藝品質(zhì)的好壞將直接影響船用輔機的動力運行噪聲、輸出功率和發(fā)熱等性能[2]。

薄板沖壓成型是通過模具在金屬板料上施加壓力，板料在外力的作用下發(fā)生塑性變形，從而形成所需零件的形狀。在這一復(fù)雜的非線性大變形過程中，包含材料、幾何以及接觸三重非線性問題，會發(fā)生劇烈變化的應(yīng)力集中區(qū)域[3]。特別是船用輔機電機罩殼往往具有更多的成型特征，成型尺寸變化大，在沖壓成型加工過程中容易產(chǎn)生起皺、拉裂、回彈等成型缺陷，嚴重影響沖壓件的幾何精度、力學(xué)性能和表面質(zhì)量。

傳統(tǒng)的試驗法和經(jīng)典理論分析法對沖壓成型過程的研究多停留在定性和經(jīng)驗統(tǒng)計分析階段，難以確定各成型因素的影響，不能很好地預(yù)測和控制成型過程。隨著近年來沖壓成型機制的理解深入，國內(nèi)外學(xué)者逐漸將數(shù)值模擬方法應(yīng)用于沖壓成型的模具設(shè)計和工藝優(yōu)化中[4]。鄧明等[2]針對暖風機電機機殼沖壓成形技術(shù)進行研究，分析了成形工藝及模具設(shè)計要點。畢文權(quán)等[5]應(yīng)用三維彈塑性有限元模型和MSC.Marc軟件對橋殼的熱沖壓成型過程進行了數(shù)值模擬，考察了沖壓溫度、沖壓速度、摩擦條件對沖壓過程中溫度場、應(yīng)力場分布的影響規(guī)律。陸博福等[6]對反向曲線的變徑殼體沖壓成型工藝、毛坯展開下料計算，以及模具設(shè)計等方面進行研究。STADNICKI，et al[7]以車身零件沖壓成型為例，考察了沖壓成型有限元仿真模型的數(shù)值求解效率及求解方法，比較了Dynaform 和Autoform 程序?qū)α慵_壓成形仿真的效果。LIAO Min，et al[8]采用多目標優(yōu)化方法對汽車零件的沖壓方向進行了研究，并利用Autoform 有限元方法進行了驗證。PALMIERI，et al[9]利用有限元軟件AutoForm 對拉伸過程進行建模并分析拉伸過程的穩(wěn)定性和成形能力。

雖然國內(nèi)外已對殼體板料沖壓成型的仿真分析進行了基礎(chǔ)研究，并將其用于指導(dǎo)生產(chǎn)，但在船用輔機電機罩殼沖壓成型分析及沖壓工藝優(yōu)化制定方面的研究較少。本文針對船用輔機電機罩的沖壓成型問題進行分析，并優(yōu)化沖壓模具結(jié)構(gòu)以實現(xiàn)沖壓成型質(zhì)量的提升，并通過Autoform 數(shù)值模擬軟件對優(yōu)化后模具的沖壓過程進行模擬分析驗證優(yōu)化的有效性。

2 輔機電機罩結(jié)構(gòu)特點及成型分析

2.1 結(jié)構(gòu)特點

永磁無刷直流電機具有較好的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能及可靠性，廣泛應(yīng)用于船用輔機動力驅(qū)動裝置，該電機的定子和轉(zhuǎn)子分別通過罩殼的內(nèi)筒壁和殼體軸承室定位支撐，保證定子和轉(zhuǎn)子均勻間隙，而殼體與機蓋則通過口部內(nèi)徑與機蓋端面凸條外徑配合實現(xiàn)定位，以保證軸承室的相對位置精度。船用輔機電機罩殼的上述結(jié)構(gòu)特征則在很大程度上由其沖壓成型品質(zhì)保證，以實現(xiàn)后續(xù)產(chǎn)品焊接和組裝的準確性要求，其結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 船用輔機電機罩殼結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of marine auxiliary motor cover

2.2 成型問題分析

由于船用輔機電機定子是通過電機罩殼內(nèi)筒壁進行徑向定位，需避免在筒形拉伸過程中發(fā)生嚴重變薄現(xiàn)象，影響定位精度；同時，罩殼內(nèi)壁還需通過整形工序以保證一定的同軸度和尺寸公差，以實現(xiàn)與軸承室的相對定位精度。

船用輔機電機罩殼采用厚為4 mm 的板料進行筒形深拉伸沖壓成型，受到許多因素的影響和限制。在實際沖壓成型生產(chǎn)中容易引起材料的局部開裂、起皺、拉毛、回彈和破裂等缺陷，無法滿足總成匹配90%以上的合格率要求（圖2）。

圖2 電機罩沖壓成型缺陷Fig.2 Stamping defects of motor cover

2.3 電機罩沖壓成型工藝

船用輔機電機罩殼通常由多種工序綜合應(yīng)用于一個工件，包括沖裁、翻孔、剪切、拉伸、沖孔、整形等幾種主要的沖壓工藝，其主要成形工藝路線如圖3 所示。

圖3 船用輔機電機罩殼沖壓成形工藝Fig.3 Stamping forming process of marine auxiliary motor cover

3 沖壓成型工藝參數(shù)確定

3.1 毛坯尺寸

電機罩殼零件需考慮材料變薄因素，以滿足多次拉深成形的需要，其毛坯尺寸直徑的計算應(yīng)根據(jù)解析算法公式[2]：

式中：D 為毛坯直徑，mm；Si為罩殼筒體各部分的表面積總和，mm2；α 為平均變薄系數(shù)，對本文所采用的08AL 鋼材，取α=0.95。經(jīng)計算毛坯直徑D=440 mm。

3.2 壓邊力

壓邊力是通過壓邊圈作用于壓料面來帶動板料運動完成成型過程的作用力，是影響板料成型質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，其理論公式為[10]：

式中：F 為壓邊力，N；S 為壓邊面積，mm2；q 為單位壓邊力，N·mm-2，不同材料q 的取值不同，經(jīng)計算本文的理論壓邊力F 為50 kN。

4 成型模具優(yōu)化

為了解決成型過程中常常伴有開裂、拉毛、增厚和起皺等問題，關(guān)鍵是需要通過對成型模具進行優(yōu)化整改。成型模具優(yōu)化調(diào)整總體方案為：

(1)開裂：優(yōu)化沖壓成型產(chǎn)品的進料凹模和凸模R 角，調(diào)整產(chǎn)品板料進料間隙值，反復(fù)模擬單位壓強和潤滑系數(shù)，直至可有效解決產(chǎn)品開裂現(xiàn)象。

(2)拉毛：凹模口使用漸變進料R 角，上小下大。用小R 角成型防止走料過快導(dǎo)致產(chǎn)品起皺；而用大R角以減少與產(chǎn)品的摩擦及接觸面積，利用材料進入模腔時的速度變化和厚度變化的分析模擬值不斷優(yōu)化R 角，減少進料阻力，防止產(chǎn)品出現(xiàn)拉毛及拉傷等現(xiàn)象。

(3)增厚：分析過程中調(diào)整局部工藝面間隙，合理計算板料大小。適當加大成型力防止局部堆料。

(4)起皺：適當調(diào)整凹?？赗 角，板料的摩擦系數(shù)、板料大小、成型壓力等手段來防止起皺。

船用輔機電機罩殼沖壓成型各工序的具體整改方案見表1。

表1 各工序?qū)?yīng)的模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化Tab.1 Optimization of die structure corresponding to each process

5 沖壓成型仿真分析

5.1 參數(shù)設(shè)置

電機罩殼沖壓成型的仿真參數(shù)，包括材料參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及成型參數(shù)如表2 所示。

表2 沖壓成型仿真參數(shù)Tab.2 Simulation Parameters of Stamping Forming

將建好的三維模型以片體形式提取成*IGS 格式并導(dǎo)入Autoform 軟件中，設(shè)置模擬參數(shù)、材料參數(shù)。成型模擬類型選擇單動拉延，對電機罩殼進行沖裁、翻孔、剪切、拉伸、沖孔、整形等沖壓工藝仿真，沖壓成型仿真流程路線(圖4)。

圖4 沖壓成型仿真流程Fig.4 Simulation process of stamping forming

5.2 仿真結(jié)果分析

圖5 為電機罩殼在沖壓成型過程中材料流動變形云圖，由圖可知在沖壓過程中成形的流動性較好，沒有明顯的危險區(qū)域。

圖5 成型過程云圖Fig.5 Nephogram of molding process

電機罩殼沖壓成型過程的成形極限圖，在力學(xué)上是指沖壓板材在不同應(yīng)力條件或不同應(yīng)變路徑下發(fā)生頸縮或破裂之前可以達到的極限板面應(yīng)變量的集合，是分析沖壓成形工藝過程能否穩(wěn)定發(fā)展的判據(jù)判斷，也是評定金屬薄板成形性的最為簡便和直觀的方法[11-13](圖6)。圖中所有的點都在成形極限曲線下方，表示在沖壓成型過程中沒有破裂情況發(fā)生。

圖6 成形極限圖Fig.6 Forming limit diagram

成型模具優(yōu)化前與優(yōu)化后，產(chǎn)品沖壓成型的效果對比如圖7 所示。由圖7(a)可知，優(yōu)化前的產(chǎn)品頂部減薄率最大，而底部發(fā)生較為嚴重的堆料增厚，最大增厚率達108%，影響產(chǎn)品成型質(zhì)量。而優(yōu)化后沖壓成型的產(chǎn)品減薄率見圖7(c)，電機罩殼在頂部拉延后有一定減薄，平均減薄率在24.41%，最大減薄率為30.32%。同時在筒壁及壓邊處會發(fā)生局部堆料增厚，最大增厚達9.34%。由圖7(d)可知，在沖壓成型過程中未發(fā)生起皺現(xiàn)象，成形質(zhì)量總體良好。

圖7 沖壓成型云圖Fig.7 Nephogram of stamping forming

通過上述仿真結(jié)果顯示，船用輔機電機罩在成型模具優(yōu)化整改后，產(chǎn)品的沖壓質(zhì)量較好，未發(fā)現(xiàn)整改前所出現(xiàn)的拉伸開裂、產(chǎn)品拉毛以及堆料增厚、起皺等現(xiàn)象，經(jīng)沖壓成型生產(chǎn)實踐，優(yōu)化后的產(chǎn)品合格率在90%以上，進一步表明沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性，滿足產(chǎn)品總成匹配的生產(chǎn)要求。

6 結(jié)論

針對目前船用輔機電機罩殼沖壓成型質(zhì)量不高、效率低的問題，確定沖壓成型工藝參數(shù)并通過調(diào)整凹模及凸模R 角優(yōu)化成型模具。利用Autoform 數(shù)值模擬軟件對優(yōu)化沖壓工藝后的電機罩殼沖壓成型過程進行仿真分析。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化后的沖壓成型質(zhì)量較好，未發(fā)生明顯開裂情況，產(chǎn)品最大減薄率為30.32%，未發(fā)生起皺現(xiàn)象。同時經(jīng)沖壓成型生產(chǎn)實踐，優(yōu)化后的產(chǎn)品合格率在90%以上，進一步表明沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。