王錦波，金愛民，趙海波，王冬艷，吳 進(jìn)，王成勇

（1.安徽飛翔電器有限公司，安徽 宣城 242600；2.合肥工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

0 引言

電機(jī)的能效等級(jí)依賴于電機(jī)零部件的精密制造，其中電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的精密制造是其關(guān)鍵技術(shù)之一。電機(jī)鐵芯是由幾十片至數(shù)百片沖片經(jīng)疊鉚而成，沖片屬于精密沖裁制件，采用磁性能優(yōu)異的冷軋無取向硅鋼帶卷，經(jīng)開卷、展平、沖片等多道工序獲得。硅鋼沖片的制造精度影響疊鉚后鐵芯的精度和電磁性能。

電機(jī)硅鋼沖片制造經(jīng)歷了4個(gè)階段：①單工序模定、轉(zhuǎn)子獨(dú)立沖片階段；②復(fù)合模定、轉(zhuǎn)子套沖階段；③無模伺服分度旋轉(zhuǎn)沖槽階段；④級(jí)進(jìn)模連續(xù)自動(dòng)套沖階段。上述4個(gè)階段的技術(shù)應(yīng)用在實(shí)際生產(chǎn)中，滿足不同產(chǎn)品精度與成本控制要求。

多工位級(jí)進(jìn)模定、轉(zhuǎn)子沖片連續(xù)自動(dòng)套沖是指在1副模具中，硅鋼料帶沿直線按步距逐級(jí)送進(jìn)，在多個(gè)等距工位上，且在一次沖壓行程中，完成定、轉(zhuǎn)子沖片沖孔、切槽、落料、翻邊（片間鉚扣凸柱）等多道沖壓工序[1]。該生產(chǎn)工藝的工序集成度高、沖片精度高、生產(chǎn)效率高、模具使用壽命長(zhǎng)，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)[1-3]。

綜合參考文獻(xiàn)可知，多工位級(jí)進(jìn)模定、轉(zhuǎn)子沖片連續(xù)自動(dòng)套沖工藝目前已經(jīng)從單排連續(xù)沖壓向多排連續(xù)沖壓發(fā)展，在排樣上已經(jīng)從多排并列向多排錯(cuò)距緊縮排樣升級(jí)，如圖1所示[4-8]。

圖1 不同排樣方式

某定、轉(zhuǎn)子沖片在2種排樣方式下材料利用率對(duì)比如圖2所示。選取厚度0.5 mm的硅鋼片，硅鋼材料密度為 7.75×103kg/m3，經(jīng)測(cè)算，圖 2（a）中單片耗料：0.178×0.173×0.5×7.75=0.119 3 kg，其中φ175 mm成品耗料為0.093 1 kg，廢料為0.026 2 kg，每噸可沖成品約 8 382片；圖 2（b）中單片耗料：0.346×0.33×0.5×7.75=0.442 kg,0.442 kg/4=0.110 6 kg，其中φ175 mm成品耗料為0.093 1 kg，廢料為0.017 5 kg，每噸可沖成品約9 042片，2種排樣每噸硅鋼相差660沖片。經(jīng)調(diào)研，某中等規(guī)模電機(jī)鐵芯制造企業(yè)采用圖2（b）的排樣方案，每年可節(jié)約硅鋼材料成本近千萬元。

圖2 2種排樣材料利用率對(duì)比

鐵芯制造企業(yè)不斷優(yōu)化排樣，提出了“負(fù)搭邊”的沖片間距的排樣方案，在排樣優(yōu)化和提高材料利用率的同時(shí)出現(xiàn)了料帶剛度不足導(dǎo)致?lián)锨鷳一。S著電機(jī)鐵芯制造進(jìn)入無人值守的自動(dòng)化生產(chǎn)階段，自動(dòng)送料不暢導(dǎo)致生產(chǎn)線反復(fù)停機(jī)，需研究解決方案保證自動(dòng)化生產(chǎn)的連續(xù)性。

1 影響料帶平直的原因分析

1.1 沖裁力不均導(dǎo)致局部翹曲

目前常用的硅鋼冷軋板存在力學(xué)性能各向異性，沖切斷面分布不規(guī)則導(dǎo)致沖裁力在鋼板平面內(nèi)分布不均衡。另一方面，沖切刃、刀塊、定位銷等在回程時(shí)，其側(cè)邊與料帶斷面毛刺的摩擦不均勻也會(huì)使料帶局部受到與沖壓方向相反的作用力，使孔邊和沖切線邊緣出現(xiàn)局部微變形，如圖3所示。

圖3 料帶平整與撓曲時(shí)沖壓對(duì)比

雖然在每1沖次（1個(gè)沖壓行程）過程中，硅鋼板料都會(huì)被上、下模板壓平，但是無法徹底消除殘余應(yīng)力和局部變形，當(dāng)上、下模板分離后，料帶會(huì)出現(xiàn)局部翹曲變形，嚴(yán)重影響料帶的平面度，導(dǎo)致級(jí)進(jìn)模自動(dòng)連續(xù)生產(chǎn)過程中送料不暢。

1.2 料帶剛度不足導(dǎo)致整體撓曲懸弧

對(duì)于圖2（b）所示大直徑?jīng)_片錯(cuò)距緊湊型雙排方案，由于搭邊值?。尚≈?.5 mm），沖片間距可能為零，其級(jí)進(jìn)模料帶在最后幾個(gè)工位比較單薄，落料后料帶整體剛度不足。

由于板料在寬度方向上跨度較大，在自重作用下易發(fā)生撓曲而影響送進(jìn)過程中的料帶平面度，最終影響產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)加劇模具零件磨損。

生產(chǎn)實(shí)際中一般通過設(shè)計(jì)浮頂裝置和導(dǎo)料機(jī)構(gòu)緩解料帶送進(jìn)過程中的較大撓曲，但對(duì)于追求材料利用率的電機(jī)定、轉(zhuǎn)子沖片排樣，僅依賴經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行非定量的設(shè)計(jì)無法獲得精確的料帶平穩(wěn)步進(jìn)控制效果。以下將有限元技術(shù)引入級(jí)進(jìn)模料帶變形控制設(shè)計(jì)中，嘗試精確量化設(shè)計(jì)彈性浮動(dòng)式頂料裝置的合理布局，提高電機(jī)鐵芯的精密制造水平，降低試修模成本[4,5]。

2 排樣方式對(duì)料帶撓曲的影響

2.1 原料帶在導(dǎo)料銷支撐下的撓曲

為了保證級(jí)進(jìn)模各工序都能依次準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，需要在級(jí)進(jìn)模上設(shè)計(jì)定位裝置用于控制工序件位置準(zhǔn)確。其中圖4所示的導(dǎo)料銷是常見的定位裝置，導(dǎo)料銷是頭部帶溝槽的圓柱形結(jié)構(gòu)，主要功能是導(dǎo)料及沿寬度方向的定位，同時(shí)下槽面對(duì)板料有一定的支撐作用。

圖4 導(dǎo)料銷

排樣方式?jīng)Q定了料帶的寬度，也決定了材料的利用率和料帶鏤空狀態(tài)。為了考察在極限材料利用率下料帶的撓曲懸弧情況，先暫不考慮鏤空，對(duì)比3種排樣方式下原完整料帶的撓曲情況。

采用Abaqus建立有限元模型，考察在重力狀態(tài)下不同排樣方式的完整料帶僅在兩側(cè)導(dǎo)料銷支撐下的撓曲情況。以某定子沖片（φ175 mm）為例，考察單排、并列雙排、錯(cuò)位雙排3種排樣形式下的料帶，原坯料寬度分別為178、356、332 mm，截取200 mm長(zhǎng)的坯料，料厚為0.5 mm，硅鋼牌號(hào)選為50WW470，材料參數(shù)如表1所示，利用Abaqus模擬料帶重力狀態(tài)下自然撓曲，每塊料帶兩側(cè)沿長(zhǎng)度方向各設(shè)置3個(gè)導(dǎo)料銷，間距為80 mm。

表1 材料參數(shù)

圖5所示為不同排樣方式料帶的撓曲程度對(duì)比，從圖5可以看出，單排排樣原料帶最大撓曲量為0.222 6 mm，并列雙排排樣原料帶最大撓曲量為3.661 mm，錯(cuò)位雙排原料帶最大撓曲量為2.994 mm。可見料帶寬度對(duì)其撓曲影響較大，一方面在長(zhǎng)度一定的情況下料帶越寬則受到的總重力越大，另一方面料帶質(zhì)心距離兩側(cè)支點(diǎn)越遠(yuǎn)，料帶受到的彎矩越大，料帶自支撐能力較弱，導(dǎo)致出現(xiàn)較大的撓曲。

圖5 不同排樣方式完整料帶的撓曲情況

進(jìn)一步模擬得到了多組不同寬度料帶的最大撓曲度，并繪制樣條曲線，如圖6所示，隨著料帶寬度增加，最大撓曲度增加，曲線的斜率也在不斷增大。

圖6 料帶寬度與最大撓曲度的關(guān)系

2.2 鏤空料帶的撓曲對(duì)比

從料帶撓曲的角度出發(fā)，單排排樣時(shí)撓曲最小，但使用級(jí)進(jìn)模的目的是為了提高生產(chǎn)效率，單排排樣無法發(fā)揮級(jí)進(jìn)模的優(yōu)勢(shì)。在普通的并列雙排排樣方式下，料帶寬度方向跨度較大，導(dǎo)致料帶撓曲程度大。錯(cuò)位雙排排樣利用圓與圓外切的方法實(shí)現(xiàn)工序件沿送進(jìn)方向“零間距”，如圖2（b）所示；在寬度方向上，采用“負(fù)間距”，即料帶寬度小于2個(gè)沖片直徑之和，如圖1（c）所示。對(duì)于大直徑鐵芯，錯(cuò)位雙排排樣的原料帶寬度比普通雙排排樣小，但是鏤空料帶的自支撐剛度會(huì)較弱，料帶撓曲需要嚴(yán)格控制。

隨著料帶送進(jìn)，材料被不斷沖裁，料帶質(zhì)量在不斷減輕的同時(shí)連接部分也在不斷減少，但剩余材料連接部位越來越薄弱，會(huì)形成孤立無支撐狀態(tài)，此時(shí)料帶撓曲會(huì)有增大的趨勢(shì)。

生產(chǎn)定、轉(zhuǎn)子沖片的級(jí)進(jìn)模有多個(gè)工位，一般為先沖出中心的轉(zhuǎn)子沖片，再?zèng)_出外圍的定子沖片。為方便對(duì)比分析，可分2個(gè)階段分別分析料帶撓曲懸弧。

在有限元模型的基礎(chǔ)上，選擇寬度為255 mm的料帶進(jìn)一步考察鏤空料帶的撓曲懸弧狀態(tài)。如圖7所示，原料帶最大撓曲度為1.091 mm，當(dāng)轉(zhuǎn)子沖片被完全沖出后，料帶最大撓曲為1.168 mm，當(dāng)定子沖片被完全沖出后，料帶最大撓曲為10.42 mm。隨著料帶不斷沖裁，料帶的自支撐能力減弱，導(dǎo)致?lián)锨粩嘧兇?，同時(shí)當(dāng)外圈定子沖片被沖出后，料帶寬度方向中線部分剩余材料連接處異常薄弱，僅靠?jī)蓚?cè)導(dǎo)料銷的支撐，難以形成剛性自支撐，因此產(chǎn)生較大的撓曲。從模擬結(jié)果可以看出，不論哪個(gè)階段，僅在導(dǎo)料銷支撐下，撓曲程度都太大，會(huì)影響料帶順暢送進(jìn)以及產(chǎn)品精度，因此需要研究彈性浮動(dòng)頂料銷的合理布局，以最大限度減小撓曲。

圖7 不同工序料帶撓曲程度

3 料帶撓曲控制與浮頂布局優(yōu)化

根據(jù)參考文獻(xiàn)及生產(chǎn)實(shí)際可知，加密設(shè)置更多的側(cè)邊導(dǎo)料銷對(duì)減小料帶中線撓曲效果有限，且增加生產(chǎn)成本[9]，為了進(jìn)一步減小撓曲，在料帶平面內(nèi)合適的位置設(shè)計(jì)多個(gè)彈性浮動(dòng)頂料銷，形成多點(diǎn)支撐。浮動(dòng)頂料銷在給料帶提供足夠支撐的同時(shí)不能與模具現(xiàn)有結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。由于不同工序模具結(jié)構(gòu)不同，材料去除率不同，浮動(dòng)頂料銷的位置需要靈活設(shè)置。最后一步工序料帶已非常單薄，支撐強(qiáng)度不足，撓曲程度大且嚴(yán)重影響廢料送出，因此需要綜合分析全工序料帶的撓曲情況，以確認(rèn)浮動(dòng)頂料銷的布局及位置。

在轉(zhuǎn)子成形工序部分，由圖8（a）可知，料帶經(jīng)過4個(gè)工序后，中間部位撓曲程度較大，不滿足級(jí)進(jìn)模的精度要求。定子部分的撓曲與轉(zhuǎn)子部分相似，主要集中在中線部位，由于定子成形工序結(jié)束后要將廢料送出，要結(jié)合圖7（c）具體分析浮動(dòng)頂料銷的位置。

圖8 定子與轉(zhuǎn)子復(fù)合沖裁全工序料帶撓曲

結(jié)合模擬結(jié)果分析和現(xiàn)場(chǎng)試模情況，浮動(dòng)頂料銷位置首選撓曲程度最大的中線附近，如果浮動(dòng)頂料銷與其他機(jī)構(gòu)發(fā)生干涉或該處料帶過于薄弱，可選擇在中線兩側(cè)設(shè)置2個(gè)浮動(dòng)頂料銷支撐。2個(gè)浮動(dòng)頂料銷距離與支撐效果有關(guān)。在寬度255 mm的料帶上分別等距設(shè)置2、3、4個(gè)支撐點(diǎn)。當(dāng)設(shè)置2個(gè)浮動(dòng)頂料銷時(shí)，與圖7（a）效果一樣，撓曲較為嚴(yán)重；如圖9（a）所示，當(dāng)設(shè)置3個(gè)支撐點(diǎn)時(shí)，撓曲度只有0.002 mm，此時(shí)浮動(dòng)頂料銷支撐點(diǎn)間距約為122.5 mm；如圖9（b）所示，當(dāng)設(shè)置4個(gè)支撐點(diǎn)時(shí)，浮頂支撐點(diǎn)間距約為81 mm，撓曲度可忽略不計(jì)。結(jié)合圖10所示的料帶撓曲度與浮頂數(shù)量的關(guān)系可知，在設(shè)置3個(gè)浮動(dòng)頂料銷后，撓曲度減小趨勢(shì)已減緩且不斷趨于零，所以無需設(shè)置更密集的浮動(dòng)頂料銷，減少生產(chǎn)成本。后續(xù)設(shè)置浮動(dòng)頂料銷時(shí)，浮動(dòng)頂料銷間距可控制在80～120 mm。

圖9 寬度方向設(shè)置不同數(shù)量浮動(dòng)頂料銷時(shí)料帶撓曲程度

圖10 料帶撓曲度與浮頂設(shè)置數(shù)量的關(guān)系

對(duì)全工序料帶設(shè)置浮動(dòng)頂料銷，如圖11所示，畫“×”標(biāo)記處為浮動(dòng)頂料銷設(shè)置的位置。從模擬結(jié)果可以看出，料帶撓曲程度減小，部分位置由于模具結(jié)構(gòu)的影響不適合設(shè)置浮動(dòng)頂料銷，有一定的撓曲產(chǎn)生但撓曲度都較小。再對(duì)最后的廢料設(shè)置合適的浮動(dòng)頂料銷后，嚴(yán)重的撓曲已被消除，料帶平穩(wěn)送進(jìn)。

圖11 設(shè)置浮頂優(yōu)化后的料帶撓曲度

4 結(jié)束語

基于Abaqus有限元研究了級(jí)進(jìn)模料帶的撓曲問題并提出解決方案。

（1）料帶排樣方式對(duì)于料帶撓曲有影響，主要體現(xiàn)在排樣方式對(duì)料帶寬度的決定作用，料帶越寬撓曲越嚴(yán)重，采用多排錯(cuò)距緊縮排樣可在保證生產(chǎn)效率的同時(shí)減小撓曲。

（2）料帶在不同工序成形時(shí)的撓曲程度不一樣，由于材料隨著工序的增加而減少，料帶的自支撐能力隨之減弱。當(dāng)大部分材料被沖裁，料帶中部形成孤島導(dǎo)致?lián)锨龃?，影響廢料送出。

（3）采用浮動(dòng)頂料銷支撐料帶可解決撓曲問題，經(jīng)模擬后確定浮動(dòng)頂料銷設(shè)置間距控制在80～120 mm，可為料帶提供足夠的支撐，最終實(shí)現(xiàn)級(jí)進(jìn)模無人值守自動(dòng)化生產(chǎn)。