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        船用輔機(jī)電機(jī)罩殼快速?zèng)_壓成型仿真分析及優(yōu)化

        2022-07-02 09:21:12婁駿彬龔雅萍侯文洪
        關(guān)鍵詞:優(yōu)化

        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(yùn)學(xué)院,浙江舟山 316022;4.浙江煒馳機(jī)械集團(tuán)股份有限公司,浙江舟山 316100)

        艦船輔機(jī)所用的電動(dòng)機(jī)除滿足國家標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的陸用電機(jī)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(jí)等方面需要更高性能要求[1]。船用輔機(jī)電機(jī)罩殼決定了該電機(jī)中定子和轉(zhuǎn)子的相對位置,是組成電機(jī)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(jī)的動(dòng)力運(yùn)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(huì)發(fā)生劇烈變化的應(yīng)力集中區(qū)域[3]。特別是船用輔機(jī)電機(jī)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(yán)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(yàn)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(yàn)統(tǒng)計(jì)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(jī)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(jì)和工藝優(yōu)化中[4]。鄧明等[2]針對暖風(fēng)機(jī)電機(jī)機(jī)殼沖壓成形技術(shù)進(jìn)行研究,分析了成形工藝及模具設(shè)計(jì)要點(diǎn)。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(jìn)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(jì)算,以及模具設(shè)計(jì)等方面進(jìn)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(biāo)優(yōu)化方法對汽車零件的沖壓方向進(jìn)行了研究,并利用Autoform 有限元方法進(jìn)行了驗(yàn)證。PALMIERI,et al[9]利用有限元軟件AutoForm 對拉伸過程進(jìn)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(jìn)行了基礎(chǔ)研究,并將其用于指導(dǎo)生產(chǎn),但在船用輔機(jī)電機(jī)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(jī)電機(jī)罩的沖壓成型問題進(jìn)行分析,并優(yōu)化沖壓模具結(jié)構(gòu)以實(shí)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(jìn)行模擬分析驗(yàn)證優(yōu)化的有效性。

        2 輔機(jī)電機(jī)罩結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及成型分析

        2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        永磁無刷直流電機(jī)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(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置,該電機(jī)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(jī)蓋則通過口部內(nèi)徑與機(jī)蓋端面凸條外徑配合實(shí)現(xiàn)定位,以保證軸承室的相對位置精度。船用輔機(jī)電機(jī)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(shí)現(xiàn)后續(xù)產(chǎn)品焊接和組裝的準(zhǔn)確性要求,其結(jié)構(gòu)見圖1。

        圖1 船用輔機(jī)電機(jī)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(jī)電機(jī)定子是通過電機(jī)罩殼內(nèi)筒壁進(jìn)行徑向定位,需避免在筒形拉伸過程中發(fā)生嚴(yán)重變薄現(xiàn)象,影響定位精度;同時(shí),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(shí)現(xiàn)與軸承室的相對定位精度。

        船用輔機(jī)電機(jī)罩殼采用厚為4 mm 的板料進(jìn)行筒形深拉伸沖壓成型,受到許多因素的影響和限制。在實(shí)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(jī)罩沖壓成型缺陷Fig.2 Stamping defects of motor cover

        2.3 電機(jī)罩沖壓成型工藝

        船用輔機(jī)電機(jī)罩殼通常由多種工序綜合應(yīng)用于一個(gè)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(jī)電機(jī)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(jī)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(jì)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(jì)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(dòng)板料運(yùn)動(dòng)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(jì)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(jìn)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(jìn)料凹模和凸模R 角,調(diào)整產(chǎn)品板料進(jìn)料間隙值,反復(fù)模擬單位壓強(qiáng)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??谑褂脻u變進(jìn)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(jìn)入模腔時(shí)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(jìn)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(jì)算板料大小。適當(dāng)加大成型力防止局部堆料。

        (4)起皺:適當(dāng)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(jī)電機(jī)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(jī)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(dòng)拉延,對電機(jī)罩殼進(jìn)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(jī)罩殼在沖壓成型過程中材料流動(dòng)變形云圖,由圖可知在沖壓過程中成形的流動(dòng)性較好,沒有明顯的危險(xiǎn)區(qū)域。

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

        電機(jī)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(dá)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(diǎn)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(yán)重的堆料增厚,最大增厚率達(dá)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(jī)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(shí)在筒壁及壓邊處會(huì)發(fā)生局部堆料增厚,最大增厚達(dá)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(jī)電機(jī)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(shí)踐,優(yōu)化后的產(chǎn)品合格率在90%以上,進(jìn)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(jī)電機(jī)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(jī)罩殼沖壓成型過程進(jìn)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(shí)經(jīng)沖壓成型生產(chǎn)實(shí)踐,優(yōu)化后的產(chǎn)品合格率在90%以上,進(jìn)一步表明沖壓模具結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。

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