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級進(jìn)模連續(xù)自動套沖階段。上述4個階段的技術(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。

多工位級進(jìn)模定、轉(zhuǎn)子沖片連續(xù)自動套沖是指在1副模具中，硅鋼料帶沿直線按步距逐級送進(jìn)，在多個等距工位上，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，易實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)[1-3]。

綜合參考文獻(xiàn)可知，多工位級進(jìn)模定、轉(zhuǎn)子沖片連續(xù)自動套沖工藝目前已經(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距緊縮排樣升級，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)入無人值守的自動化生產(chǎn)階段，自動送料不暢導(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，其側(cè)邊與料帶斷面毛刺的摩擦不均勻也會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 料帶平整與撓曲時沖壓對比

雖然在每1沖次（1個沖壓行程）過程中，硅鋼板料都會被上、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，料帶會出現(xiàn)局部翹曲變形，嚴(yán)重影響料帶的平面度，導(dǎo)致級進(jìn)模自動連續(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

對于圖2（b）所示大直徑?jīng)_片錯距緊湊型雙排方案，由于搭邊值?。尚≈?.5 mm），沖片間距可能為零，其級進(jìn)模料帶在最后幾個工位比較單薄，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

為了保證級進(jìn)模各工序都能依次準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)，需要在級進(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，同時下槽面對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長的坯料，料厚為0.5 mm，硅鋼牌號選為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)沿長度方向各設(shè)置3個導(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，錯位雙排原料帶最大撓曲量為2.994 mm。可見料帶寬度對其撓曲影響較大，一方面在長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 鏤空料帶的撓曲對比

從料帶撓曲的角度出發(fā)，單排排樣時撓曲最小，但使用級進(jìn)模的目的是為了提高生產(chǎn)效率，單排排樣無法發(fā)揮級進(jìn)模的優(yōu)勢。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個沖片直徑之和，如圖1（c）所示。對于大直徑鐵芯，錯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，會形成孤立無支撐狀態(tài)，此時料帶撓曲會有增大的趨勢。

生產(chǎn)定、轉(zhuǎn)子沖片的級進(jìn)模有多個工位，一般為先沖出中心的轉(zhuǎn)子沖片，再沖出外圍的定子沖片。為方便對比分析，可分2個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，僅靠兩側(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，不論哪個階段，僅在導(dǎo)料銷支撐下，撓曲程度都太大，會影響料帶順暢送進(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)多個彈性浮動頂料銷，形成多點(diǎn)支撐。浮動頂料銷在給料帶提供足夠支撐的同時不能與模具現(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個工序后，中間部位撓曲程度較大，不滿足級進(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)場試模情況，浮動頂料銷位置首選撓曲程度最大的中線附近，如果浮動頂料銷與其他機(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個浮動頂料銷支撐。2個浮動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個支撐點(diǎn)。當(dāng)設(shè)置2個浮動頂料銷時，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個支撐點(diǎn)時，撓曲度只有0.002 mm，此時浮動頂料銷支撐點(diǎn)間距約為122.5 mm；如圖9（b）所示，當(dāng)設(shè)置4個支撐點(diǎn)時，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個浮動頂料銷后，撓曲度減小趨勢已減緩且不斷趨于零，所以無需設(shè)置更密集的浮動頂料銷，減少生產(chǎn)成本。后續(xù)設(shè)置浮動頂料銷時，浮動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)量浮動頂料銷時料帶撓曲程度

圖10 料帶撓曲度與浮頂設(shè)置數(shù)量的關(guān)系

對全工序料帶設(shè)置浮動頂料銷，如圖11所示，畫“×”標(biāo)記處為浮動頂料銷設(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)置浮動頂料銷，有一定的撓曲產(chǎn)生但撓曲度都較小。再對最后的廢料設(shè)置合適的浮動頂料銷后，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）料帶排樣方式對于料帶撓曲有影響，主要體現(xiàn)在排樣方式對料帶寬度的決定作用，料帶越寬撓曲越嚴(yán)重，采用多排錯距緊縮排樣可在保證生產(chǎn)效率的同時減小撓曲。

（2）料帶在不同工序成形時的撓曲程度不一樣，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）采用浮動頂料銷支撐料帶可解決撓曲問題，經(jīng)模擬后確定浮動頂料銷設(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)級進(jìn)模無人值守自動化生產(chǎn)。